自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試實(shí)踐：高精地圖仿真

作者 | 小林
小編 | 不吃豬頭肉 引言
隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，基于高精地圖的自動(dòng)駕駛功能已初步落地應(yīng)用，并持續(xù)迭代升級(jí)。在研發(fā)測(cè)試階段，多方面因素導(dǎo)致測(cè)試人員可能無法拿到控制器內(nèi)部高精地圖對(duì)應(yīng)的OpenDRIVE文件①，使得仿真場(chǎng)景與控制器內(nèi)部高精地圖無法完全匹配，自動(dòng)駕駛功能受限，得不到有效的測(cè)試驗(yàn)證；而實(shí)車道路測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)和成本高、周期長(zhǎng)、覆蓋度低等問題，很難保證自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的可靠性和安全性。
針對(duì)這一核心技術(shù)痛點(diǎn)，本文提出了基于外部數(shù)據(jù)注入的高精地圖仿真方案，提高自動(dòng)駕駛功能研發(fā)階段的測(cè)試有效性，可以大幅降低實(shí)車道路測(cè)試的風(fēng)險(xiǎn)和成本，加速自動(dòng)駕駛功能的研發(fā)和部署，確保自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的可靠性和安全性。

什么是高精地圖？
高精地圖，很容易被誤解為相對(duì)于普通的導(dǎo)航電子地圖精度更高的一種地圖，實(shí)則兩者有著完全不同的含義。

導(dǎo)航地圖（SD MAP），是一種面向駕駛員使用的電子地圖，它存儲(chǔ)的主要是道路級(jí)別元素信息，如道路形狀等，精度為5m-10m左右。
高精地圖（HD MAP），是一種專為自動(dòng)駕駛汽車設(shè)計(jì)的地圖，它擁有精確（厘米級(jí)精度）的車輛位置信息和豐富的道路元素?cái)?shù)據(jù)信息，如交通標(biāo)志、地面標(biāo)志、車道線、信號(hào)燈以及道路坡度、曲率等，可以幫助汽車預(yù)知路面復(fù)雜信息，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛功能的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要體現(xiàn)在一下幾個(gè)方面：

1)精確定位：高精度地圖提供了精確的道路信息和地標(biāo)數(shù)據(jù)，幫助車輛實(shí)現(xiàn)精確定位，包括車輛當(dāng)前位置等信息。

2)環(huán)境感知：基于高精度地圖數(shù)據(jù)，車輛能夠更準(zhǔn)確地感知周圍環(huán)境，包括道路標(biāo)志、交通信號(hào)、障礙物等，從而提高交通場(chǎng)景的感知能力。

3)路徑規(guī)劃：高精度地圖為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)提供了詳細(xì)的道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，幫助系統(tǒng)規(guī)劃最優(yōu)路徑，避開擁堵區(qū)域，優(yōu)化行駛路線。

4)決策制定：基于高精度地圖和環(huán)境感知數(shù)據(jù)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)可以進(jìn)行智能決策，比如避讓障礙物、調(diào)整車速、安全變道等，以確保行駛安全。

高精地圖仿真方案
在搭建虛擬仿真環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)駕駛功能測(cè)試驗(yàn)證過程中，需要確保仿真場(chǎng)景地圖和自動(dòng)駕駛控制器內(nèi)部高精地圖完全重合（車道級(jí)精度：誤差小于1cm），提高車輛的定位精確性、傳感器模型輸出的道路元素信息與高精地圖匹配性，才能保證自動(dòng)駕駛控制器融合定位及環(huán)境感知結(jié)果準(zhǔn)確，為路徑規(guī)劃和決策制定提供精確的輸入信息，提高自動(dòng)駕駛功能研發(fā)階段的測(cè)試有效性。
不同的測(cè)試背景及需求對(duì)應(yīng)不同的仿真方案：
方案一：如測(cè)試人員拿到控制器內(nèi)部高精地圖對(duì)應(yīng)的OpenDRIVE文件時(shí)，可以采用基于OpenDRIVE文件的定位仿真，簡(jiǎn)單有效。方案二：針對(duì)無法拿到對(duì)應(yīng)OpenDRIVE文件的情況（方案一失效），北匯信息創(chuàng)新地提出基于外部數(shù)據(jù)注入的高精地圖仿真解決方案。
方案一基于OpenDRIVE文件的定位仿真方案
當(dāng)測(cè)試人員能夠拿到控制器內(nèi)部高精地圖對(duì)應(yīng)的OpenDRIVE文件時(shí)，直接將OpenDRIVE文件導(dǎo)入到場(chǎng)景仿真軟件中，自動(dòng)生成高精地圖中交通標(biāo)志、地面標(biāo)志、車道線、信號(hào)燈以及道路坡度、曲率等信息；仿真流程如下圖所示：

