ANSYS自動(dòng)駕駛仿真驗(yàn)證平臺

1.系統(tǒng)方案

ANSYS高精度自動(dòng)駕駛仿真驗(yàn)證平臺提供了基于物理的三維場景建模、基于語義的道路事件建模、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、多交通對象、多場景、多環(huán)境的實(shí)時(shí)閉環(huán)仿真。其主要功能如下：

1)開放式交通場景編輯模塊，自定義設(shè)定道路和交通場景，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)定道路場景上的交通流，可以自定義設(shè)定道路上來往的車輛，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)仿真測試，該平臺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、各類測試數(shù)據(jù)進(jìn)行無縫的聯(lián)入，從而更好的滿足不同級別、不同目標(biāo)的測試仿真要求。

2.系統(tǒng)構(gòu)成

下面分別介紹本平臺各模塊的構(gòu)成。

2.1.自定義道路環(huán)境

ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺提供了一套自定義道路場景的設(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，如樹木、建筑物、交通標(biāo)識、路燈、電線桿、綠化帶、動(dòng)物，施工路段障礙物和設(shè)施、交通行人等對象模型，可根據(jù)用戶需求對道路場景進(jìn)行快速建模。

除了自定義場景外，ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺還支持導(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.自定義交通場景

ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺還提供了快捷的基于語義的道路交通流設(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)刻各交通對象交通行為的精確數(shù)據(jù)輸出。此外，交通對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)嵌腳本語言定義，同時(shí)也支持如Python，C++等語言的接口控制來定義交通行為。如下圖所示，為通過語義級的腳本語言來定義車輛和行人等交通對象的行為。

2.3.構(gòu)建車輛動(dòng)力學(xué)模型

除了上述的道路場景以及交通流的搭建能力之外，ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺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)，如長寬高、軸間距、重量等；

?性能參數(shù)，如最大時(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)，方便用戶對所定義車輛的特性進(jìn)行快速的測試驗(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)的三維場景建模

在無人車輛的物理仿真中，除了前述關(guān)于道路場景，交通流以及車輛動(dòng)力學(xué)模型的建模能力外，ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺的最大特點(diǎn)和優(yōu)勢在于提供基于物理真實(shí)的三維場景建模和ray-tracing的圖形算法。使得上述的場景的構(gòu)建與物理真實(shí)達(dá)到一個(gè)高匹配度，以此對無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，以減少場景搭建的缺陷所帶來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)的建模平臺搭建中，ANSYS 自動(dòng)駕駛仿真驗(yàn)證平臺會通過對以下物理真實(shí)參數(shù)的定義和基于ray-tracing的圖形算法來保證仿真的準(zhǔn)確性和真實(shí)性：

n環(huán)境光源的定義，包括：

?天空的照度值；

?基于經(jīng)緯度的太陽光的照度和位置定義；

?環(huán)境場景中各種點(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）；

n環(huán)境場景中包括道路，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測量儀硬件設(shè)備，對用戶所需仿真的場景材料庫進(jìn)行探測，并將探測所得材料表面光學(xué)屬性BSDF函數(shù)附在前述場景建模的所屬材質(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)的三維場景建模。同時(shí)ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺還提供豐富的材料庫供客戶場景建模使用。

2.5.基于物理真實(shí)的多傳感器模型融合和系統(tǒng)級仿真

在無人車輛中，除了前述ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺能提供的基于物理真實(shí)的場景建模能力外，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)物理級的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真，即在基于物理真實(shí)的道路場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)境以及交通流對感知系統(tǒng)的影響。同時(shí)，ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺還支持如C++/ANSYSSCADE/SIMULINK等外部接口的控制算法來對傳感器的輸出進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和驗(yàn)證，包括SIL, HIL等多級別仿真驗(yàn)證。

1)基于物理的攝像頭系統(tǒng)級仿真

在基于物理的攝像頭系統(tǒng)級仿真階段，ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺通過定義攝像頭的如下物理參數(shù)得到RAW圖像用以對攝像頭供應(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)級仿真參數(shù)模型參照EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)建模，主要包含：

n鏡頭模型

2鏡頭材料；

2焦距；

2孔徑光闌；

2鏡片透過率函數(shù)；

2畸變等；

n成像儀模型

2分辨率；

2尺寸；

2曝光時(shí)間；

2噪聲系數(shù)；

2量子效率；

2增益等；

n處理器模型

n攝像頭位置

n風(fēng)擋參數(shù)

