ANSYS駕駛模擬與交通場(chǎng)景編輯系統

1.      系統方案

ANSYS駕駛模擬與交通場(chǎng)景編輯平臺提供了基于物理的三維場(chǎng)景建模、基于語(yǔ)義的道路事件建模、基于物理光學(xué)屬性的攝像頭和激光雷達的仿真、基于物理電磁學(xué)屬性的毫米波雷達的仿真，從而實(shí)現多傳感器、多交通對象、多場(chǎng)景、多環(huán)境的實(shí)時(shí)閉環(huán)仿真。其主要功能如下：

1)      開(kāi)放式交通場(chǎng)景編輯模塊，自定義設定道路和交通場(chǎng)景，可以自定義設定道路兩旁的建筑物，綠化帶等等；

2)      可以根據用戶(hù)需求，自定義設定道路場(chǎng)景上的交通流，可以自定義設定道路上來(lái)往的車(chē)輛，行人和交通指示燈；

3)      可以根據客戶(hù)需求，自行設定主動(dòng)駕駛（或算法控制車(chē)輛）的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)參數；

4)      支持高精度的三維場(chǎng)景仿真和基于環(huán)境光的模擬；

5)      支持高精度的物理屬性的傳感器仿真，包括毫米波雷達的仿真、攝像頭的仿真和激光雷達的仿真；

6)      此外，考慮到能更加逼真地反映“人—車(chē)—路”在環(huán)仿真測試，該平臺還提供了開(kāi)放的接口，可以與實(shí)物傳感器、VR設備、控制器、各類(lèi)測試數據進(jìn)行無(wú)縫的聯(lián)入，從而更好的滿(mǎn)足不同級別、不同目標的測試仿真要求。

2.      系統構成

下面分別介紹本平臺各模塊的構成。

2.1.自定義道路環(huán)境

ANSYS駕駛模擬與交通場(chǎng)景編輯平臺提供了一套自定義道路場(chǎng)景的設計工具，具備直道、彎道、曲線(xiàn)等設計能力，支持道路寬度、長(cháng)度、半徑、方向、車(chē)道數量、車(chē)道方向、車(chē)道限速、車(chē)道類(lèi)型等的編輯。

同時(shí)，該設計工具支持高架等不同高度道路以及不同坡度傾角、道路交叉口、匝道、并道等的定義。還支持車(chē)道線(xiàn)的自定義化建模，包括單線(xiàn)、雙線(xiàn)、實(shí)線(xiàn)、虛線(xiàn)、車(chē)道線(xiàn)紋理、顏色等一系列車(chē)道線(xiàn)類(lèi)型。同時(shí)，軟件集成豐富的環(huán)境模型庫，如樹(shù)木、建筑物、交通標識、路燈、電線(xiàn)桿、綠化帶、動(dòng)物，施工路段障礙物和設施、交通行人等對象模型，可根據用戶(hù)需求對道路場(chǎng)景進(jìn)行快速建模。

除了自定義場(chǎng)景外，ANSYS駕駛模擬與交通場(chǎng)景編輯平臺還支持導入OpenStreetMap等3D高精地圖，自動(dòng)生成與地圖匹配的道路模型。

2.2.自定義交通場(chǎng)景

ANSYS駕駛模擬與交通場(chǎng)景編輯平臺還提供了快捷的基于語(yǔ)義的道路交通流設計，包括車(chē)道行駛規則、車(chē)輛及行人行為、交通指示牌行為，以及某一時(shí)刻各交通對象交通行為的精確數據輸出。此外，交通對象的行為也可以人為定義，包含如車(chē)輛駕駛行為、突然變道、突然加速、行人亂闖紅燈和人行道等一系列場(chǎng)景的仿真，同時(shí)軟件內部車(chē)輛和行人之間可自定義交互與否，即可仿真自動(dòng)避讓行人和忽視行人發(fā)生碰撞等行為。軟件內嵌腳本語(yǔ)言定義，同時(shí)也支持如Python，C++等語(yǔ)言的接口控制來(lái)定義交通行為。如下圖所示，為通過(guò)語(yǔ)義級的腳本語(yǔ)言來(lái)定義車(chē)輛和行人等交通對象的行為。

2.3.構建車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型

除了上述的道路場(chǎng)景以及交通流的搭建能力之外，ANSYS駕駛模擬與交通場(chǎng)景編輯平臺同樣提供了基于總成特性的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，并提供了以下性能參數的配置：

Ø 底盤(pán)參數，如長(cháng)寬高、軸間距、重量等；

Ø 性能參數，如最大時(shí)速、引擎轉速等；

Ø 轉向參數；

Ø 輪轂參數；

Ø ……

同時(shí)，軟件還提供了各類(lèi)特性參數的預定義實(shí)驗數據，方便用戶(hù)對所定義車(chē)輛的特性進(jìn)行快速的測試驗證。相關(guān)的實(shí)驗數據有：

