2.3　汽車自動駕駛仿真測試的關(guān)鍵技術(shù)

汽車自動駕駛仿真測試是一項相對較新，涉及自動駕駛、模擬仿真和測試評價等諸多領(lǐng)域的技術(shù)，具有典型的多學(xué)科和跨領(lǐng)域特征，而仿真場景的構(gòu)建、環(huán)境傳感器建模及仿真測試評價等都是其關(guān)鍵技術(shù)。

汽車自動駕駛模擬仿真技術(shù)是精確物理建模、高效數(shù)值仿真、高逼真圖像渲染等方法的集成，需要逼真地構(gòu)建包括車輛、道路、天氣和光照、交通等在內(nèi)的人車環(huán)境模型，以及各類車載傳感器模型。針對汽車行駛環(huán)境無限豐富的特征，以及對車載環(huán)境傳感器的復(fù)雜影響，綜合運用幾何、物理、圖像及概率等多種映射方式構(gòu)建具有不同屬性、滿足不同應(yīng)用需求的高逼真度數(shù)字化場景及場景庫，如圖2-7所示。

針對汽車自動駕駛技術(shù)與產(chǎn)品的測試特點，一方面，道路交通事故往往發(fā)生在一些邊緣或極端行駛工況，屬小概率事件。而對小概率事件的測試往往需要巨大的數(shù)據(jù)樣本或很長的測試周期，更何況事故本身的危險性和難以復(fù)制性，使得道路測試既不安全，也不現(xiàn)實。另一方面，借助模擬仿真方法與工具，可自動構(gòu)建并生成各種內(nèi)容豐富、逼真、數(shù)量巨大的虛擬場景，自動創(chuàng)建各種典型駕駛工況、極限或邊緣行駛環(huán)境，創(chuàng)建滿足DO-178C、ASIL和ISO 26262、SOTIF等在內(nèi)的各種測試標準、規(guī)范及測試需求的測試用例，實現(xiàn)汽車自動駕駛?cè)旌颉⑷r的自動化測試、驗證和評價，體現(xiàn)了比實際道路或場地測試更為明顯的安全和效率優(yōu)勢。

汽車自動駕駛仿真測試涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下內(nèi)容。

2.3.1　汽車行駛環(huán)境模擬技術(shù)

汽車行駛環(huán)境十分復(fù)雜，包括道路、交通、天氣和光照等復(fù)雜成分，廣泛地涉及物理世界中聲、光、電、熱等物理現(xiàn)象，以及包括溫度、濕度、氣壓、雨雪霧等在內(nèi)的大氣現(xiàn)象。行駛環(huán)境不僅是影響汽車行駛安全和性能的關(guān)鍵因素，也是影響車載環(huán)境傳感器對環(huán)境檢測和感知的關(guān)鍵因素。環(huán)境模擬不僅涉及范圍廣，而且對車載環(huán)境傳感感知的影響機理也極其復(fù)雜，具有高度的隨機特征和不確定性等。

汽車行駛環(huán)境無限豐富，極其復(fù)雜，不可窮舉，測試場景則是對行駛環(huán)境的有限映射。測試場景從屬性上可分為自然駕駛場景、標準規(guī)范場景、危險極限場景等不同類別；從組成上一般又包括道路及道路結(jié)構(gòu)（路型、路面、路網(wǎng)等）、交通參與物（車輛、行人、自行車等）、行駛場合（高速公路、城市、鄉(xiāng)村等）。

危險極限場景有別于自然駕駛的正常性和典型性，是影響駕駛安全的重要因素，也是仿真測試的重要測試手段，體現(xiàn)了仿真場景在加速測試或壓力測試方面的獨特優(yōu)勢。危險極限場景一般包括惡劣天氣環(huán)境、復(fù)雜道路狀況、無序交通條件、典型交通事故等，通常由不良天氣光照條件、復(fù)雜地理地形、交通混亂擁堵、路面缺陷、障礙物、駕駛員的不當操作等引起。

