用于自动驾驶的虚拟仿真测试系统和方法与流程

1.本发明涉及自动驾驶仿真技术领域，尤其是涉及一种用于自动驾驶的虚拟仿真测试系统和方法。


背景技术：

2.目前，国内外都对自动驾驶领域的研究投入了大量精力，这无疑加速了整个行业的发展，并带来了更多的新观念和新技术。研究人员不仅研究较为传统的自动驾驶辅助功能技术，而且还深入到l3/l4级或者更高级的l5级自动驾驶技术中。在自动驾驶涉及的技术领域中，虚拟仿真测试是支撑研发技术迭代的重要环节，尤其是规划与控制的研发，所以，建设虚拟仿真测试系统成为重中之重。
3.现有的大部分虚拟仿真测试系统涉及的硬件设备较多，系统复杂而且成本较高，限制了应用范围，难以大规模普及。众多仿真场景的组成要素单一，无法满足测试需求。而且用于计算的车辆动力学模型较为简单，如果选用复杂的车辆动力学模型，难以满足计算实时性要求。这些问题都严重影响了自动驾驶虚拟仿真测试的准确度。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种用于自动驾驶的虚拟仿真测试系统和方法，以提高自动驾驶虚拟仿真测试的准确度。
5.第一方面，本发明提供了一种用于自动驾驶的虚拟仿真测试系统，该系统包括运行有车辆动力学模型的强实时仿真机、场景仿真装置和工控机；强实时仿真机分别与场景仿真装置和工控机通信连接；该场景仿真装置还与工控机通信连接；车辆动力学模型用于实现虚拟车辆的动力学响应，并将虚拟车辆的车辆信息发送给场景仿真装置和工控机；场景仿真装置用于根据虚拟车辆的车辆信息和预设的场景仿真参数，构建虚拟车辆的自动驾驶场景；场景仿真装置还用于将自动驾驶场景中的障碍物信息发送给工控机；工控机用于根据虚拟车辆的车辆信息和障碍物信息，输出车辆控制信息；其中，车辆控制信息包括虚拟车辆的方向盘转角、制动压力和节气门开度。
6.在可选的实施方式中，上述车辆动力学模型包括轮胎模型、动力传动模型、悬架模型、转向模型、制动模型、载荷模型、阻力模型和整车模型；其中，轮胎模型包括轮胎的外观尺寸、力学特性、瞬态的响应特性和迟滞损失；动力传动模型包括发动机的外特性曲线描述、离合器的参数信息、变速器的参数信息和减速器的参数信息；悬架模型包括独立悬架、非独立悬架、简化独立悬架和简化非独立悬架的参数信息；转向模型包括转向轴的轴距和转向轴的非线性特性描述；制动模型包括液压、气压制动和有无制动防抱死系统；载荷模型包括配重模块；阻力模型包括空气阻力和轮胎阻力；整车模型包括车辆位置坐标、尺寸、质量和转动惯量。
7.在可选的实施方式中，上述场景仿真装置包括自车虚拟仿真模块、静态道路要素仿真模块、静态道路设施仿真模块、动态道路要素仿真模块、交通参与者仿真模块和天气及
光照仿真模块；其中，自车虚拟仿真模块包括车辆位置信息、姿态信息及轮胎接地点；静态道路要素仿真模块包括车道线类别、车道宽度和车道数量；静态道路设施仿真模块包括红绿交通灯、交通标识牌、隔离带和护栏的位置信息；动态道路要素仿真模块包括道路施工情况、道路塌陷情况和道路拥堵情况；交通参与者仿真模块包括机动车、非机动车和行人的仿真信息；天气及光照仿真模块包括可见度、光照、湿度和温度。
8.在可选的实施方式中，上述场景仿真装置用于根据虚拟车辆的车辆信息，以及自车虚拟仿真模块、静态道路要素仿真模块、静态道路设施仿真模块、动态道路要素仿真模块、交通参与者仿真模块和天气及光照仿真模块中设置的场景仿真信息对场景进行图形渲染，得到虚拟车辆的自动驾驶场景。
9.在可选的实施方式中，上述障碍物信息包括障碍物的位置信息、速度信息、尺寸、类型和加速度；其中，障碍物为交通参与者仿真模块所包含的机动车、非机动车和行人。
10.在可选的实施方式中，上述强实时仿真机还包括输入输出接口；其中，强实时仿真机通过输入输出接口与场景仿真装置和工控机连接。
