自動駕駛仿真平臺

作者 |樓澤如 上?？匕部尚跑浖?chuàng)新研究院研發(fā)工程師

來源 |鑒源實(shí)驗(yàn)室

01引 言

自動駕駛汽車的興起，正在重新定義汽車行業(yè)。隨著自動駕駛技術(shù)的發(fā)展，自動駕駛汽車將會大大提升交通安全、減少事故發(fā)生、減少交通擁堵、提高公路容量等等，為人類帶來前所未有的便利。然而，由于自動駕駛汽車需要面對復(fù)雜的交通環(huán)境和意外事件，使得自動駕駛汽車的開發(fā)和測試頗具挑戰(zhàn)性。

傳統(tǒng)的自動駕駛測試方法包括在實(shí)際道路上進(jìn)行封閉場地和公共道路測試，但這些方法都存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)和高成本。因此，自動駕駛仿真測試逐漸成為了自動駕駛汽車開發(fā)過程中必不可少的一部分，對于提高自動駕駛汽車的安全性、可靠性、精度和性能等方面都有著重要的意義。仿真測試不僅可以在更加安全、低成本的環(huán)境下進(jìn)行測試，而且可以提供更多的測試數(shù)據(jù)和測試情況，加速自動駕駛汽車的開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用。

02自動駕駛仿真測試的重要性

自動駕駛仿真測試是一種通過仿真技術(shù)來模擬測試自動駕駛汽車的功能和性能的方法，以評估自動駕駛汽車的可靠性、安全性和適應(yīng)性等，便于優(yōu)化自動駕駛汽車的功能、性能和行駛體驗(yàn)。

自動駕駛仿真測試憑借其測試場景豐富、計(jì)算速度快、測試效率高、資源消耗低、可重復(fù)性好、可嵌入汽車開發(fā)的各個環(huán)節(jié)等原因，能夠很好地在實(shí)際路面行駛之前，對車輛進(jìn)行全面、安全的測試。這種測試方法可以提高自動駕駛系統(tǒng)的安全性和可靠性，并減少實(shí)際測試的風(fēng)險(xiǎn)和成本，加速自動駕駛技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。仿真測試在自動駕駛技術(shù)開發(fā)中具有以下幾個重要性和必要性：

（1）安全性保障：自動駕駛汽車具有高度的復(fù)雜性和安全性要求，直接進(jìn)行實(shí)地測試會存在很高的風(fēng)險(xiǎn)。仿真測試可以在虛擬環(huán)境中模擬各種復(fù)雜的路況和交通情況，對自動駕駛汽車的各項(xiàng)功能進(jìn)行測試，從而發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，保障自動駕駛汽車的安全性。

（2）成本效益：自動駕駛汽車的研發(fā)需要大量的測試，如果全部在實(shí)際道路上進(jìn)行測試，將會耗費(fèi)大量的時間和金錢。仿真測試可以在虛擬環(huán)境中快速、精準(zhǔn)地模擬各種場景和情況，有效地降低測試成本，縮短研發(fā)周期，提高測試效率。

（3）多樣化的測試場景：仿真測試可以模擬各種復(fù)雜的路況、天氣狀況、道路建設(shè)和交通情況等，進(jìn)行多種不同情況下的測試，以確保自動駕駛汽車的安全性和可靠性。

（4）提高測試覆蓋率：仿真測試可以模擬大量測試場景，提高測試的覆蓋率和深度，從而更好地發(fā)現(xiàn)和解決潛在的問題。

（5）系統(tǒng)性的測試：自動駕駛汽車涉及到多個系統(tǒng)的協(xié)同作用，仿真測試可以對整個系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性的測試，確保系統(tǒng)各個部分的配合協(xié)調(diào)性。

03自動駕駛仿真測試的類型

自動駕駛仿真測試作為一種高效、安全、低成本的測試方法，會針對自動駕駛系統(tǒng)的功能和性能、安全性、可靠性等，進(jìn)行全面、充分的測試，以保證自動駕駛汽車能夠達(dá)到路面行駛的要求。自動駕駛汽車的功能測試是測試自動駕駛汽車是否能夠按照預(yù)期執(zhí)行各種功能，例如遵守交通規(guī)則、感知道路標(biāo)志和障礙物等。Huang等[3]將功能測試分為：

（1）感知層功能測試：感知測試主要用于測試自動駕駛汽車的感知能力，包括車道線和道路標(biāo)志的檢測、障礙物識別和檢測、行人檢測和識別等。感知測試的目的是檢查自動駕駛汽車的感知系統(tǒng)在不同的情況下的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

（2）決策層功能測試：決策測試主要用于測試自動駕駛汽車的決策能力，包括行駛路徑規(guī)劃、車輛間的跟車和超車等情況。決策測試的目的是檢查自動駕駛汽車的決策系統(tǒng)在不同的情況下的正確性和合理性。

（3）控制層功能測試：控制測試主要用于測試自動駕駛汽車的控制能力，包括加速、制動、轉(zhuǎn)向等控制。控制測試的目的是檢查自動駕駛汽車的控制系統(tǒng)在不同情況下的穩(wěn)定性和精度。

除了功能測試以外，還有一些其他的測試類型也被廣泛應(yīng)用于自動駕駛仿真測試中，比如安全測試、性能測試等。安全測試主要用于測試自動駕駛汽車在緊急情況下的反應(yīng)能力和安全性。安全測試的目的是檢查自動駕駛汽車的安全性，例如急剎車或避讓等威脅場景中自動駕駛汽車是否能安全應(yīng)對。而性能測試主要用于測試自動駕駛汽車的性能表現(xiàn)，例如加速、最高速度、燃油效率等。性能測試的目的是檢查自動駕駛汽車的性能表現(xiàn)是否符合設(shè)計(jì)要求。

