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自動(dòng)駕駛整車在環(huán)仿真平臺(tái)研究及模擬實(shí)現(xiàn)
2020-06-05 00:27:03· 來源：汽車實(shí)用技術(shù) 作者：上海電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院 上海車右智能科技有限公司）段倫永 馬志成 王立 李志斌
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針對(duì)目前主流自動(dòng)駕駛整車測試方法及 ADAS 整車在環(huán)仿真測試方法的特點(diǎn)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)和實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，搭建自動(dòng)駕駛整車在環(huán)仿真平臺(tái)，并在室內(nèi)進(jìn)行仿真平臺(tái)的模擬實(shí)現(xiàn)和案例測試。
該平臺(tái)不僅可以提供豐富的測試環(huán)境，危險(xiǎn)場景以及難復(fù)現(xiàn)的復(fù)雜場景進(jìn)行可重復(fù)性測試，而且使用的是真實(shí)車輛的車輛動(dòng)力學(xué)特性，無需復(fù)雜的車輛動(dòng)力學(xué)模型，同時(shí)測試成本也相對(duì)低廉。
目前，針對(duì)自動(dòng)駕駛整車測試要求，主要有三種測試方法：軟件虛擬測試、HIL（Hardware-In-the-Loop）仿真測試和真實(shí)道路測試。
軟件虛擬測試是基于虛擬場景的整車集成式的自動(dòng)駕駛測試方法，是一種純數(shù)字仿真測試；HIL 仿真測試主要用于核心控制算法形成后，將真實(shí)的整車引入仿真測試系統(tǒng)中進(jìn)行臺(tái)架測試；
真實(shí)道路測試分為封閉園區(qū)測試和開放道路測試，是確認(rèn)自動(dòng)駕駛汽車可靠性最為重要的一種測試方法，而且仿真測試永遠(yuǎn)不能代替真實(shí)道路測試。然而，經(jīng)過研究分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的三種主流測試方法都有其固有弊端，如表 1 所示。
另外，Miquet 等，Butenuth等，趙祥磊等，提出了 用于測試 ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）的 VIL（Vehicle-Inthe-Loop）仿真測試方法。
此類方法的基本原理和測試目的 與自動(dòng)駕駛整車在環(huán)仿真測試相似，但是如果應(yīng)用于自動(dòng)駕 駛車輛的整車測試，還存在以下問題：
■ 仿真系統(tǒng)安裝在被試車輛上，測試過程中，很難在線 分析和監(jiān)控；
■ 不能支持云端虛擬仿真環(huán)境；
■ 不能擴(kuò)展，一個(gè)仿真系統(tǒng)只能對(duì)一輛整車的系統(tǒng)進(jìn)行 測試；
■ 為了逼真的模擬物理世界，場景虛擬系統(tǒng)會(huì)非常龐大，由于尺寸、功率和重量等限制，很難安裝在被試車輛上。即使勉強(qiáng)安裝在車上，會(huì)增加被試車輛的電能負(fù)載和重量， 影響測試效果。
同時(shí)，車輛運(yùn)行的振動(dòng)會(huì)降低仿真系統(tǒng)硬件的可靠性。針對(duì)上述幾種測試方法的特點(diǎn)，本文提出搭建自動(dòng)駕駛 VIL 仿真測試平臺(tái)，以此解決當(dāng)前主流自動(dòng)駕駛整車測試， 各自固有缺點(diǎn)，充分結(jié)合幾者的優(yōu)勢。
1 系統(tǒng)原理
自動(dòng)駕駛整車在環(huán)仿真測試平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)主要由交通仿真場景、自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)、真實(shí)測試道路上的物理車輛三 部分組成。其系統(tǒng)原理，如圖 1 所示。
使用基于 UE4（Unreal Engine 4）的自動(dòng)駕駛仿真測試系統(tǒng) Carla，建設(shè)所需開發(fā)測試的仿真場景；仿真場景中的數(shù)字孿生車輛，通過虛擬感知傳感器采集測試場景數(shù)據(jù)；并將數(shù)據(jù)傳遞給被試自動(dòng)駕駛控制器，進(jìn)行信息融合與控制決策， 決策后的車輛控制命令，通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給物理車輛的執(zhí)行器；
物理車輛在真實(shí)道路上做出反應(yīng)后，車輛姿態(tài)和位置信息，再通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給仿真場景中的數(shù)字孿生車輛；完成車輛位置同步，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)實(shí)時(shí)仿真。
