DYNA4集成SUMO在CANoe中實(shí)現(xiàn)V2X三維場景

DYNA4為車輛閉環(huán)系統(tǒng)測試提供功能豐富、可擴(kuò)展的開發(fā)環(huán)境。通過集成交通流仿真軟件SUMO，DYNA4不僅能模擬車輛確定的駕駛狀態(tài)，也可以模擬隨機(jī)交通流。DYNA4還能為CANoe.Car2x提供數(shù)據(jù)接口用于填充V2X報(bào)文，通過驅(qū)動(dòng)V2X通信網(wǎng)絡(luò)模擬器即能搭建起V2X的仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)更接近真實(shí)交通環(huán)境的三維場景。

V2X是智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的重要技術(shù)

V2X車路協(xié)同技術(shù)提高交通安全與效率

V2X（Vehicle-to-Everything）是指車輛與所有周圍的或交互的道路使用者和基礎(chǔ)設(shè)施的通信以及交換信息。通過V2X車聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的交通系統(tǒng)，不僅能夠提高行駛效率、能源利用效率、駕駛安全與舒適性，也能給當(dāng)前由雷達(dá)、激光雷達(dá)和攝像頭構(gòu)成的自動(dòng)駕駛感知系統(tǒng)提供額外的交通數(shù)據(jù)，以幫助解決在高速、交通復(fù)雜的自動(dòng)駕駛路況中遇到的挑戰(zhàn)。依據(jù)不同的通信對(duì)象，V2X可以分為如下的幾種應(yīng)用類型：

V2V：Vehicle-to-Vehicle

V2I：Vehicle-to-Infrastructure

V2N：Vehicle-to-Network

V2P：Vehicle-to-Pedestrian

V2H：Vehicle-to-Home

最初的V2X使用IEEE 802.11p無線傳輸技術(shù)，近期出現(xiàn)的C-V2X（Cellular V2X）基于LTE/4G或5G移動(dòng)通信（PC5 Link），在V2N的情景中車輛通過LTE/4G或5G移動(dòng)通信與后端/云端通信。不同的國家或地區(qū)可能使用不同的通信技術(shù)，即從物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，到傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層，再到應(yīng)用層都應(yīng)用或制定不同的通信規(guī)范。目前國內(nèi)無線通信使用3GPP C-V2X PC5技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)傳輸基于DSMP和GB/T 31024.3規(guī)范，具體的應(yīng)用場景由CSAE 53和CSAE 157規(guī)范說明。

CANoe.Car2x支持基于V2X的通信應(yīng)用的仿真、開發(fā)和測試

CANoe.Car2x支持無線標(biāo)準(zhǔn)WLAN IEEE 802.11p和3GPP C-V2X PC5，支持中國和歐美地區(qū)的協(xié)議和應(yīng)用消息，還支持所有地區(qū)（中國、歐盟和美國）的安全機(jī)制，包括創(chuàng)建、導(dǎo)入和管理PKI及其證書和私鑰。

CANoe.Car2x提供數(shù)據(jù)庫工具來管理基于ASN.1的應(yīng)用消息，用戶也可以在此基礎(chǔ)上補(bǔ)充其他的應(yīng)用消息。Map Window和Protocol Analyzer窗口能夠高效分析通信報(bào)文內(nèi)容。使用相關(guān)的CAPL函數(shù)能對(duì)所有數(shù)據(jù)元素單獨(dú)配置，保證了仿真工程的靈活性。使用Scenario Editor可以簡單高效地編輯基于虛擬道路的測試環(huán)境。通過DYNA4可以拓展測試環(huán)境，使仿真場景更接近真實(shí)環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行。

圖1:CANoe.Car2x提供的分析工具

SUMO是開源的交通系統(tǒng)仿真軟件

SUMO實(shí)現(xiàn)微觀和連續(xù)的交通流模擬

SUMO（Simulation of Urban Mobility）是一個(gè)開源的、可移植的用于模擬交通流的軟件包。SUMO模擬的微觀交通流在時(shí)間上是離散的，在空間上是連續(xù)的，并且能夠處理大型的交通網(wǎng)絡(luò)和不同的交通對(duì)象。SUMO主要由德國航空航天中心運(yùn)輸系統(tǒng)研究所的員工開發(fā)。

