2.2　汽車自動駕駛仿真測試系統(tǒng)架構(gòu)

汽車自動駕駛的產(chǎn)品開發(fā)周期一般從概念設(shè)計(jì)開始，以算法研發(fā)為主，歷經(jīng)反復(fù)的系統(tǒng)測試，到最后評測機(jī)構(gòu)的安全可靠性驗(yàn)證與評價(jià)等。自動駕駛算法實(shí)現(xiàn)的功能性及穩(wěn)健性，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能、性能，特別是安全可靠性等都需要大量的可重復(fù)、高覆蓋、強(qiáng)隨機(jī)、大邊界的測試用例或場景，以及評測機(jī)構(gòu)以安全可靠性為目標(biāo)的評價(jià)或準(zhǔn)入驗(yàn)證。此外，汽車自動駕駛系統(tǒng)的環(huán)境感知、決策規(guī)劃、控制執(zhí)行等諸多系統(tǒng)，其功能與性能要求也各不相同，都是決定仿真測試系統(tǒng)架構(gòu)的關(guān)鍵因素。

面向汽車自動駕駛的仿真測試技術(shù)一般包括物理建模、環(huán)境模擬與數(shù)值仿真等。環(huán)境模擬包括道路、交通及天氣、光照等模擬，以及相對應(yīng)的各類環(huán)境傳感器建模，是汽車自動駕駛仿真技術(shù)的重要特點(diǎn)，也是與傳統(tǒng)汽車模擬仿真技術(shù)相比較的主要區(qū)別和挑戰(zhàn)所在。汽車自動駕駛仿真測試系統(tǒng)架構(gòu)既體現(xiàn)仿真測試技術(shù)的特點(diǎn)，也反映仿真測試系統(tǒng)的功能組成及其相互關(guān)聯(lián)，如圖2-2所示。

仿真測試需求是仿真測試系統(tǒng)的重要前提，也是決定仿真測試場景選擇、仿真測試方法和工具，以及仿真測試評價(jià)指標(biāo)或標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)。仿真測試場景是仿真測試的重要輸入，其質(zhì)量和適用性是決定仿真測試與評價(jià)效果和質(zhì)量的關(guān)鍵因素。仿真測試規(guī)范、流程、標(biāo)準(zhǔn)等是仿真測試實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和自動化的基礎(chǔ)條件，而仿真測試平臺是開展仿真測試、支撐仿真測試需求定義、支撐仿真測試流程和仿真測試評價(jià)的重要工具。

2.2.1　仿真測試需求

仿真測試需求的定義是決定仿真測試技術(shù)的重要前提。一方面，汽車自動駕駛仿真測試需求首先源于其系統(tǒng)或產(chǎn)品需求，即被測對象的功能與性能要求，包括自動駕駛感知系統(tǒng)的功能與性能、決策規(guī)劃系統(tǒng)的功能與性能、控制執(zhí)行系統(tǒng)的功能與性能等，以及作為系統(tǒng)整體的安全性、可靠性和舒適性等要求；另一方面，被測對象產(chǎn)品化過程中不同階段對測試有著不同的需求，如概念設(shè)計(jì)階段、系統(tǒng)研發(fā)階段、產(chǎn)品驗(yàn)證階段等。

仿真測試需求是構(gòu)建仿真測試場景的重要依據(jù)，也是核查或驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求的關(guān)鍵，有別于道路測試，其互補(bǔ)性和獨(dú)特性也是決定使用何種測試技術(shù)的重要考慮因素。

仿真測試需求也是設(shè)計(jì)并檢驗(yàn)仿真測試場景或場景庫的質(zhì)量及適用性、仿真測試平臺或工具的效率及實(shí)用性、仿真測試評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系的合理性及指導(dǎo)性等的重要依據(jù)。

2.2.2　仿真測試平臺

汽車自動駕駛的測試是其產(chǎn)品“V”模式研發(fā)的重要組成部分，即以需求為驅(qū)動、基于模型的開發(fā)方法，自頂向下分解設(shè)計(jì)、自底向上集成驗(yàn)證；借助模擬仿真技術(shù)，并通過軟硬件等多物理體在環(huán)和人在回路等技術(shù)提升仿真測試的置信度，高效、安全、高質(zhì)量地打通產(chǎn)品開發(fā)從概念構(gòu)思到原型開發(fā)，再到產(chǎn)品定型的整個研發(fā)周期，如圖2-3所示。