自動(dòng)駕駛 VIL 仿真系統(tǒng)中，由于交通仿真場景中數(shù)字孿生車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由真實(shí)道路上行駛的物理車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定，因此仿真測試平臺(tái)無需建立復(fù)雜的車輛動(dòng)力學(xué)模型；同時(shí)比其他類型的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，提供更精確的仿真能 力，且保留了軟件虛擬測試低成本，場景多樣，極端場景測試，可重復(fù)性測試等優(yōu)點(diǎn)。
交通仿真場景中，不僅可以生成可控的程序化車輛流、 行人、動(dòng)物等動(dòng)態(tài)背景物體，還可以接入駕駛模擬器，控制特定的背景車輛，模擬人類駕駛習(xí)慣，構(gòu)成更加真實(shí)、嚴(yán)苛的仿真測試環(huán)境。
交通仿真場景服務(wù)器獨(dú)立于真實(shí)道路上的物理車輛，放置在試驗(yàn)室中，因此不會(huì)受到場地、供電和計(jì)算能力的限制，尤其是系統(tǒng)中不需要模擬復(fù)雜的車輛動(dòng)力學(xué)模型，大幅度降低了對(duì)虛擬場景服務(wù)器計(jì)算能力的要求。
從而允許多臺(tái)被試自動(dòng)駕駛車輛，在同一個(gè)交通仿真場景中進(jìn)行同步測試，可 用于模擬和分析多臺(tái)自動(dòng)駕駛車輛（包括不同控制算法）在同一個(gè)交通場景下的交互模式及相互間的影響?？梢詫?shí)現(xiàn)多輛被試自動(dòng)駕駛車輛，程序化背景車輛流，人類駕駛特性車 輛共存的交通狀況。
2 自動(dòng)駕駛整車在環(huán)仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)
自動(dòng)駕駛整車在環(huán)仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)總體分成平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、虛擬場景建設(shè)、物理車輛改裝、基于 ROS 系統(tǒng)功能開發(fā)， 四個(gè)部分來完成。
2.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
自動(dòng)駕駛整車在環(huán)仿真平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖 2 所示。圖 2 是最佳實(shí)施方案的自動(dòng)駕駛 VIL 仿真平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。本文是在室內(nèi)模擬實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛 VIL 仿真平臺(tái)，使用的是Carla系統(tǒng)自帶的簡易AD算法，沒有獨(dú)立的自動(dòng)駕駛控制器；同時(shí)，車輛駕駛控制命令和車輛姿態(tài)及位置數(shù)據(jù)，通過使AP（Wireless Access Point）組建的無線局域網(wǎng)進(jìn)行通訊，沒有采用 5G 通訊技術(shù)。
2.2 虛擬場景建設(shè)
此仿真平臺(tái)使用自動(dòng)駕駛仿真測試系統(tǒng) Carla，進(jìn)行虛擬場景建設(shè)。Carla 從頭開始開發(fā)，以支持自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的開發(fā)，訓(xùn)練和驗(yàn)證。除開源代碼和協(xié)議外，Carla 還提供為此目的而創(chuàng)建的開放式數(shù)字資產(chǎn)（城市布局，建筑物，車輛等），并可自由使用。
支持靈活的傳感器套件規(guī)格和環(huán)境條件（白天、夜晚、雨雪天氣等），通過OpenDrive 格式地圖數(shù)據(jù)賦予3D模型語義信息。支持 FBX3D 模型格式導(dǎo)入，便于高效、便捷地完成虛擬場景建設(shè)任務(wù)。此次模擬平臺(tái)建設(shè)的室內(nèi) Demo 仿真場景，如圖 3 所示。
2.3 物理車輛改裝
傳感器成本一直是自動(dòng)駕駛汽車硬件成本居高不下的重要原因。自動(dòng)駕駛 VIL 仿真平臺(tái)中，傳感器只用來實(shí)時(shí)定位，車輛改裝的最佳傳感器配置是 RTKGPS（載波相位差分 技術(shù)全球定位系統(tǒng)）+IMU（慣性測量單元）的組合，所以和真實(shí)道路測試相比，VIL 仿真平臺(tái)大幅度降低了被試車 輛的改裝成本。
模擬平臺(tái)中我們選用 X-MAXX RC Car 進(jìn)行改裝，它是按照正常車輛的 5:1 尺寸縮小，其工作原理和市面上電動(dòng)汽車基本相同，車上安裝處理器（Raspberry Pi 3B+）、執(zhí)行器 （PCA9685）、激光雷達(dá)（SLAMTIC RPLIDAR A1）、慣性測 量單元（razor_imu_9dof），實(shí)現(xiàn)車輛定位和自動(dòng)駕駛控制信號(hào)接收。使用低成本的硬件改裝，就可以達(dá)到較好的測試效果。改裝后的物理車輛，如圖 4 所示。
2.4 基于 ROS系統(tǒng)功能開發(fā)