在SUMO中可以使用XML文件描述交通網(wǎng)絡(luò)或車輛運(yùn)動(dòng)，也可以通過GUI軟件編輯，即netedit.exe和sumo-gui.exe。在SUMO里可以描述每一個(gè)車輛移動(dòng)的起始位置和結(jié)束位置，通過SUMO內(nèi)部的Car-Following Models和Lane-Changing Model來計(jì)算車輛在道路網(wǎng)絡(luò)中的車速。SUMO中還可以直接描述一個(gè)交通群體的運(yùn)動(dòng)，交通群體支持以不同的方式定義，通過內(nèi)部的路由算法計(jì)算每個(gè)車輛在交通網(wǎng)絡(luò)中的路線。通過Traffic Control Interface（TraCl）允許訪問正在運(yùn)行的道路交通仿真數(shù)據(jù)，也可“在線”修改某個(gè)交通對(duì)象的行為，通過TraCI接口也可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真。SUMO提供豐富的工具，如導(dǎo)入不同類型的地圖文件，大大提高了開發(fā)效率和適用性。

SUMO可為V2X提供交通流模擬

SUMO提供了V2X仿真測試所需要的地圖功能和交通行為模擬功能，如果能與通信網(wǎng)絡(luò)模擬器結(jié)合，就能構(gòu)建一個(gè)V2X仿真環(huán)境。

圖2:SUMO GUI交通流模擬工程示例

DYNA4集成SUMO實(shí)現(xiàn)V2X場景仿真

DYNA4支持車輛閉環(huán)系統(tǒng)測試中的功能開發(fā)

DYNA4為汽車虛擬駕駛測試提供一個(gè)開放的仿真環(huán)境。DYNA4中的虛擬車輛具有高保真的車輛動(dòng)力學(xué)模型、動(dòng)力總成模型、內(nèi)燃機(jī)模型和電動(dòng)機(jī)模型，可以實(shí)現(xiàn)車輛控制功能與策略的無縫集成。DYNA4內(nèi)的駕駛場景仿真是3D可視化的，并提供攝像頭、激光雷達(dá)、雷達(dá)或超聲波傳感器的感知級(jí)別的傳感器信號(hào)模型，支持OpenDRIVE道路網(wǎng)絡(luò)和OpenSCENARIO場景描述，提供可擴(kuò)展的交通對(duì)象庫，包括標(biāo)志、車輛、騎自行車的人、行人、動(dòng)物等，支持交通流仿真。

DYNA4具有高包容性的外部接口，除了與Simulink模型、C代碼和CANoe的無縫集成外，還支持FMU和ROS等標(biāo)準(zhǔn)接口，并且可以將導(dǎo)出的DYNA4 Run仿真包集成到其他工具環(huán)境（Windows或Linux）中，使其無需MATLAB/Simulink即可執(zhí)行。DYNA4支持參數(shù)可變的自動(dòng)化測試，支持從MIL、SIL到HIL的開發(fā)測試流程，并能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模仿真的CI/CT持續(xù)集成測試。

DYNA4支持V2X場景編輯

在DYNA4中可以定義比CANoe的Scenario Editor更加真實(shí)的3D場景仿真。DYNA4中的交通道路有清晰的車道線劃分，模擬車輛有更真實(shí)的加速、減速、變道等駕駛行為，這對(duì)交通環(huán)境描述較為復(fù)雜的第二階段的CSAE157規(guī)范中的場景更有意義，如動(dòng)態(tài)車道管理（DLM）和協(xié)作式車輛編隊(duì)管理（CPM）。DYNA4中支持編輯或?qū)隣penDRIVE地圖文件，并能設(shè)置場景里的交通信號(hào)燈狀態(tài)。場景中的HV（Host Vehicle）即是DYNA4中的VuT（Vehicle und Test），可以在Vehicle Control模型中編輯；而其他不同的交通參與者可以在Traffic Objects模塊中編輯，如緊急制動(dòng)預(yù)警（EBW）場景中的RV（Remote Vehicle），弱勢交通參與者碰撞預(yù)警（VRUCW）中的行人，車內(nèi)標(biāo)牌（IVS）場景中的交通標(biāo)牌。

