仿真對于自動(dòng)駕駛的重要性已不言而喻,自動(dòng)駕駛的仿真通過數(shù)學(xué)建模的方式將實(shí)際的應(yīng)用場景進(jìn)行數(shù)字化還原,建立盡可能接近真實(shí)世界的系統(tǒng)模型,無需實(shí)車直接通過軟件進(jìn)行仿真測試便可達(dá)到對自動(dòng)駕駛系統(tǒng)及算法的測試驗(yàn)證目的。
可以說,一套好的仿真環(huán)境可以非常精確地完成對于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)功能性、安全性方面的驗(yàn)證,從而保障自動(dòng)駕駛的順利落地。那么,對于自動(dòng)駕駛而言如此重要的仿真技術(shù)目前發(fā)展如何,在未來又將以怎樣的形式助力自動(dòng)駕駛的量產(chǎn)落地呢?
仿真究竟在仿什么?
針對自動(dòng)駕駛而言,現(xiàn)如今的仿真系統(tǒng)具體需要仿造哪些內(nèi)容,提供哪些輸入給到算法模塊呢?
首先是還原與真實(shí)世界一致的交通靜態(tài)元素,比如道路、交通標(biāo)志、護(hù)欄、樹木、建筑等等。當(dāng)前,大多數(shù)智能駕駛仿真軟件或平臺都采用使用三維建模軟件創(chuàng)建“素材庫”,利用高精地圖的矢量化圖形對道路要素進(jìn)行重建,然后再利用專業(yè)軟件添加建筑、樹木、地形等其他靜態(tài)要素。
除了靜態(tài)環(huán)境,還要有動(dòng)態(tài)場景。動(dòng)態(tài)場景的生成包括兩方面:一是微觀的行人、車輛、天氣;二是宏觀的交通流場景構(gòu)建。天氣變化、光照變化等動(dòng)態(tài)要素,需要嚴(yán)格遵循現(xiàn)實(shí)世界的物理規(guī)律,在這里,游戲引擎就能發(fā)揮重要的作用,其在場景渲染、物理引擎等真實(shí)場景模擬的能力上,比傳統(tǒng)仿真軟件強(qiáng)大許多。
在場景之外,便是車輛傳感器模塊。傳感器作為智能駕駛車輛的“眼睛”,用于感知外部環(huán)境、發(fā)現(xiàn)并分類障礙物、預(yù)測速度,協(xié)助精確定位車輛周圍的環(huán)境等。從仿真角度看,無論哪種傳感器,理論上都可以從以下三個(gè)不同的層級仿真:對物理信號進(jìn)行仿真、對原始信號進(jìn)行仿真以及對傳感器目標(biāo)進(jìn)行仿真。傳感器目標(biāo)仿真,即傳感器感知和決策如果是分為兩個(gè)不同層級的芯片來做,那么可以將傳感器檢測的理想目標(biāo)直接仿真到?jīng)Q策層算法輸入端。一般來說,通過軟件仿真的方式達(dá)到目標(biāo)級仿真,提供真值是比較容易做到的,而原始信號,尤其是物理信號的仿真,則需要使用大量的仿真設(shè)備,相對比較復(fù)雜。
最后,便是仿真系統(tǒng)的底層:車輛模型,也叫車輛動(dòng)力學(xué)模塊。在智能駕駛仿真過程中,需要借助車輛的動(dòng)力學(xué)模型,來對決策、控制算法進(jìn)行客觀的評估。傳統(tǒng)的商業(yè)仿真軟件在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)非常成熟,一般將實(shí)際測試車輛的車體模型、輪胎模型、制動(dòng)系統(tǒng)模型、傳動(dòng)系統(tǒng)模型等都參數(shù)化,根據(jù)車輛的動(dòng)力學(xué)模塊配置合適參數(shù),從而模擬測算車輛在智能駕駛系統(tǒng)操控下的能力和極限。
主流仿真器對比
現(xiàn)如今,已有越來越多的仿真器被搭建并開源,與此同時(shí),這些仿真器都具備了非常強(qiáng)大的性能,可供自動(dòng)駕駛公司們測試復(fù)雜多變的場景,從而驗(yàn)證算法的功能性及安全性。這里將主流的仿真器進(jìn)行對比介紹,以供讀者們參考。
Carmaker