11.在可选的实施方式中，上述输入输出接口包括can总线接口、can-fd总线接口、车载以太网接口、lin总线接口和标准以太网接口中的一种或多种。
12.在可选的实施方式中，上述虚拟车辆的车辆信息包括虚拟车辆的车辆位置信息和速度信息；其中，车辆位置信息包括虚拟车辆所处的经纬度和海拔高度，速度信息包括虚拟车辆的线速度和加速度。
13.在可选的实施方式中，上述场景仿真装置包括高性能处理器、高性能显卡、内存、电源、主板和风扇；工控机包括全钢机箱或者全铝机箱，以及电源、底板、显卡、内存和风扇。
14.第二方面，本发明提供了一种用于自动驾驶的虚拟仿真测试方法，该方法应用于上述自动驾驶的虚拟仿真测试系统；该方法包括：通过运行有车辆动力学模型的强实时仿真机将虚拟车辆的车辆信息发送给场景仿真装置和工控机；其中，车辆动力学模型用于实现虚拟车辆的动力学响应；场景仿真装置根据虚拟车辆的车辆信息和预设的场景仿真参数，构建虚拟车辆的自动驾驶场景，并将自动驾驶场景中的障碍物信息发送给工控机；工控机根据虚拟车辆的车辆信息和障碍物信息，输出车辆控制信息；其中，车辆控制信息包括虚拟车辆的方向盘转角、制动压力和节气门开度。
15.本发明实施例带来了以下有益效果：
16.本发明提供的一种用于自动驾驶的虚拟仿真测试方法和系统，包括运行有车辆动力学模型的强实时仿真机、场景仿真装置和工控机；其中，车辆动力学模型用于实现虚拟车辆的动力学响应，并将虚拟车辆的车辆信息发送给场景仿真装置和工控机；场景仿真装置用于根据虚拟车辆的车辆信息和预设的场景仿真参数，构建虚拟车辆的自动驾驶场景；场景仿真装置还用于将自动驾驶场景中的障碍物信息发送给工控机；工控机用于根据虚拟车辆的车辆信息和障碍物信息，输出车辆控制信息。该方式中，通过复杂的车辆动力学模型模拟真实车辆的运行过程，能够响应输出接近真实车辆；同时，通过工控机可以实现车辆的自动驾驶功能，通过计算输出真实车辆的控制信号，还可以实现场景、车辆动力学与自动驾驶的算法的闭环验证，从而提高了自动驾驶虚拟仿真测试的准确度。
17.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明的上述技术即可得知。
18.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例提供的相关技术中的原理框图；
21.图2为本发明实施例提供的一种用于自动驾驶的虚拟仿真测试系统的结构示意图；
22.图3为本发明实施例提供的另一种用于自动驾驶的虚拟仿真测试系统的结构示意图；
23.图4为本发明实施例提供的一种用于自动驾驶的虚拟仿真测试方法的流程图。
具体实施方式
24.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
25.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.相关技术中，提供了一种虚拟仿真测试系统，该系统包括驾驶模拟器、车辆场景实时仿真软件、车辆动力学仿真软件、实时仿真机、全球导航卫星系统模拟器及全球导航卫星系统信号转发器等。该系统通过全球导航卫星系统模拟器和软件联合仿真能模拟出真实车辆运行效果，如图1所示为该方式的原理框图。
27.但是上述虚拟仿真测试系统涉及的硬件设备较多，系统复杂而且成本较高，限制了应用范围，难以大规模普及。众多仿真场景的组成要素单一，无法满足测试需求。而且用于计算的车辆动力学模型较为简单，如果选用复杂的车辆动力学模型，难以满足计算实时性要求。这些问题都严重影响了自动驾驶虚拟仿真测试的准确度。
28.基于上述问题，本发明实施例提供了一种用于自动驾驶的虚拟仿真测试系统和方法，该技术可以应用于各种车辆的自动驾驶仿真测试场景中。为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种用于自动驾驶的虚拟仿真测试系统进行详细介绍，如图2所示，该系统包括运行有车辆动力学模型的强实时仿真机20、场景仿真装置21和工控机22。
