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ANSYS自動(dòng)駕駛仿真驗(yàn)證平臺(tái)

型號(hào):

產(chǎn)品時(shí)間:2022-04-02

簡要描述:

ANSYS自動(dòng)駕駛仿真驗(yàn)證平臺(tái)
提供了基于物理的三維場(chǎng)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(duì)象、多場(chǎng)景、多環(huán)境的實(shí)時(shí)閉環(huán)仿真。

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詳細(xì)介紹

ANSYS自動(dòng)駕駛仿真驗(yàn)證平臺(tái)

1.系統(tǒng)方案

ANSYS高精度自動(dòng)駕駛仿真驗(yàn)證平臺(tái)提供了基于物理的三維場(chǎng)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(duì)象、多場(chǎng)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(chǎng)景編輯模塊,自定義設(shè)定道路和交通場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(cè)試,該平臺(tái)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(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行無縫的聯(lián)入,從而更好的滿足不同級(jí)別、不同目標(biāo)的測(cè)試仿真要求。

圖片1.jpg

2.系統(tǒng)構(gòu)成

下面分別介紹本平臺(tái)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(tái)提供了一套自定義道路場(chǎng)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。

圖片3.jpg

圖片2.jpg

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(shí)、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(duì)象模型,可根據(jù)用戶需求對(duì)道路場(chǎng)景進(jìn)行快速建模。

圖片4.jpg

除了自定義場(chǎng)景外,ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)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。

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2.2.自定義交通場(chǎng)景

ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)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(duì)象交通行為的精確數(shù)據(jù)輸出。此外,交通對(duì)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(chǎng)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(jí)的腳本語言來定義車輛和行人等交通對(duì)象的行為。

圖片6.jpg

2.3.構(gòu)建車輛動(dòng)力學(xué)模型

除了上述的道路場(chǎng)景以及交通流的搭建能力之外,ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)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);

?……

圖片7.jpg

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(duì)所定義車輛的特性進(jìn)行快速的測(cè)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(tái)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(chǎng)景建模

在無人車輛的物理仿真中,除了前述關(guān)于道路場(chǎng)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(tái)的最大特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)在于提供基于物理真實(shí)的三維場(chǎng)景建模和ray-tracing的圖形算法。使得上述的場(chǎng)景的構(gòu)建與物理真實(shí)達(dá)到一個(gè)高匹配度,以此對(duì)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(chǎng)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(tái)搭建中,ANSYS 自動(dòng)駕駛仿真驗(yàn)證平臺(tái)會(huì)通過對(duì)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(chǎng)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(chǎng)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:

圖片8.jpg

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(cè)量儀硬件設(shè)備,對(duì)用戶所需仿真的場(chǎng)景材料庫進(jìn)行探測(cè),并將探測(cè)所得材料表面光學(xué)屬性BSDF函數(shù)附在前述場(chǎng)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(chǎng)景建模。同時(shí)ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)還提供豐富的材料庫供客戶場(chǎng)景建模使用。

圖片9.jpg

2.5.基于物理真實(shí)的多傳感器模型融合和系統(tǒng)級(jí)仿真

在無人車輛中,除了前述ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)能提供的基于物理真實(shí)的場(chǎng)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??梢詫?shí)現(xiàn)物理級(jí)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真,即在基于物理真實(shí)的道路場(chǎng)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(duì)感知系統(tǒng)的影響。同時(shí),ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)還支持如C++/ANSYSSCADE/SIMULINK等外部接口的控制算法來對(duì)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(jí)別仿真驗(yàn)證。

1)基于物理的攝像頭系統(tǒng)級(jí)仿真

在基于物理的攝像頭系統(tǒng)級(jí)仿真階段,ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)通過定義攝像頭的如下物理參數(shù)得到RAW圖像用以對(duì)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(jí)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。

圖片sensors.jpg

基于以上物理參數(shù)的建模以及對(duì)場(chǎng)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(jí)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(tái)的攝像頭實(shí)時(shí)輸出提供給感知算法的車道線識(shí)別。

圖片10.jpg

2)基于物理的激光雷達(dá)系統(tǒng)級(jí)仿真

類似于攝像頭的系統(tǒng)級(jí)仿真,激光雷達(dá)的系統(tǒng)級(jí)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(duì)用戶構(gòu)建的場(chǎng)景和交通流進(jìn)行感知探測(cè)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(cè)距離;

2橫向視場(chǎng)角;

2縱向視場(chǎng)角;

2分辨率等;

n旋轉(zhuǎn)式

2最大和最小探測(cè)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(tái)的激光雷達(dá)實(shí)時(shí)探測(cè)深度圖與攝像頭輸出RAW圖像相匹配。

圖片11.jpg

圖片11.jpg

3)基于物理的毫米波雷達(dá)系統(tǒng)級(jí)仿真

毫米波雷達(dá)的系統(tǒng)級(jí)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(tái)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。

圖片12.jpg

圖片12.jpg

2.6.實(shí)時(shí)閉環(huán)仿真系統(tǒng)

如前述通過對(duì)環(huán)境、場(chǎng)景、交通流的建模構(gòu)造出無人車輛的運(yùn)行場(chǎng)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。

圖片13.jpg

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(shì)和應(yīng)用熱點(diǎn)。ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)Headlamp模塊通過ANSYS*的物理級(jí)仿真引擎,為客戶提供真實(shí)的車輛頭燈路面光型分布測(cè)試和動(dòng)態(tài)駕駛與智能頭燈仿真測(cè)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(duì)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。

圖片14.jpg圖片15.jpg

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)。

圖片16.jpg圖片17.jpg

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(chǎng)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(cè)試驗(yàn)證,基于IIHS動(dòng)態(tài)頭燈測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的夜間測(cè)試驗(yàn)證。

圖片19.jpg圖片20.jpg

ANSYS自動(dòng)駕駛仿真驗(yàn)證平臺(tái)

 

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