需要注意的是，自動駕駛汽車的測試不僅僅是仿真測試，還需要在實(shí)際路況下進(jìn)行測試。實(shí)際測試可以驗(yàn)證仿真測試的結(jié)果，同時也可以發(fā)現(xiàn)一些仿真測試無法模擬的特殊情況。因此，自動駕駛汽車的測試需要結(jié)合仿真測試和實(shí)際測試，以保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

04自動駕駛仿真測試的方式

汽車的V字開發(fā)流程是一種經(jīng)典的產(chǎn)品開發(fā)流程，它將整個產(chǎn)品開發(fā)過程劃分為左側(cè)的需求分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)等階段，以及右側(cè)的系統(tǒng)測試、集成測試等階段，形成一個“V”字形狀，因此被稱為“V字開發(fā)流程”。

圖1 汽車的V字開發(fā)流程[3]

針對自動駕駛的仿真測試同樣也必須滿足汽車的 V 字開發(fā)流程，具備覆蓋 SIL（軟件在環(huán)）、HIL（硬件在環(huán)）、VIL（車輛在環(huán)）全流程驗(yàn)證的能力。

（1）軟件在環(huán)測試（Software-in-the-Loop，SIL）

軟件在環(huán)測試是在開發(fā)的早期，將被測試的軟件系統(tǒng)結(jié)合到仿真環(huán)境中進(jìn)行測試。在SIL測試中，采用仿真環(huán)境來執(zhí)行軟件，而不是將軟件實(shí)際加載到目標(biāo)硬件中執(zhí)行。在SIL測試中，可以對軟件的算法和邏輯進(jìn)行測試和驗(yàn)證，以檢查其是否符合規(guī)格和設(shè)計(jì)要求。SIL測試可以在早期發(fā)現(xiàn)軟件問題，這樣可以更快地糾正錯誤，降低軟件開發(fā)成本，并加快產(chǎn)品上市時間。

（2）硬件在環(huán)測試（Hardware-in-the-Loop，HIL）

硬件在環(huán)測試是指將真實(shí)的汽車硬件設(shè)備與模擬的系統(tǒng)環(huán)境相結(jié)合，通過模擬各種實(shí)際的駕駛場景和條件，對硬件進(jìn)行測試和驗(yàn)證。在 HIL 測試中，真實(shí)的硬件設(shè)備（如控制器、傳感器、執(zhí)行器等）被連接到模擬的虛擬系統(tǒng)環(huán)境中。整個虛擬的系統(tǒng)環(huán)境向硬件設(shè)備發(fā)送模擬信號，從而模擬出真實(shí)的自動駕駛場景。例如，在對ECU進(jìn)行測試時，ECU會接收到仿真環(huán)境發(fā)出的各種信號和數(shù)據(jù)，車速、轉(zhuǎn)速、油門踏板信號、剎車信號等。通過這些信號和數(shù)據(jù)，ECU可以模擬不同的駕駛場景，例如加速、制動、轉(zhuǎn)彎、變道等。

（3）車輛在環(huán)測試（Vehicle-in-the-Loop，VIL）

車輛在環(huán)測試是指將實(shí)際車輛放置在測試環(huán)境中進(jìn)行測試的方法。在VIL測試中，車輛被連接到仿真系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)提供了場景和其他車輛的虛擬信息，通過控制車輛的行為，進(jìn)行測試和驗(yàn)證。汽車通過實(shí)際的控制系統(tǒng)與仿真環(huán)境進(jìn)行交互，例如汽車的傳感器（如雷達(dá)、攝像頭）可以接收來自仿真環(huán)境的虛擬信息，汽車的控制系統(tǒng)也可以將車輛的實(shí)際狀態(tài)（如速度、轉(zhuǎn)向、制動）反饋給仿真環(huán)境。

05小 結(jié)

在未來的自動駕駛汽車研發(fā)中，自動駕駛仿真測試將繼續(xù)發(fā)揮重要的作用，在保證安全的前提下，大幅降低測試成本，并且覆蓋更廣泛的測試場景。同時，自動駕駛仿真測試也需要不斷發(fā)展和改進(jìn)，加強(qiáng)模擬環(huán)境的復(fù)雜性，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，提升模擬場景與真實(shí)場景的一致性，從而更好地滿足自動駕駛汽車的測試需求，促進(jìn)自動駕駛技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國電動汽車百人會. 中國自動駕駛仿真藍(lán)皮書 [R]. (2020) .

[2]朱冰,張培興,趙健,陳虹,徐志剛,趙祥模,鄧偉文.基于場景的自動駕駛汽車虛擬測試研究進(jìn)展[J].中國公路學(xué)報(bào),2019,32(06):1-19.DOI:10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.06.001.

[3]Huang W L, Wang K, Lv Y, et al. Autonomous vehicles testing methods review[C]//2016 IEEE 19th International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC). IEEE, 2016: 163-168.

[4]Sch?ner H P. Simulation in development and testing of autonomous vehicles[C]//18. Internationales Stuttgarter Symposium: Automobil-und Motorentechnik. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2018: 1083-1095.

[5]Rosique F, Navarro P J, Fernández C, et al. A systematic review of perception system and simulators for autonomous vehicles research[J]. Sensors, 2019, 19(3): 648.

審核編輯黃宇