Ø 加速特性實(shí)驗數據；

Ø 剎車(chē)特性實(shí)驗數據；

Ø 轉彎特性實(shí)驗數據；

Ø 方向盤(pán)特性實(shí)驗數據；

Ø 側風(fēng)實(shí)驗數據；

Ø 障礙物和轉彎實(shí)驗數據；

Ø ……

ANSYS駕駛模擬與交通場(chǎng)景編輯平臺還支持外部車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型的導入和集成，如CarSim車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，以及用戶(hù)自研的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型。

2.4.基于物理真實(shí)的三維場(chǎng)景建模

在無(wú)人車(chē)輛的物理仿真中，除了前述關(guān)于道路場(chǎng)景，交通流以及車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型的建模能力外，ANSYS駕駛模擬與交通場(chǎng)景編輯平臺的最大特點(diǎn)和優(yōu)勢在于提供基于物理真實(shí)的三維場(chǎng)景建模和ray-tracing的圖形算法。使得上述的場(chǎng)景的構建與物理真實(shí)達到一個(gè)高匹配度，以此對無(wú)人車(chē)中傳感器的感知和后期控制算法的驗證提供了很好的準確性和真實(shí)性，以減少場(chǎng)景搭建的缺陷所帶來(lái)的傳感器和感知算法的決策錯誤。

在整個(gè)基于物理真實(shí)的建模平臺搭建中，ANSYS駕駛模擬與交通場(chǎng)景編輯平臺會(huì )通過(guò)對以下物理真實(shí)參數的定義和基于ray-tracing的圖形算法來(lái)保證仿真的準確性和真實(shí)性：

n 環(huán)境光源的定義，包括：

Ø 天空的照度值；

Ø 基于經(jīng)緯度的太陽(yáng)光的照度和位置定義；

Ø 環(huán)境場(chǎng)景中各種點(diǎn)光源以及面光源的定義（光譜+IES+XMP）；

Ø 車(chē)輛照明系統的光源定義（光譜+IES+XMP）；

n 環(huán)境場(chǎng)景中包括道路，建筑，車(chē)身等一系列材料表面光學(xué)屬性的定義。

其中各個(gè)光源的定義通過(guò)導入相關(guān)定義文件，如下圖所示：

如前述所講，材料表面光學(xué)屬性通過(guò)ANSYS開(kāi)發(fā)的一套OMS材料物理光學(xué)屬性BRDF測量?jì)x硬件設備，對用戶(hù)所需仿真的場(chǎng)景材料庫進(jìn)行探測，并將探測所得材料表面光學(xué)屬性BSDF函數附在前述場(chǎng)景建模的所屬材質(zhì)表面，從而在ray-tracing的圖形算法下仿真得到一整套完整的考慮外部環(huán)境光以及物體表面光學(xué)屬性的物理真實(shí)的三維場(chǎng)景建模。同時(shí)ANSYS駕駛模擬與交通場(chǎng)景編輯平臺還提供豐富的材料庫供客戶(hù)場(chǎng)景建模使用。

2.6.實(shí)時(shí)閉環(huán)仿真系統

如前述通過(guò)對環(huán)境、場(chǎng)景、交通流的建模構造出無(wú)人車(chē)輛的運行場(chǎng)景和軌跡，同時(shí)耦合如攝像頭、激光雷達和毫米波雷達的感知系統的仿真，通過(guò)開(kāi)放的API接口，可以方便的進(jìn)行外部自動(dòng)駕駛算法的集成。從而形成實(shí)時(shí)閉環(huán)的駕駛系統仿真。

2.7.基于物理的智能頭燈照明仿真系統

隨著(zhù)智能駕駛輔助系統（ADAS）的逐漸普及和行業(yè)發(fā)展，車(chē)輛智能化頭燈照明系統也逐漸成為當前行業(yè)的發(fā)展趨勢和應用熱點(diǎn)。ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺Headlamp模塊通過(guò)ANSYS特有的物理級仿真引擎，為客戶(hù)提供真實(shí)的車(chē)輛頭燈路面光型分布測試和動(dòng)態(tài)駕駛與智能頭燈仿真測試。

除了前述在三維環(huán)境建模中通過(guò)ANSYS OMS設備進(jìn)行材料表面光學(xué)屬性的采集與賦值外，為了保證接近真實(shí)的物理仿真光型，Headlamp模塊同樣對光源進(jìn)行仿真模擬，包括車(chē)燈光源，自然光光源，路燈光源等。定義方式包含如：

Ø 光源光強分布IES文件；

Ø 光源光譜spectrum文件；

Ø 光源強度等；

如下圖所示分別為不同光源的光譜分布和車(chē)燈光源的IES定義文件。

基于環(huán)境和光源的物理仿真，可以實(shí)現車(chē)輛前照燈遠光，近光，側燈的切換以及光強的實(shí)時(shí)切換控制，同時(shí)豐富的光度學(xué)分析工具，包含色度學(xué)，光度學(xué)，等照度線(xiàn)，等照度區域等信息便于分析光分布情況。支持的25米目標墻光分布信息用于分析驗證頭燈光分布是否符合標準。