29.上述强实时仿真机20分别与场景仿真装置21和工控机22通信连接；该场景仿真装置21还与工控机22通信连接。车辆动力学模型用于实现虚拟车辆的动力学响应，并将虚拟
车辆的车辆信息发送给场景仿真装置21和工控机22。其中，虚拟车辆的车辆信息包括虚拟车辆的车辆位置信息和速度信息，该车辆位置信息包括虚拟车辆所处的经纬度和海拔高度，速度信息包括虚拟车辆的线速度和加速度。
30.上述车辆动力学模型包括轮胎模型、动力传动模型、悬架模型、转向模型、制动模型、载荷模型、阻力模型和整车模型；其中，轮胎模型包括轮胎的外观尺寸、力学特性、瞬态的响应特性和迟滞损失；动力传动模型包括发动机的外特性曲线描述、离合器的参数信息、变速器的参数信息和减速器的参数信息；悬架模型包括独立悬架、非独立悬架、简化独立悬架和简化非独立悬架的参数信息；转向模型包括转向轴的轴距和该转向轴的非线性特性描述；制动模型包括液压、气压制动和有无制动防抱死系统；载荷模型包括配重模块；阻力模型包括空气阻力和轮胎阻力；整车模型包括车辆位置坐标、尺寸、质量和转动惯量。该方式通过复杂的车辆动力学模型可以模拟真实车辆的运行过程，响应输出接近真实车辆；同时，上述强实时仿真机20能保证计算的实时性，由于车辆动力学模型参数很多，模型较为复杂，采用强实时仿真机可以快速准确地完成计算。
31.具体地，上述发动机的外特性曲线是指在发动机全负荷(车辆的汽油机为节气门全开)时所测出来的功率(具体指有效功率和燃油消耗率)或者扭矩随着转速变化的曲线。上述离合器的参数信息包括：离合器能传递的最大扭矩和离合器控制信号之间的关系曲线、离合器结合和分开的延时时间、输入轴的转动惯量、输出轴的转动惯量等。上述减速器的参数信息包括减速比和减速方向等信息。上述变速器(也可以是变速箱)的参数信息如表1所示。
32.表1
33.参数名称物理意义内部传输模型7档以内的变速箱模型(包含7档)内部传输模型(18档)最高18档的变速箱模型，档数可以选择档速比各档速比，r—倒挡，n—空挡转动惯量各档位等效到输入轴端的转动惯量传动效率包括正转、反转的效率换挡持续时间换挡持续时间换挡策略换挡策略锁止离合器可以考虑液力变矩器锁止离合器最大扭矩锁止离合器能承受的最大扭矩时间延时离合器的延迟离合器锁和解锁时间表离合器控制策略
34.上述悬架模型对应的参数信息包括：悬架类型(包括独立悬架或者非独立悬架)、表2所示的独立悬架k参数信息和表3所示的非独立悬架的k参数信息：
35.表2
[0036][0037]
表3
[0038]
[0039][0040]
在具体实现时，上述配重模块包含的参数可以是箱体尺寸、箱体位置、箱体质、是否显示箱体以及箱体的颜色。
[0041]
在实际应用中，在仿真虚拟车辆的自动驾驶场景时，需要在强实时仿真机中，根据虚拟车辆实际的车辆信息，设置车辆动力学模型中各个模块的参数，并由强实时仿真机20将虚拟车辆的车辆信息发送给场景仿真装置21和工控机22。
[0042]
上述场景仿真装置21用于根据虚拟车辆的车辆信息和预设的场景仿真参数，构建虚拟车辆的自动驾驶场景；该场景仿真装置21还用于将自动驾驶场景中的障碍物信息发送给工控机22；工控机22用于根据虚拟车辆的车辆信息和障碍物信息，输出车辆控制信息；其中，该车辆控制信息包括虚拟车辆的方向盘转角、制动压力和节气门开度。
[0043]
上述场景仿真装置21可以是高性能图形工作站，用于提供高性能的图形渲染功能。且该场景仿真装置21中运行有场景仿真软件，该场景仿真软件中包括自车虚拟仿真模块、静态道路要素仿真模块、静态道路设施仿真模块、动态道路要素仿真模块、交通参与者仿真模块和天气及光照仿真模块等模块，也可以理解为场景仿真装置21可以对场景仿真软件中的各个模块进行渲染，主要是道路要素、交通参与者要素及天气要素的渲染。上述场景仿真参数可以理解为场景仿真软件中各个模块的仿真参数，该仿真参数需要根据测试场景进行设置。