模擬仿真是基于模型開發(fā)方法的重要技術(shù)手段。一方面，在產(chǎn)品構(gòu)思、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分解過程中，可以利用軟件模擬仿真平臺大大加快產(chǎn)品前期的開發(fā)與迭代進(jìn)度，不僅迭代效率高，而且成本低；另一方面，隨著子系統(tǒng)或零部件硬件的完成，可以利用硬件在環(huán)仿真進(jìn)一步提高仿真置信度，加快產(chǎn)品驗(yàn)證進(jìn)度，這里的“硬件”可以廣泛地包括汽車電子控制器、制動器或轉(zhuǎn)向器等底盤系統(tǒng)、動力和動力傳動系統(tǒng)等。最后，可以利用駕駛模擬器實(shí)現(xiàn)人在回路的模擬仿真，加速對擬定型產(chǎn)品的主客觀評價(jià)。

模擬仿真技術(shù)建立在對物理世界高精度模擬和對數(shù)學(xué)方程高效數(shù)值仿真的基礎(chǔ)之上。一方面，通過純離線（軟件）仿真、實(shí)時軟硬件在環(huán)（或多物理體在環(huán)）仿真，以及包含駕駛員的人在回路仿真等仿真方法或駕駛模擬器等平臺，借助于圖形化或方框圖建模語言、代碼自動生成、快速原型等工具和理念，形成支持汽車自動駕駛系統(tǒng)開發(fā)的仿真測試工具鏈，以大幅度降低對實(shí)車測試的要求，也為實(shí)車測試與驗(yàn)證奠定關(guān)鍵的基礎(chǔ)，如圖2-4所示。

仿真測試平臺是支撐汽車自動駕駛技術(shù)與產(chǎn)品測試的重要基礎(chǔ)。一方面，在產(chǎn)品研發(fā)的初級階段，對仿真測試的模型精細(xì)度和仿真實(shí)時性要求均可適當(dāng)降低，使得基于仿真軟件平臺的測試有其高效、快速和低成本優(yōu)勢；另一方面，隨著產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)入原型和定型階段，對仿真測試的模型精細(xì)度和仿真實(shí)時性要求也不斷提高，使得基于多物理體在環(huán)、人在回路的實(shí)時仿真平臺的測試具有其精確、逼真，并部分替代實(shí)車測試的效率、成本和安全優(yōu)勢。

產(chǎn)品研發(fā)初始階段一般可以通過純軟件離線仿真（Offline Simulation）的形式進(jìn)行開發(fā)與測試。其仿真平臺一般包括環(huán)境模型（道路、交通、氣象等模型）、車輛模型及車載環(huán)境傳感器模型等，同時還包括運(yùn)行自動駕駛算法的計(jì)算平臺。如圖2-5所示為諸多類似仿真測試平臺之一。仿真測試的快捷性與便利性是非實(shí)時純軟件平臺的特色與優(yōu)勢。

基于模擬仿真技術(shù)的仿真測試還可進(jìn)一步支持實(shí)時軟硬件在環(huán)、車輛在環(huán)（SiL/HiL/ViL）和駕駛員在環(huán)（DiL）等多物理體在環(huán)實(shí)時仿真測試。通過實(shí)時硬件等多物理體在環(huán)仿真，不斷提升模擬仿真系統(tǒng)的置信度，實(shí)現(xiàn)模擬仿真系統(tǒng)與實(shí)車系統(tǒng)的銜接過渡，以提高仿真平臺下汽車自動駕駛技術(shù)與產(chǎn)品的開發(fā)效率和質(zhì)量。

如圖2-6所示為典型的實(shí)時仿真環(huán)境下的汽車自動駕駛測試平臺之一，與其他諸多平臺相似，該平臺包含支撐仿真測試場景的環(huán)境模型、傳感器模型、車輛動力學(xué)模型，以及相對應(yīng)的多物理體在環(huán)仿真與駕駛模擬器系統(tǒng)等。