除了靜態(tài)光型分布驗證，ANSYS Headlamp開(kāi)放的如C++，SCADE，Simulink的光型數據接口支持客戶(hù)自定義化的智能頭燈開(kāi)發(fā)與驗證，同時(shí)豐富的動(dòng)態(tài)駕駛模擬和場(chǎng)景仿真也可以幫助客戶(hù)實(shí)現實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)駕駛頭燈驗證，如AFS，ADB，矩陣頭燈，像素頭燈等智慧頭燈的仿真與測試驗證，基于IIHS動(dòng)態(tài)頭燈測試標準的夜間測試驗證。

歐洲2.0旨在滿(mǎn)足場(chǎng)景密度要求，同時(shí)通過(guò)利用SCANeR™工作室的新磁貼系統管理，可以創(chuàng )建有效的場(chǎng)景控制。由于其大尺寸和地形多樣性，歐洲2.0提供了許多機會(huì )。使用歐洲2.0，您將能夠使用各種實(shí)驗（ADAS的開(kāi)發(fā)，管理事件的研究等），以便在許多移動(dòng)車(chē)輛上快速和長(cháng)時(shí)間駕駛：公路，高速公路，山脈（雪，曲線(xiàn)和銀行） ，城市，休息區等

由于SCANeR™studio 1.8即將推出的新“國際化”功能，客戶(hù)可以自動(dòng)將標志和道路標記更改為其他國家/地區（DE / US / MX）。

 

使用SCANeR™studio的Terrain模式可以輕松導入GIS數據。

AVSimulation與ANSYS之間的戰略合作伙伴關(guān)系通過(guò)虛擬測試加速了自動(dòng)駕駛汽車(chē)的設計和驗證，可在一周內實(shí)現數百萬(wàn)英里的數字道路測試。

此次合作將AVSimulation的革命性仿真技術(shù)與ANSYS的沉浸式自動(dòng)駕駛模擬解決方案相結合，大大加速了自動(dòng)駕駛汽車(chē)向汽車(chē)制造商推向市場(chǎng)的道路。

作為其駕駛模擬器模塊嵌入在VRXPERIENCE中，AVSimulation經(jīng)過(guò)驗證的SCANeR™Studio產(chǎn)品是一個(gè)開(kāi)放且可擴展的模塊化仿真解決方案，可創(chuàng )建超逼真的虛擬世界，使用戶(hù)能夠模擬數千種高性能集群或多種可變性的駕駛場(chǎng)景。公共云，例如Microsoft Azure。SCANeR™融合了高清地圖和資產(chǎn)圖書(shū)館生成的道路，交通狀況，天氣狀況，車(chē)輛動(dòng)力學(xué)等。

“通過(guò)這種合作伙伴關(guān)系，AVSimulation和ANSYS提供了驚人的廣度和深度的技術(shù)，使汽車(chē)制造商能夠大幅降低開(kāi)發(fā)成本，加快向客戶(hù)交付自動(dòng)車(chē)輛”，ANSYS系統業(yè)務(wù)部副總裁兼總經(jīng)理Eric Bantegnie說(shuō)。

有關(guān)官方新聞稿的詳細信息：https：//www.prnewswire.com/news-releases/avsimulation-and-ansys-speed-development-of-safe-autonomous-driving-for-automakers-300873669.html

 

Dogan E., Rahal M.C., Deborne R., Delhomme P., Kemeny A., Perrin J. (2017)
Transition of control in a partially automated vehicle: Effects of anticipation and non-driving-related task involvement
Transportation Research Part F 46 Traffic Psychology and Behavior, pp.205-215

Colombet F., Fang Z., Kemeny A. (2016)
Tilt thresholds for acceleration rendering in driving simulation
Transactions of the Society for Modeling and Simulation International, Vol.92(11), pp. 1025-1033

Lacroix B., Rouelle V., Kemeny A., Mathieu P., Laurent N., Millet G., Gallée G. (2009)
Informal Rules for Autonomous Vehicles in Scaner™
Proceedings of the DSC Europe Conference 2009

Clausse V., Couchat P., Heidet A., Kemeny A. (1999)
SCANeR : an effective vehicle simulation tool for training and research
International Congress on the Use of Simulators, León, Spain

Chalard S., Pleczon P., Kemeny A. (1994)
Utilisation de SCANeR pour la validation de systèmes d’aides à la conduite
Actes de conférence de la Journée Spécialisée de l’INRETS : Simulation de la conduite automobile : validité dans une problématique de recherche, Actes n°42, Déc. 1994, pp.84-95

Kemeny A. (1993)
A Cooperative Driving Simulator
Proceedings of the International Training and Equipment Conference, London, May 1993, pp.67-71