1)VTD（場(chǎng)景仿真軟件）可輸出精確的車輛位置信息（UTM坐標(biāo)系），并通過Ethernet送至CANoe(測(cè)試管理軟件)。

2)CANoe（測(cè)試管理軟件）解析車輛原始坐標(biāo)進(jìn)行加偏處理(坐標(biāo)轉(zhuǎn)換)，即UTM坐標(biāo)系->WGS84坐標(biāo)系->GCJ02坐標(biāo)系，并通過Ethernet/CANFD發(fā)送至控制器。

圖2 基于OpenDRIVE文件的定位仿真原理圖 方案二基于外部數(shù)據(jù)注入的高精地圖仿真方案
當(dāng)測(cè)試人員拿不到控制器內(nèi)部高精地圖對(duì)應(yīng)的OpenDRIVE文件時(shí)，無法保證仿真場(chǎng)景地圖與控制器內(nèi)部高精地圖完全匹配，自動(dòng)駕駛功能受限。因此，針對(duì)自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試，提出基于外部數(shù)據(jù)注入的高精地圖仿真方案，使得控制器內(nèi)部地圖數(shù)據(jù)與仿真場(chǎng)景中的道路元素信息一致，如下圖所示：圖3 基于外部數(shù)據(jù)注入的高精地圖仿真原理圖

1)屏蔽控制器內(nèi)部地圖模塊組件，截?cái)嗫刂破鲀?nèi)部地圖模塊與融合規(guī)控模塊組件之間的數(shù)據(jù)傳輸，使用外部自制地圖模塊替代。

2)分析地圖模塊輸出接口協(xié)議（通信協(xié)議、數(shù)據(jù)封裝協(xié)議），基于Linux環(huán)境開發(fā)中間件（與控制器內(nèi)部中間件保持一致、如DDS）及應(yīng)用程序MapComponent（地圖組件），建立與控制器內(nèi)部組件之間的通信。

3)基于場(chǎng)景仿真軟件VTD開發(fā)MapPlugin（高精地圖插件），解析提取OpenDRIVE中的道路元素信息并寫入共享內(nèi)存。

4)MapComponent讀取MapPlugin寫入到共享內(nèi)存中的道路元素信息，并根據(jù)接口協(xié)議封裝數(shù)據(jù)，通過中間件（如DDS）發(fā)送至控制器內(nèi)部。

地圖解析插件MapPlugin開發(fā)原理
圖4 地圖解析插件MapPlugin代碼框架
如上圖所示：

1)MapPlugin插件主要通過數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊提取Ego車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、位置等信息。

2)在此基礎(chǔ)上，開發(fā)地圖解析模塊提取Ego車周圍車道信息、車道線信息、道路邊界信息、交通燈信息。

3)將 MapPlugin 代碼編譯成Plugin（.so文件），在VTD中加載運(yùn)行。

OpenDrive中的道路元素信息有很多，需要提取哪些數(shù)據(jù)取決于控制器內(nèi)部高精地圖組件輸出接口協(xié)議，一般包含兩類數(shù)據(jù)：靜態(tài)地圖數(shù)據(jù)（如車道線、車道信息等）、動(dòng)態(tài)地圖數(shù)據(jù)（如Ego車到匝道口、收費(fèi)站的距離等）。
地圖組件MapComponent開發(fā)原理
圖5 MapComponent框架原理
如上圖所示：MapComponent包括共享內(nèi)存數(shù)據(jù)讀取（SHMRead）和中間件數(shù)據(jù)封裝發(fā)送（MapAgent、如DDS）兩塊內(nèi)容。

