MathWorks三個(gè)平臺(tái)如何幫助無人駕駛汽車開發(fā)者集成?

作者：AviNehemiah、PeterFryscak 和 MikeSasena， MathWorks

此篇博客將介紹 MathWorks 的三個(gè)平臺(tái)（MATLAB、Simulink 和 RoadRunner）如何幫助無人駕駛汽車 （AV） 開發(fā)者集成和支持使用 NVIDIA DRIVE Sim 的工作流， 而 NVIDIA DRIVE Sim 是一個(gè)可擴(kuò)展的、支持物理上精確和多元化仿真的平臺(tái)。

本篇博客由兩部分組成，包括 MathWorks 平臺(tái)支持 AV 開發(fā)者的兩種方式：一種是使用 NVIDIA DRIVE Sim，另一種是將算法部署到 NVIDIA 硬件。第 1 部分 - 集成 DRIVE Sim 用于創(chuàng)建環(huán)境模型和車輛動(dòng)力學(xué)：MathWorks 工具如何與 DRIVE Sim 集成來完成以下任務(wù)：

使用 RoadRunner 及其 DRIVE Sim 連接器來設(shè)計(jì)用于仿真的 3D 網(wǎng)絡(luò)和場(chǎng)景，再將仿真環(huán)境導(dǎo)出到 Omniverse。

將 Simulink Vehicle Dynamics Blockset 工具箱中的高保真車輛動(dòng)力學(xué)模型與 DRIVE Sim 自動(dòng)駕駛車輛結(jié)合使用。

第 2 部分 - 將算法部署到 DRIVE 平臺(tái)：如何通過 GPU Coder 和 Embedded Coder 從 MATLAB 代碼和 Simulink 模型生成優(yōu)化的 CUDA 代碼， 旨在部署到 NVIDIA DRIVE 硬件上。

環(huán)境建模

AV 開發(fā)者需要開發(fā)逼真的 3D 環(huán)境來仿真和測(cè)試感知、規(guī)劃和控制算法。他們面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是現(xiàn)實(shí)世界的道路很復(fù)雜，創(chuàng)建可用于仿真的 3D 場(chǎng)景非常耗時(shí)。RoadRunner 是一款交互式編輯器， 可用于針對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)仿真和測(cè)試設(shè)計(jì) 3D 場(chǎng)景。開發(fā)者可以創(chuàng)建區(qū)域特定的道路標(biāo)志和標(biāo)記來自定義道路場(chǎng)景，也可以插入標(biāo)志、信號(hào)、護(hù)欄、道路損壞、綠化、建筑物和其他三維模型。復(fù)雜的真實(shí)路網(wǎng)（左）和 RoadRunner 創(chuàng)建的仿真環(huán)境（右）AV 開發(fā)者可以通過“DRIVE Sim 匹配的 RoadRunner 連接器”，在 30 分鐘內(nèi)創(chuàng)建以下 3D環(huán)境，并且導(dǎo)出到 NVIDIA Omniverse 進(jìn)行仿真或與其他3D制作流程集成。
使用 RoadRunner 創(chuàng)建 3D 環(huán)境，并通過“DRIVE Sim 匹配的 RoadRunner 連接器”導(dǎo)出到 Omniverse。

以上環(huán)境可分為以下幾個(gè)組成部分：

添加道路、車道和人行道

創(chuàng)建路口

添加路口標(biāo)記和道具

放置綠化

首先，讓我們創(chuàng)建路網(wǎng)以及相關(guān)的車道標(biāo)記和人行道。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們可以使用 RoadRunner 中的 Road Plan Tool 道路規(guī)劃工具來創(chuàng)建和布置道路。然后，使用 Lane Tool 車道工具配置不同車道和設(shè)置道路屬性，包括行進(jìn)方向和車道類型。在本例中，更改了車道的寬度，并且移除了一側(cè)的人行道以匹配航空?qǐng)D像。RoadRunner 用戶通常會(huì)利用場(chǎng)景的航拍圖像或激光雷達(dá)圖像作為路網(wǎng)的模板。

現(xiàn)在我們已創(chuàng)建了路網(wǎng)，隨后我們將創(chuàng)建 T 型路口。當(dāng)?shù)缆废嘟粫r(shí)，RoadRunner 會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建路口；在這個(gè)例子中，我們將使用 Custom Junction Tool 自定義路口工具創(chuàng)建T型路口。RoadRunner 包含多種 junction tools 路口工具，可自定義路口在仿真中的外觀和行為。

現(xiàn)在，我們使用 Prop Point Tool 道具點(diǎn)工具更新有停車標(biāo)志的路口，使用 Marking Point Tool 標(biāo)記點(diǎn)工具在道路上繪制“Stop”字樣，并使用 Marking Curve Tool 標(biāo)記曲線工具創(chuàng)建一條停車線。