Carmaker是德國IPG公司推出的動(dòng)力學(xué),ADAS和自動(dòng)駕駛仿真軟件。Carmaker首先是一個(gè)優(yōu)秀的動(dòng)力學(xué)仿真軟件,提供了精準(zhǔn)的車輛本體模型(發(fā)動(dòng)機(jī)、 底盤、 懸架、傳動(dòng)、 轉(zhuǎn)向等) ,除此之外, Carmaker還打造了包括車輛,駕駛員,道路,交通環(huán)境的閉環(huán)仿真系統(tǒng)。
CarMaker作為平臺軟件,可以與很多第三方軟件進(jìn)行集成,如ADAMS、AVLCruise、rFpro等,可利用各軟件的優(yōu)勢進(jìn)行聯(lián)合仿真。同時(shí)CarMaker配套的硬件,提供了大量的板卡接口,可以方便的與ECU或者傳感器進(jìn)行HIL測試。
PreScan
PreScan是由TassInternational研發(fā)的一款A(yù)DAS測試仿真軟件。PreScan是一個(gè)模擬平臺,由基于GUI的、用于定義場景的預(yù)處理器和用于執(zhí)行場景的運(yùn)行環(huán)境構(gòu)成。工程師用于創(chuàng)建和測試算法的主要界面包括MATLAB和Simulink。PreScan可用于從基于模型的控制器設(shè)計(jì)(MIL)到利用軟件在環(huán)(SIL)和硬件在環(huán)(HIL)系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)時(shí)測試等應(yīng)用。
PreScan可在開環(huán)、閉環(huán)以及離線和在線模式下運(yùn)行。它是一種開放型軟件平臺,其靈活的界面可連接至第三方的汽車動(dòng)力學(xué)模型。其由多個(gè)模塊組成,使用起來主要分為四個(gè)步驟:搭建場景、添加傳感器、添加控制系統(tǒng)、運(yùn)行仿真。
Carla
CARLA是由西班牙巴塞羅那自治大學(xué)計(jì)算機(jī)視覺中心指導(dǎo)開發(fā)的開源模擬器,用于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的開發(fā)、訓(xùn)練和驗(yàn)證。
同AirSim一樣,Carla也依托虛幻引擎進(jìn)行開發(fā),使用服務(wù)器和多客戶端的架構(gòu)。在場景方面,CARLA提供了為自動(dòng)駕駛創(chuàng)建場景的開源數(shù)字資源(包括城市布局、建筑以及車輛)以及幾個(gè)由這些資源搭建的供自動(dòng)駕駛測試訓(xùn)練的場景。
同時(shí),CARLA也可以使用VectorZero的道路搭建軟件RoadRunner制作場景和配套的高精地圖,也提供了簡單的地圖編輯器。
百度Apollo
Apollo 仿真平臺是一個(gè)搭建在百度云和 Azure 的云服務(wù),可以使用用戶指定的 Apollo 版本在云端進(jìn)行仿真測試。Apollo 仿真場景可分為Worldsim 和 Logsim。
Worldsim 是由人為預(yù)設(shè)的道路和障礙物構(gòu)成的場景,可以作為單元測試簡單高效的測試自動(dòng)駕駛車輛,而 Logsim 是由路測數(shù)據(jù)提取的場景,真實(shí)反映了實(shí)際交通環(huán)境中復(fù)雜多變的障礙物和交通狀況。
Apollo 仿真平臺也提供了較為完善的場景通過判別系統(tǒng),可以從交通規(guī)則,動(dòng)力學(xué)行為和舒適度等方面對自動(dòng)駕駛算法做出評價(jià)。
騰訊TAD Sim仿真平臺
TAD Sim是由騰訊研發(fā)的自動(dòng)駕駛虛擬仿真平臺。在設(shè)計(jì)之初,就有別于傳統(tǒng)的仿真系統(tǒng),是為自動(dòng)駕駛測試驗(yàn)證而專門設(shè)計(jì)開發(fā),內(nèi)置厘米級高精度地圖,構(gòu)建了包含動(dòng)態(tài)和靜態(tài)要素真值數(shù)字孿生系統(tǒng),用千變?nèi)f化的場景進(jìn)行自動(dòng)駕駛算法完備性的測試。