1)SHMRead：讀取MapPlugin寫入到共享內(nèi)容中的道路元素信息，二次處理后對(duì)Proto中的接口信號(hào)賦值

2)MapAgent：封裝proto接口數(shù)據(jù)、序列化處理后發(fā)布（MapAgent的開發(fā)需適配控制器內(nèi)部環(huán)境框架）。

3)Map.yaml：應(yīng)用程序配置，包括通信端口、任務(wù)使能、接口數(shù)據(jù)管理等

高精地圖仿真案例
下面展示的是一個(gè)基于外部數(shù)據(jù)注入實(shí)現(xiàn)高精地圖仿真，結(jié)合其它傳感器仿真（如Lidar、Camera、Radar、USS），完成高速領(lǐng)航功能（自動(dòng)下高速、上匝道）的仿真測(cè)試案例。
圖6 左-VTD仿真場(chǎng)景、右-注入到控制器內(nèi)部的高精地圖
如上圖所示：左圖為VTD仿真場(chǎng)景（OpenDRIVE格式地圖），右圖是MapPlugin解析提取VTD仿真場(chǎng)景道路元素信息，通過MapComponent注入到控制器內(nèi)部后生成的高精地圖；右圖中綠色實(shí)線為道路邊界，藍(lán)色實(shí)線為車道線，黑色實(shí)線為推薦導(dǎo)航路徑，粉紅色實(shí)線為非推薦路線。
Ego車在高速路上行駛，導(dǎo)航終點(diǎn)設(shè)置在高速路出口，領(lǐng)航功能激活后，車輛會(huì)自動(dòng)超車、繞障、變道、駛?cè)朐训?，到達(dá)目的地附近后請(qǐng)求駕駛員接管，完成領(lǐng)航任務(wù)。


總結(jié)
高精地圖作為自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵技術(shù)之一，在產(chǎn)品研發(fā)階段，測(cè)試人員無法拿到控制器內(nèi)部高精地圖對(duì)應(yīng)的OpenDRIVE文件在一定程度上阻礙了自動(dòng)駕駛功能的測(cè)試驗(yàn)證，北匯信息提出的基于外部數(shù)據(jù)注入的高精地圖仿真方案能夠有效解決這一技術(shù)痛點(diǎn)，加速自動(dòng)駕駛功能的研發(fā)測(cè)試。
高精地圖技術(shù)加速了自動(dòng)駕駛功能的落地應(yīng)用，與此同時(shí)，高精地圖的實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、范圍覆蓋度、隱私和安全性在一定程度上也限制了自動(dòng)駕駛的推廣，以特斯拉為代表的純視覺無圖自動(dòng)駕駛方案已展現(xiàn)出一定的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著新技術(shù)的發(fā)展與突破，自動(dòng)駕駛方案也在不斷迭代更新，自動(dòng)駕駛功能離我們?cè)絹碓浇?/span>
北匯信息作為Vector的技術(shù)合作伙伴，覆蓋自動(dòng)駕駛MiL/SiL/HiL/ViL測(cè)試、車聯(lián)網(wǎng)測(cè)試，傳感感知測(cè)試等，針對(duì)性地為客戶提供優(yōu)質(zhì)的自動(dòng)駕駛測(cè)試解決方案、系統(tǒng)集成測(cè)試和測(cè)試服務(wù)，助力自動(dòng)駕駛產(chǎn)品的研發(fā)測(cè)試和快速迭代。注：①OpenDRIVE是一種用于描述道路網(wǎng)絡(luò)和交通環(huán)境的開放標(biāo)準(zhǔn)文件格式。它提供了一種統(tǒng)一的描述道路幾何結(jié)構(gòu)、車道信息、交通標(biāo)志、交通燈等元素的方式，可用于創(chuàng)建高精度地圖，供自動(dòng)駕駛系統(tǒng)使用。