DYNA4集成SUMO交通流仿真

在安裝DYNA4時(shí)，選中“Experimental features”下的“SUMO support”選項(xiàng)，即可自動(dòng)安裝SUMO軟件包、Sumo Connect模塊和相關(guān)Demo工程。Sumo Connect模塊負(fù)責(zé)將DYNA4與SUMO集成，并可配置是否通過SUMO GUI運(yùn)行仿真。集成的SUMO功能可用于為DYNA4創(chuàng)建復(fù)雜的交通場景，特別是在創(chuàng)建交通密集型場景時(shí)，如果不需要對(duì)交通對(duì)象進(jìn)行精確的行為描述，建議使用SUMO進(jìn)行仿真，而明確描述交通對(duì)象的行為則應(yīng)使用DYNA4。在V2X應(yīng)用中，SUMO可用于生成真實(shí)或?qū)ｉT設(shè)計(jì)的道路文件，并將道路上的交通組定義為背景車輛，從而生成更接近真實(shí)環(huán)境的V2X仿真場景。

DYNA4導(dǎo)出到CANoe中集成V2X通信網(wǎng)絡(luò)模擬器

DYNA4里的工程可以導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的CANoe工程，DYNA4工程可以作為不依賴于開發(fā)環(huán)境的、獨(dú)立的代碼包嵌入CANoe中運(yùn)行，此外也可使用DYNA4與CANoe聯(lián)合調(diào)試運(yùn)行模式。仿真工程中的交通對(duì)象的狀態(tài)可以方便地導(dǎo)入CANoe當(dāng)中，如位置、速度、加速度等數(shù)據(jù)，使用CANoe.Car2x搭建的通信網(wǎng)絡(luò)仿真工程可以通過系統(tǒng)變量方便地使用這些數(shù)據(jù)，結(jié)合V2X通信網(wǎng)絡(luò)模擬器即可搭建出整個(gè)V2X HIL仿真環(huán)境。

圖3:基于DYNA4、SUMO和CANoe的V2X仿真工程環(huán)境

使用DYNA4、SUMO和CANoe搭建V2X仿真工程的方法

1.配置SUMO的環(huán)境變量

在安裝DYNA4時(shí)，選中相應(yīng)選項(xiàng)即可自動(dòng)安裝SUMO，但需要注意安裝路徑中不能有空格。此外，用戶還需要在操作系統(tǒng)中添加與SUMO相關(guān)的環(huán)境變量，即把SUMO_HOME設(shè)置為DYNA4安裝目錄下的.3rdPartySUMOsumo_bin路徑，將SUMO_BIN_DIR設(shè)置為DYNA4安裝目錄下的.3rdPartySUMOsumo_binin路徑。

2.在SUMO里繪制地圖

在SUMO里手動(dòng)繪制地圖文件有兩種方式，一種是直接編寫地圖的XML腳本文件，另一種是通過GUI界面繪圖編輯。直接創(chuàng)建地圖文件需要先依次編寫node file、edge file、edge type file，再通過在命令行環(huán)境里調(diào)用netconvert工具生成network file。

圖4:SUMO里的.net.xml地圖文件和GUI編輯界面

SUMO也支持多種地圖文件格式轉(zhuǎn)換，如可以導(dǎo)入OpenStreetMap格式的地圖文件。通過運(yùn)行SUMO軟件包里tools目錄下的Python腳本osmWebWizard.py可以打開網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，然后在網(wǎng)頁地圖上選擇一個(gè)地理區(qū)域，再配置好交通需求后，點(diǎn)擊“Generate”按鈕即可根據(jù)所選區(qū)域?qū)?yīng)的OSM數(shù)據(jù)生成地圖網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)需求和配置文件，并啟動(dòng)sumo-gui。自動(dòng)生成的地圖文件所包含的交通環(huán)境信息往往多于模擬所需的信息，因此可以通過圖形用戶界面或直接編輯XML文件對(duì)其進(jìn)行修改。

圖5:在netedit和sumo-gui窗口顯示osmWebWizard生成的SUMO文件

3.將地圖導(dǎo)出為OpenDRIVE格式

前面提到的netconvert工具也可用于轉(zhuǎn)換不同的地圖文件格式，方法是通過命令行調(diào)用該工具，將SUMO網(wǎng)絡(luò).net.xml文件作為輸入，將OpenDRIVE格式.xodr文件作為輸出。

