ANSYS自動(dòng)駕駛仿真系統驗證平臺

ANSYS自動(dòng)駕駛仿真驗證平臺

1.      系統方案

ANSYS高精度自動(dòng)駕駛仿真驗證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自動(dòng)駕駛仿真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自動(dòng)駕駛仿真平臺還支持導入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自動(dòng)駕駛仿真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自動(dòng)駕駛仿真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自動(dòng)駕駛仿真平臺還支持外部車(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自動(dòng)駕駛仿真平臺的最大特點(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 自動(dòng)駕駛仿真驗證平臺會(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自動(dòng)駕駛仿真平臺還提供豐富的材料庫供客戶(hù)場(chǎng)景建模使用。

2.5.基于物理真實(shí)的多傳感器模型融合和系統級仿真

在無(wú)人車(chē)輛中，除了前述ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺能提供的基于物理真實(shí)的場(chǎng)景建模能力外，同樣集成了包含攝像頭，激光雷達和毫米波雷達的感知系統模型仿真?？梢詫?shí)現物理級的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真，即在基于物理真實(shí)的道路場(chǎng)景以及交通流定義完成，添加環(huán)境光源以及材料表面光學(xué)屬性后，通過(guò)搭建智能駕駛模擬器來(lái)實(shí)現感知系統的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真驗證，研究環(huán)境以及交通流對感知系統的影響。同時(shí)，ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺還支持如C++/ANSYSSCADE/SIMULINK等外部接口的控制算法來(lái)對傳感器的輸出進(jìn)行數據處理和驗證，包括SIL, HIL等多級別仿真驗證。

1)      基于物理的攝像頭系統級仿真

在基于物理的攝像頭系統級仿真階段，ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺通過(guò)定義攝像頭的如下物理參數得到RAW圖像用以對攝像頭供應商進(jìn)行驗證或者硬件在環(huán)系統的仿真驗證。攝像頭系統級仿真參數模型參照EMVA1288標準建模，主要包含：

n 鏡頭模型

² 鏡頭材料；

² 焦距；

² 孔徑光闌；

² 鏡片透過(guò)率函數；

² 畸變等；

n 成像儀模型

² 分辨率；

² 尺寸；

² 曝光時(shí)間；

² 噪聲系數；

² 量子效率；

² 增益等；

n 處理器模型

n 攝像頭位置

n 風(fēng)擋參數

² 入射角；

² 折射率；

² 厚度；

² 透過(guò)率函數等。

基于以上物理參數的建模以及對場(chǎng)景環(huán)境光源的考慮和材料表面光學(xué)屬性的影響，在系統級仿真中攝像頭輸出與真實(shí)匹配度高度一致的RAW圖像。如下圖所示ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺的攝像頭實(shí)時(shí)輸出提供給感知算法的車(chē)道線(xiàn)識別。

2)      基于物理的激光雷達系統級仿真

類(lèi)似于攝像頭的系統級仿真，激光雷達的系統級仿真通過(guò)準確定義的激光雷達參數，通過(guò)發(fā)射和接收生成的點(diǎn)云圖對用戶(hù)構建的場(chǎng)景和交通流進(jìn)行感知探測并驗證相關(guān)感知算法。支持多種激光雷達模式（掃描式，旋轉式）。

激光雷達的建模參數包括：

n 掃描式

² 最大和最小探測距離；

² 橫向視場(chǎng)角；

² 縱向視場(chǎng)角；

² 分辨率等；

n 旋轉式

² 最大和最小探測距離；

² 旋轉速率；

² 最大線(xiàn)數等；

如下圖所示為ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺的激光雷達實(shí)時(shí)探測深度圖與攝像頭輸出RAW圖像相匹配。

3)      基于物理的毫米波雷達系統級仿真

毫米波雷達的系統級別仿真通過(guò)ANSYS特有的ROM降階技術(shù)，以HFSS軟件為模擬工具，可以通過(guò)內嵌接口工具與ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺結合實(shí)現毫米波雷達與攝像頭和激光雷達的同步實(shí)時(shí)仿真，得到雷達回波的成像結果并進(jìn)行分析。

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。