其具備了三大核心能力,首先是基于騰訊強(qiáng)大的游戲引擎能力運(yùn)行傳感器建模和標(biāo)定,能保證其三維場景的仿真以及傳感器的仿真具有業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的真實(shí)度和精準(zhǔn)度。其次,TAD Sim場景生成系統(tǒng)支持多種場景來源,除了比較常見的場景編輯器和回放型的路采數(shù)據(jù)仿真,還可以運(yùn)用大量路采數(shù)據(jù)訓(xùn)練交通流AI,生成真實(shí)度高、交互性強(qiáng)的場景AI,來進(jìn)行閉環(huán)仿真,大大提高路采數(shù)據(jù)的利用率。最后,基于騰訊云服務(wù),TAD Sim可以同時(shí)在本地和云端部署測試場景。
除了這些主流的仿真器之外,在去年,麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室(CSAIL)的科學(xué)家們創(chuàng)建了VISTA 2.0。這是一個(gè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模擬引擎,車輛可以學(xué)習(xí)現(xiàn)實(shí)世界中的駕駛場景,在“即將撞上”的情景下將車輛“拯救”回來。
由于它是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的,根據(jù)真實(shí)世界的數(shù)據(jù)建立和仿真渲染,所以車輛在模擬器中學(xué)習(xí)的駕駛能力都能夠直接應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)中來。用戶可以直接模擬自己的虛擬自動(dòng)駕駛車輛,在這些虛擬地形中行駛,在模擬器的世界中訓(xùn)練自動(dòng)駕駛車輛,然后可以直接轉(zhuǎn)移到真正的自動(dòng)駕駛汽車上。
自動(dòng)駕駛仿真的挑戰(zhàn)
既然仿真對于自動(dòng)駕駛落地來說如此重要,那么現(xiàn)階段的仿真有哪些挑戰(zhàn),未來將會(huì)向什么方向發(fā)展?
首先,挑戰(zhàn)來自對于現(xiàn)實(shí)世界的模擬程度。要知道,現(xiàn)實(shí)世界中的物體特征都是多種多樣,且非常細(xì)致的。那么仿真中模擬到何種程度便成了問題。如果模擬得太過細(xì)致,則會(huì)導(dǎo)致算力大幅提升,而缺少關(guān)鍵信息則會(huì)導(dǎo)致仿真效果與實(shí)際相距甚遠(yuǎn)。針對算法的實(shí)際需求來構(gòu)建相應(yīng)的仿真場景及細(xì)致度,將給自動(dòng)駕駛算法帶來質(zhì)的提升。
其次,場景庫的構(gòu)造是一大挑戰(zhàn)。目前行業(yè)內(nèi)大多采用人工構(gòu)建的方式,這種方式不僅速度較慢,且非常難覆蓋全現(xiàn)實(shí)生活中遇到的各種場景。Corner case對于自動(dòng)駕駛算法來說的重要性不言而喻,只有在仿真中盡可能多地構(gòu)造出可能出現(xiàn)的難例,才能驗(yàn)證算法在極端場景下的能力,從而保障車輛的絕對安全。
最后,便是仿真與算法的迭代部署及提升。現(xiàn)階段仿真器大多與算法解耦,從而不太考慮實(shí)際的算法需求,使得仿真效果不盡人意。在未來,有望更多做算法的一線工程師投入到仿真測試的工作中來,也只有為算法特定的仿真系統(tǒng)才能完備地測試出算法的問題。
總結(jié)
總體而言,仿真在如今已經(jīng)成為自動(dòng)駕駛整個(gè)體系中不可或缺的一環(huán),承擔(dān)著量產(chǎn)落地的最終保障。但與此同時(shí),目前市面上并沒有與現(xiàn)實(shí)世界非常貼合的仿真系統(tǒng)可供使用,如何讓模擬數(shù)據(jù)具有現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)性和豐富性是最大的挑戰(zhàn)。可以相信在未來,隨著虛幻引擎技術(shù)的飛速發(fā)展,會(huì)助力仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍,同時(shí)將帶動(dòng)自動(dòng)駕駛算法完成新一輪的蛻變。