2入射角；

2折射率；

2厚度；

2透過率函數(shù)等。

基于以上物理參數(shù)的建模以及對場景環(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)駕駛仿真平臺的攝像頭實(shí)時(shí)輸出提供給感知算法的車道線識別。

2)基于物理的激光雷達(dá)系統(tǒng)級仿真

類似于攝像頭的系統(tǒng)級仿真，激光雷達(dá)的系統(tǒng)級仿真通過準(zhǔn)確定義的激光雷達(dá)參數(shù)，通過發(fā)射和接收生成的點(diǎn)云圖對用戶構(gòu)建的場景和交通流進(jìn)行感知探測并驗(yàn)證相關(guān)感知算法。支持多種激光雷達(dá)模式（掃描式，旋轉(zhuǎn)式）。

激光雷達(dá)的建模參數(shù)包括：

n掃描式

2最大和最小探測距離；

2橫向視場角；

2縱向視場角；

2分辨率等；

n旋轉(zhuǎn)式

2最大和最小探測距離；

2旋轉(zhuǎn)速率；

2最大線數(shù)等；

如下圖所示為ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺的激光雷達(dá)實(shí)時(shí)探測深度圖與攝像頭輸出RAW圖像相匹配。

3)基于物理的毫米波雷達(dá)系統(tǒng)級仿真

毫米波雷達(dá)的系統(tǒng)級別仿真通過ANSYS*的ROM降階技術(shù)，以HFSS軟件為模擬工具，可以通過內(nèi)嵌接口工具與ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺結(jié)合實(shí)現(xiàn)毫米波雷達(dá)與攝像頭和激光雷達(dá)的同步實(shí)時(shí)仿真，得到雷達(dá)回波的成像結(jié)果并進(jìn)行分析。

2.6.實(shí)時(shí)閉環(huán)仿真系統(tǒng)

如前述通過對環(huán)境、場景、交通流的建模構(gòu)造出無人車輛的運(yùn)行場景和軌跡，同時(shí)耦合如攝像頭、激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)的感知系統(tǒng)的仿真，通過開放的API接口，可以方便的進(jìn)行外部自動(dòng)駕駛算法的集成。從而形成實(shí)時(shí)閉環(huán)的駕駛系統(tǒng)仿真。

2.7.基于物理的智能頭燈照明仿真系統(tǒng)

隨著智能駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的逐漸普及和行業(yè)發(fā)展，車輛智能化頭燈照明系統(tǒng)也逐漸成為當(dāng)前行業(yè)的發(fā)展趨勢和應(yīng)用熱點(diǎn)。ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺Headlamp模塊通過ANSYS*的物理級仿真引擎，為客戶提供真實(shí)的車輛頭燈路面光型分布測試和動(dòng)態(tài)駕駛與智能頭燈仿真測試。

除了前述在三維環(huán)境建模中通過ANSYS OMS設(shè)備進(jìn)行材料表面光學(xué)屬性的采集與賦值外，為了保證接近真實(shí)的物理仿真光型，Headlamp模塊同樣對光源進(jìn)行仿真模擬，包括車燈光源，自然光光源，路燈光源等。定義方式包含如：

?光源光強(qiáng)分布IES文件；

?光源光譜spectrum文件；

?光源強(qiáng)度等；

如下圖所示分別為不同光源的光譜分布和車燈光源的IES定義文件。

基于環(huán)境和光源的物理仿真，可以實(shí)現(xiàn)車輛前照燈遠(yuǎn)光，近光，側(cè)燈的切換以及光強(qiáng)的實(shí)時(shí)切換控制，同時(shí)豐富的光度學(xué)分析工具，包含色度學(xué)，光度學(xué)，等照度線，等照度區(qū)域等信息便于分析光分布情況。支持的25米目標(biāo)墻光分布信息用于分析驗(yàn)證頭燈光分布是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

除了靜態(tài)光型分布驗(yàn)證，ANSYS Headlamp開放的如C++，SCADE，Simulink的光型數(shù)據(jù)接口支持客戶自定義化的智能頭燈開發(fā)與驗(yàn)證，同時(shí)豐富的動(dòng)態(tài)駕駛模擬和場景仿真也可以幫助客戶實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)駕駛頭燈驗(yàn)證，如AFS，ADB，矩陣頭燈，像素頭燈等智慧頭燈的仿真與測試驗(yàn)證，基于IIHS動(dòng)態(tài)頭燈測試標(biāo)準(zhǔn)的夜間測試驗(yàn)證。

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