在創(chuàng)建路網(wǎng)和交叉路口后，可以插入一些綠化以更形象地模擬環(huán)境。RoadRunner 提供了一組預(yù)置的道具，同時(shí)也可以將外部創(chuàng)建的素材導(dǎo)入 RoadRunner。此場(chǎng)景使用了一組稱為 Prop Set 道具集的對(duì)象?？梢詫⒌谰呒蟿?dòng)到現(xiàn)有的道具多邊形上，也可以使用 Prop Polygon Tool 道具多邊形工具填充新區(qū)域。

3D環(huán)境準(zhǔn)備就緒后，現(xiàn)在就可以使用“DRIVE Sim 匹配的 RoadRunner 連接器”將場(chǎng)景從 RoadRunner 導(dǎo)出到 Omniverse。到目前為止，該示例還是基于一個(gè)簡(jiǎn)單的場(chǎng)景。以下是 DRIVE Sim 中針對(duì)更復(fù)雜場(chǎng)景的一些效果圖片：

車輛動(dòng)力學(xué)

為了進(jìn)行整車級(jí)研究，開發(fā)者需要確定車輛模型本身所需的保真度水平。在某些情況下，車輛模型可能微不足道。例如，交通仿真通常將每輛車視為沿指定軌跡在空間中移動(dòng)的簡(jiǎn)單物體。然而，在緊急制動(dòng)測(cè)試等情況下，則需要使用更高保真度的車輛模型。Vehicle Dynamics Blockset 是 Simulink 的附加產(chǎn)品，可幫助解決此類問題。以下是有關(guān)其應(yīng)用的一些示例。Vehicle Dynamics Blockset 附帶了幾個(gè)預(yù)置的參考應(yīng)用，使其更易于上手。例如，參考應(yīng)用 Constant Radius Maneuver 等半徑控制包含車輛模型，以及駕駛員、控制器、傳感器、動(dòng)力總成、車輪、制動(dòng)器、轉(zhuǎn)向、懸架和底盤。

這類車輛模型可以非常詳細(xì)，并且可以參數(shù)化，以便更準(zhǔn)確地反映相關(guān)系統(tǒng)。例如， 映射的火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)（SI Engine） 模型可以通過導(dǎo)入測(cè)試數(shù)據(jù)來標(biāo)定發(fā)動(dòng)機(jī)。

同樣，開發(fā)者可以使用運(yùn)動(dòng)學(xué)與柔順性（Kinematics and Compliance）參考應(yīng)用從懸架測(cè)試或多體動(dòng)力學(xué)仿真中導(dǎo)入數(shù)據(jù)，擬合響應(yīng)曲面模型，并參數(shù)化映射的懸架模型，從而逼真地模擬真實(shí)系統(tǒng)的行為。

對(duì)車輛模型進(jìn)行參數(shù)化后，讓我們進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)來表征其行為。Constant Radius 等半徑參考應(yīng)用包括一個(gè)參考發(fā)生器模塊庫，允許開發(fā)者從預(yù)定義的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試（如雙車道變更或緩慢增加的轉(zhuǎn)向控制）列表中進(jìn)行選擇。此過程從恒定半徑測(cè)試開始，以評(píng)估車輛在指定速度下保持固定轉(zhuǎn)彎半徑的能力。通過掃描越來越高的車速，可以查看車速、橫向加速度和車輛打滑等信號(hào)，以確定車輛是否滿足系統(tǒng)要求。

在測(cè)試了一組轉(zhuǎn)向操作之后，可以進(jìn)行制動(dòng)測(cè)試操作，以評(píng)估車輛在指定初始速度下的停車距離。該參考應(yīng)用包括ABS控制器和對(duì)話框等功能，可用于指定路面條件來做不同附著系數(shù)路面的制動(dòng)測(cè)試。

通過此制動(dòng)測(cè)試，可以比較不同制動(dòng)控制器和不同條件下生成的結(jié)果，以評(píng)估車輛的性能。

由于 Vehicle Dynamics Blockset 是基于 Simulink平臺(tái)開發(fā)的，因此這些類型的仿真都可以在 NVDIA DRIVE Sim 平臺(tái)上運(yùn)行，這不僅為開發(fā)者更有效地進(jìn)行研究增加了全新的性能和靈活性，又能充分利用 DRIVE Sim 生態(tài)系統(tǒng)的其他功能。點(diǎn)擊“閱讀原文”，查看本系列博客的第二部分（英文版），了解如何將 MATLAB 和 Simulink 中創(chuàng)建的算法部署到 NVIDIA DRIVE 平臺(tái)。要了解更多有關(guān)如何使用不同的 MathWorks 平臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)駕駛開發(fā)以及其他 AV 開發(fā)者如何使用 MathWorks 平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，您可以注冊(cè)參加將于 2021 年 6 月 8 日在北京舉辦的MATLAB EXPO 中國用戶大會(huì)。該活動(dòng)包括來自 MathWorks 的其他汽車與自動(dòng)駕駛用戶的演講：

原文標(biāo)題：創(chuàng)建無人駕駛汽車（AV）仿真工具鏈

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