圖6:導(dǎo)出OpenDRIVE格式地圖文件的命令

4.編寫route file和sumo configuration file

由于SUMO主要用于描述背景車輛的交通行為，因此可以描述一段路徑上的整體車輛運(yùn)動(dòng)情況，可以使用flow來描述該段路徑上的重復(fù)車輛運(yùn)動(dòng)情況，而不是單獨(dú)描述每輛車的運(yùn)動(dòng)情況。DYNA4中的Demo工程里提供一個(gè).rou.xml文件，描述DYNA4 數(shù)據(jù)庫中所有的Traffic Objects，并將其歸類為幾種不同的type distributions，因此可以將目標(biāo)路段上的flow設(shè)置為這些type distributions中的一種。

圖7:route_file.route.xml文件

再將準(zhǔn)備好的network file和route file添加到sumo configuration file里，并加入與仿真控制相關(guān)的參數(shù)設(shè)置。

圖8:sumo_configuration_file.sumocfg文件

在sumo-gui中運(yùn)行該.sumocfg文件，可以看到隨機(jī)生成的車流在道路上行駛。

圖9:sumo-gui運(yùn)行工程結(jié)果

5.在DYNA4中導(dǎo)入OpenDRIVE地圖文件

在DYNA4的環(huán)境模型里設(shè)置“Road type”為“OpenDRIVE road”，在“OpenDRIVE”模塊里導(dǎo)入.xodr格式的地圖文件，并設(shè)置好“Route waypoints”作為VuT和Traffic Objects運(yùn)行的路線。

圖10:DYNA4中查看和編輯OpenDRIVE格式地圖

6.在DYNA4中配置Sumo Traffic和VuT

根據(jù)V2X場景中對(duì)HV的描述，在DYNA4中的車輛控制模型里設(shè)置VuT的運(yùn)動(dòng)情況。在DYNA4中配置Sumo Traffic模型類似其他常規(guī)Traffic組件，一方面是在“Traffic Objects”模塊里設(shè)置V2X場景中的RV、行人或交通標(biāo)志等。

圖11:“Traffic Objects”模塊設(shè)置

另一方面，在“SUMO Connect”模塊中設(shè)置SUMO連接方式，并導(dǎo)入SUMO配置文件。DYNA4最多支持40個(gè)Traffic Objects，包括前面介紹的在“Traffic Objects”模塊中設(shè)置的對(duì)象以及“SUMO Connect”模塊中設(shè)置的受SUMO控制的交通對(duì)象，后者即是V2X場景中的模擬背景車輛。

圖12:“Sumo Connect”模塊設(shè)置

7.將DYNA4導(dǎo)出為CANoe工程

對(duì)于需要在CANoe中使用的信號(hào)，可以在Simulink模型中添加“System Variable Output”模塊，如將VuT和Traffic Objects的位置、速度等信息輸出到CANoe中的系統(tǒng)變量。通過相關(guān)設(shè)置，DYNA4工程能夠自動(dòng)導(dǎo)出為對(duì)應(yīng)的CANoe工程，就可以使用CANoe.Car2x Option來實(shí)現(xiàn)V2X通信。

圖13:在Simulink中將運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)導(dǎo)出為系統(tǒng)變量

8.在CANoe里配置V2X工程

最后，在CANoe工程里添加Car2x網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)入并編輯Car2x數(shù)據(jù)庫，將從DYNA4中導(dǎo)出的系統(tǒng)變量賦值給Car2x報(bào)文里對(duì)應(yīng)的Token，也可以在CANoe的“Map Window”窗口中實(shí)時(shí)顯示車輛位置。結(jié)合V2X通信網(wǎng)絡(luò)模擬器，V2X仿真環(huán)境就搭建完成。

圖14:在CANoe中運(yùn)行仿真

綜上，DYNA4通過集成SUMO與CANoe.Car2x，能夠?qū)崿F(xiàn)更接近真實(shí)的V2X場景仿真環(huán)境。點(diǎn)擊閱讀原文了解更多DYNA4可實(shí)現(xiàn)的其他應(yīng)用以及DYNA4 R8的新特性。

審核編輯：湯梓紅