ROS（Robot Operating System）是一個(gè)適用于機(jī)器人， 開源的元操作系統(tǒng)。采用分布式架構(gòu)，通過各功能獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)（Node）實(shí)現(xiàn)消息傳遞任務(wù)的分層次運(yùn)行，從而減輕實(shí)時(shí)計(jì)算的壓力[12]。根據(jù) ROS 提供的底層標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)服務(wù)， 進(jìn)行仿真測試平臺(tái)的功能開發(fā)。自動(dòng)駕駛 VIL 仿真平臺(tái)中 ROS 節(jié)點(diǎn)的信息流程圖，如圖 5 所示。
3 車輛物理定位分析
自動(dòng)駕駛VIL仿真平臺(tái)的模擬實(shí)現(xiàn)是在室內(nèi)進(jìn)行，所以采用SLAM（Simultaneous Localization And Map）定位技術(shù)。
自動(dòng)駕駛汽車在未知環(huán)境中探索，僅通過安裝在汽車上的傳感器估計(jì)汽車本身的位置的同時(shí)繪制未知環(huán)境的地圖。這是導(dǎo)航及自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵技術(shù)。定位傳感器 IMU 是敏感元件，尤其低成本 IMU 的偏航角信號(hào)受噪聲干擾嚴(yán)重，需對(duì) IMU 偏航角信號(hào)數(shù)據(jù)做濾波處理。原始數(shù)據(jù)和濾波后數(shù)據(jù)對(duì)比，如圖 6 所示。
繪制地圖所需的節(jié)點(diǎn)和話題，如圖 7 所示。SLAM室內(nèi)演示場景的點(diǎn)云地圖，如圖 8 所示。
使用手動(dòng)控制程序，控制物理車輛運(yùn)動(dòng)。車輛位置測試 結(jié)果數(shù)據(jù)，如表 2 所示。
根據(jù)測試結(jié)果，分析得出：排除無線信號(hào)干擾因素，仿 真平臺(tái)的實(shí)時(shí)性誤差在允許范圍內(nèi)，滿足室內(nèi)平臺(tái)模擬實(shí)現(xiàn) 的車輛物理定位要求。
4 測試案例分析
自動(dòng)駕駛VIL仿真平臺(tái)具有信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，可以隨時(shí)獲取某一時(shí)間段或特定場景中，車輛控制信號(hào)。這對(duì)于測試后期，數(shù)據(jù)處理、算法改進(jìn)、故障分析等具有重要意義。仿真平臺(tái)測試的實(shí)驗(yàn)場景：被試車輛在直行過程中，道路前方出現(xiàn)其他行駛車輛，如圖 9 所示。這一時(shí)間段的車輛控制信號(hào)，如圖 10 所示。
開始階段油門開度信號(hào)為1，電機(jī)正轉(zhuǎn)，被試車輛以最大油門開度行駛；直行過程中，道路前方出現(xiàn)其他行駛車輛，油門信號(hào)變?yōu)?，電機(jī)停止工作，被試車輛停車；當(dāng)前方車輛離開后，油門信號(hào)又變?yōu)?1，被試車輛繼續(xù)行駛。
此次實(shí)驗(yàn)使用的控制算法，油門開度為0時(shí)，即車輛制動(dòng)，所以沒有制動(dòng)信號(hào)輸出，制動(dòng)信號(hào)顯示恒為0。被試車輛的舵機(jī)最大轉(zhuǎn)向角為±100°，為了保護(hù)車輛，程序中設(shè)置轉(zhuǎn)向極值角，控制算法調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向信號(hào)，使車輛保持直行，其他車輛離開后， 被試車輛繼續(xù)行駛且開始轉(zhuǎn)向。
5 結(jié)論
自動(dòng)駕駛車輛上路前一定需要經(jīng)過大量測試，代替實(shí)車的仿真測試已成為各大汽車廠商與自動(dòng)駕駛技術(shù)供應(yīng)商的關(guān)注重點(diǎn)。本文通過分析當(dāng)前主流的三種自動(dòng)駕駛整車測試方法及 ADAS 整車在環(huán)測試方法的特點(diǎn)，開發(fā)了自動(dòng)駕駛整車在環(huán)仿真開發(fā)平臺(tái)，充分結(jié)合了軟件虛擬測試、硬件在環(huán)仿真測試、真實(shí)道路測試三者的優(yōu)點(diǎn)。
通過自動(dòng)駕駛 VIL 仿 真平臺(tái)研究及模擬實(shí)現(xiàn)，得到以下結(jié)論：
（1）自動(dòng)駕駛 VIL 仿真平臺(tái)用于自動(dòng)駕駛整車測試?yán)碚撋鲜强尚械?，在?shí)車測試平臺(tái)建設(shè)中可能會(huì)存在工程上問 題。
（2）基于成熟的軟件虛擬整車測試系統(tǒng)開發(fā)，自動(dòng)駕駛 VIL 仿真平臺(tái)不僅可以提供豐富的測試環(huán)境，危險(xiǎn)場景以及難復(fù)現(xiàn)的復(fù)雜場景進(jìn)行可重復(fù)性測試，而且通過接入真實(shí)道路上行駛的物理車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，平臺(tái)中車輛動(dòng)力學(xué)特性和真實(shí)道路測試完全一致。
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