ANSYS自動(dòng)駕駛仿真驗(yàn)證平臺(tái)

1.系統(tǒng)方案

ANSYS高精度自動(dòng)駕駛仿真驗(yàn)證平臺(tái)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(dá)的仿真、基于物理電磁學(xué)屬性的毫米波雷達(dá)的仿真，從而實(shí)現(xiàn)多傳感器、多交通對(duì)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)開放式交通場(chǎng)景編輯模塊，自定義設(shè)定道路和交通場(chǎng)景，可以自定義設(shè)定道路兩旁的建筑物，綠化帶等等；

2)可以根據(jù)用戶需求，自定義設(shè)定道路場(chǎng)景上的交通流，可以自定義設(shè)定道路上來(lái)往的車輛，行人和交通指示燈；

3)可以根據(jù)客戶需求，自行設(shè)定主動(dòng)駕駛（或算法控制車輛）的車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)；

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(dá)的仿真、攝像頭的仿真和激光雷達(dá)的仿真；

6) 此外，考慮到能更加逼真地反映“人—車—路”在環(huán)仿真測(cè)試，該平臺(tái)還提供了開放的接口，可以與實(shí)物傳感器、VR設(shè)備、控制器、各類測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)縫的聯(lián)入，從而更好的滿足不同級(jí)別、不同目標(biāo)的測(cè)試仿真要求。

2.      系統(tǒng)構(gòu)成

下面分別介紹本平臺(tái)各模塊的構(gòu)成。

2.1.自定義道路環(huán)境

ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)提供了一套自定義道路場(chǎng)景的設(shè)計(jì)工具，具備直道、彎道、曲線等設(shè)計(jì)能力，支持道路寬度、長(zhǎng)度、半徑、方向、車道數(shù)量、車道方向、車道限速、車道類型等的編輯。

同時(shí)，該設(shè)計(jì)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。還支持車道線的自定義化建模，包括單線、雙線、實(shí)線、虛線、車道線紋理、顏色等一系列車道線類型。同時(shí)，軟件集成豐富的環(huán)境模型庫(kù)，如樹木、建筑物、交通標(biāo)識(shí)、路燈、電線桿、綠化帶、動(dòng)物，施工路段障礙物和設(shè)施、交通行人等對(duì)象模型，可根據(jù)用戶需求對(duì)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(tái)還支持導(dǎo)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(tái)還提供了快捷的基于語(yǔ)義的道路交通流設(shè)計(jì)，包括車道行駛規(guī)則、車輛及行人行為、交通指示牌行為，以及某一時(shí)刻各交通對(duì)象交通行為的精確數(shù)據(jù)輸出。此外，交通對(duì)象的行為也可以人為定義，包含如車輛駕駛行為、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(nèi)部車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(nèi)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，為通過語(yǔ)義級(jí)的腳本語(yǔ)言來(lái)定義車輛和行人等交通對(duì)象的行為。

2.3.構(gòu)建車輛動(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(tái)同樣提供了基于總成特性的車輛動(dòng)力學(xué)模型，并提供了以下性能參數(shù)的配置：

?    底盤參數(shù)，如長(zhǎng)寬高、軸間距、重量等；

?    性能參數(shù)，如時(shí)速、引擎轉(zhuǎn)速等；

?    轉(zhuǎn)向參數(shù)；

?    輪轂參數(shù)；

?     ……

同時(shí)，軟件還提供了各類特性參數(shù)的預(yù)定義實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，方便用戶對(duì)所定義車輛的特性進(jìn)行快速的測(cè)試驗(yàn)證。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有：

?    加速特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

?    剎車特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

?    轉(zhuǎn)彎特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

?    方向盤特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

?    側(cè)風(fēng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

?    障礙物和轉(zhuǎn)彎實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

?    ……

ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)還支持外部車輛動(dòng)力學(xué)模型的導(dǎo)入和集成，如CarSim車輛動(dòng)力學(xué)模型，以及用戶自研的車輛動(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，交通流以及車輛動(dòng)力學(xué)模型的建模能力外，ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)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(gòu)建與物理真實(shí)達(dá)到一個(gè)高匹配度，以此對(duì)無(wú)人車中傳感器的感知和后期控制算法的驗(yàn)證提供了很好的準(zhǔn)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(cuò)誤。

在整個(gè)基于物理真實(shí)的建模平臺(tái)搭建中，ANSYS 自動(dòng)駕駛仿真驗(yàn)證平臺(tái)會(huì)通過對(duì)以下物理真實(shí)參數(shù)的定義和基于ray-tracing的圖形算法來(lái)保證仿真的準(zhǔn)確性和真實(shí)性：

?    環(huán)境光源的定義，包括：

?    天空的照度值；

?     基于經(jīng)緯度的太陽(yáng)光的照度和位置定義；

?    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）；

?    車輛照明系統(tǒng)的光源定義（光譜+IES+XMP）；

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

其中各個(gè)光源的定義通過導(dǎo)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ANSYS開發(fā)的一套OMS材料物理光學(xué)屬性BRDF測(cè)量?jī)x硬件設(shè)備，對(duì)用戶所需仿真的場(chǎng)景材料庫(kù)進(jìn)行探測(cè)，并將探測(cè)所得材料表面光學(xué)屬性BSDF函數(shù)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(tái)還提供豐富的材料庫(kù)供客戶場(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(tǒng)級(jí)仿真

在無(wú)人車輛中，除了前述ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)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(dá)和毫米波雷達(dá)的感知系統(tǒng)模型仿真。可以實(shí)現(xiàn)物理級(jí)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，通過搭建智能駕駛模擬器來(lái)實(shí)現(xiàn)感知系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證，研究環(huán)境以及交通流對(duì)感知系統(tǒng)的影響。同時(shí)，ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)還支持如C++/ANSYSSCADE/SIMULINK等外部接口的控制算法來(lái)對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和驗(yàn)證，包括SIL, HIL等多級(jí)別仿真驗(yàn)證。

1)      基于物理的攝像頭系統(tǒng)級(jí)仿真

在基于物理的攝像頭系統(tǒng)級(jí)仿真階段，ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)通過定義攝像頭的如下物理參數(shù)得到RAW圖像用以對(duì)攝像頭供應(yīng)商進(jìn)行驗(yàn)證或者硬件在環(huán)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證。攝像頭系統(tǒng)級(jí)仿真參數(shù)模型參照EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)建模，主要包含：

?     鏡頭模型

?    鏡頭材料；

?     焦距；

?    孔徑光闌；

?    鏡片透過率函數(shù)；

?     畸變等；

?    成像儀模型

?    分辨率；

?    尺寸；

?    曝光時(shí)間；

?     噪聲系數(shù)；

?    量子效率；

?    增益等；

?    處理器模型

?     攝像頭位置

?    風(fēng)擋參數(shù)

?    入射角；

?    折射率；

?    厚度；

?    透過率函數(shù)等。

基于以上物理參數(shù)的建模以及對(duì)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(tǒng)級(jí)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(tái)的攝像頭實(shí)時(shí)輸出提供給感知算法的車道線識(shí)別。