汽車虛擬行駛環(huán)境或仿真場景，一般可通過對真實行駛環(huán)境的數(shù)字化離散采樣，疊加包括隨機移動、翻轉(zhuǎn)、扭曲、遮擋等人為隨機干預(yù)，結(jié)合3D可視化處理等方法構(gòu)建。另外，仿真場景也可基于計算機圖形學(xué)方法，從不同維度的映射構(gòu)建而成，即根據(jù)環(huán)境傳感器的感知特性從幾何特征、物理特征、圖像特征和概率特征等不同維度抽象構(gòu)建場景，完成對行駛環(huán)境的抽象過程，包括道路模型或地圖導(dǎo)入、場景渲染、交通建模、天氣與光照建模等。場景構(gòu)建不僅是構(gòu)建類似真實道路影響被測車輛運動的道路、交通和氣象等因素，包括前后車的加速、急轉(zhuǎn)彎、不當切入、急停等，也是車輛避障策略設(shè)計或自動駕駛模型訓(xùn)練的重要數(shù)據(jù)樣本來源。

仿真場景同其他測試場景一樣，其質(zhì)量決定仿真測試的效果，其適用性決定仿真測試的效率等。仿真場景的質(zhì)量可從以下幾個維度評價：① 場景的逼真度或真實性；② 場景的覆蓋度或完整性；③ 場景的復(fù)雜度或無序性；④ 場景的危險度或邊緣性。場景的適用性主要指場景與被測對象或被測內(nèi)容的關(guān)聯(lián)度、針對性及對不同被測對象或內(nèi)容測試的泛化能力。

2.3.2　環(huán)境傳感器建模技術(shù)

汽車自動駕駛系統(tǒng)常用的環(huán)境傳感感知設(shè)備包括各類相機及雷達、定位和無線通信設(shè)備等，包括基于幾何與物理建模和圖像模擬混合建模方法的相機模型，以支持對車載相機、視覺成像和圖像處理等的模擬和仿真；包括考慮雷達電磁波發(fā)射、傳播、反射和接收機理，考慮復(fù)雜天氣、地表雜波和干擾等環(huán)境因素，目標散射面積（RCS）等對功率衰減和檢測誤差影響機理的雷達建模方法，以及支持定位導(dǎo)航的GPS建模和支持車車通信的車載無線通信信道建模方法等。

場景的“視覺”是環(huán)境傳感器或環(huán)境傳感感知與融合系統(tǒng)。環(huán)境傳感器一般包括檢測單元和信號處理單元等。前者一般輸出未經(jīng)處理的原始信號（Raw Signal），如雷達的掃描反射線、相機的像素信號等；而后者則是經(jīng)過傳感器信號處理單元處理的檢測信號（Processed Signal），包括目標聚類與跟蹤、圖像畸變校正與去馬賽克等，如圖2-8所示。

2.3.3　車輛動力學(xué)建模技術(shù)

精確且高效的車輛動力學(xué)建模是汽車自動駕駛仿真測試的重要基礎(chǔ)，包括汽車底盤（制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)）和動力總成（發(fā)動機、變速箱、離合器、差分器等）建模、輪胎建模等。此外，駕駛模擬器還包括方向盤力感模擬和駕駛動感模擬等，以支持汽車自動駕駛在各種行駛工況下的運動軌跡跟隨、安全避撞，以及動力性、舒適性和操縱穩(wěn)定性等的模擬仿真。

2.3.4　一體化模擬仿真技術(shù)

汽車，特別是現(xiàn)代智能汽車技術(shù)及產(chǎn)品的研發(fā)涉及概念設(shè)計和定義、系統(tǒng)設(shè)計與分解、軟硬件設(shè)計與開發(fā)、系統(tǒng)集成、測試與驗證等諸多環(huán)節(jié)，而不同環(huán)節(jié)又有著不同的技術(shù)需求。傳統(tǒng)的模擬仿真技術(shù)往往建立在不同的仿真平臺上，存在時鐘不同步、數(shù)據(jù)不兼容、界面不統(tǒng)一，以及虛擬仿真與道路測試脫節(jié)等問題。建立一體化模擬仿真平臺即是實現(xiàn)從離線到實時、從軟件模擬到硬件在環(huán)、從虛擬仿真到實車測試，以及包含人車環(huán)境在內(nèi)的無縫工具鏈和數(shù)據(jù)鏈，形成支持汽車自動駕駛技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)不同階段、不同環(huán)節(jié)和不同需求下的分析、設(shè)計、研究、測試、驗證和評價等一體化仿真流程與平臺。