[0044]
具体地，上述场景仿真装置21可以根据虚拟车辆的车辆信息，以及自车虚拟仿真模块、静态道路要素仿真模块、静态道路设施仿真模块、动态道路要素仿真模块、交通参与者仿真模块和天气及光照仿真模块中设置的场景仿真信息对场景进行图形渲染，得到虚拟车辆的自动驾驶场景。
[0045]
其中，上述自车虚拟仿真模块包括车辆位置信息、姿态信息及轮胎接地点；静态道路要素仿真模块包括车道线类别、车道宽度和车道数量等仿真元素；静态道路设施仿真模块包括红绿交通灯、交通标识牌、隔离带和护栏的位置信息，还包括红绿交通灯的样式和闪烁间隔、交通指示牌的样式、隔离带和护栏的样式等。
[0046]
上述动态道路要素仿真模块包括道路施工情况、道路塌陷情况和道路拥堵情况等，这部分需要有具体的仿真模块能在场景中体现出来，比如，场景中有道路施工区域，需要在构建场景的时候放置此模块，具体表示场景中存在道路施工区域，塌陷也是如此；拥堵
情况可通过配置前方的车辆交通流来体现。上述交通参与者仿真模块包括机动车、非机动车和行人等的仿真信息；上述天气及光照仿真模块包括可见度、光照、湿度和温度等。
[0047]
具体地，上述障碍物信息包括障碍物的位置信息、速度信息、尺寸、类型和加速度；其中，障碍物为交通参与者仿真模块所包含的机动车、非机动车和行人。本发明能够通过场景仿真软件实现简单到复杂的场景库建设，包括自车信息、道路设计、交通流设计、静态要素搭建、动态要素搭建，与车辆动力学模型和规划与工控机中的控制算法实现联合仿真；同时，本技术通过高性能图形工作站，可以对虚拟场景(相当于自动驾驶场景)中道路、车辆、交通参与者、静态和动态要素、天气和光照进行渲染，接近真实环境。
[0048]
上述工控机主要用于提供数据计算，该工控机可以根据输入数据得到车辆控制信息。该输入数据也即是虚拟车辆的车辆信息和障碍物信息。
[0049]
本发明实施例提供了一种用于自动驾驶的虚拟仿真测试系统，包括运行有车辆动力学模型的强实时仿真机、场景仿真装置和工控机；其中，车辆动力学模型用于实现虚拟车辆的动力学响应，并将虚拟车辆的车辆信息发送给场景仿真装置和工控机；场景仿真装置用于根据虚拟车辆的车辆信息和预设的场景仿真参数，构建虚拟车辆的自动驾驶场景；场景仿真装置还用于将自动驾驶场景中的障碍物信息发送给工控机；工控机用于根据虚拟车辆的车辆信息和障碍物信息，输出车辆控制信息。该方式中，通过复杂的车辆动力学模型模拟真实车辆的运行过程，能够响应输出接近真实车辆；同时，通过工控机可以实现车辆的自动驾驶功能，通过计算输出真实车辆的控制信号，还可以实现场景、车辆动力学与自动驾驶的算法的闭环验证，从而提高了自动驾驶虚拟仿真测试的准确度。
[0050]
本发明实施例还提供了另一种用于自动驾驶的虚拟仿真测试系统，该系统在上述实施例的基础上实现；如图3所示，该系统包括运行有车辆动力学模型的强实时仿真机20、场景仿真装置21和工控机22。其中，强实时仿真机20还包括输入输出接口30；其中，强实时仿真机20通过输入输出接口30与场景仿真装置21和工控机22连接。
[0051]
上述输入输出接口30包括can(controller area network，控制器局域网络)总线接口、can-fd(flexible data-rate，灵活可变的数据波特率)总线接口、车载以太网接口、lin(local interconnect network，局域互联网)总线接口和标准以太网接口中的一种或多种。在具体实现时，强实时仿真机可以包括多个输入输出接口，每个输入输出接口可以相同也可以不同，可以仅采用上述接口中的任意一种，也可以采用上述接口中的多种。
[0052]
在实际应用中，上述场景仿真装置21包括高性能处理器、高性能显卡、内存、电源、主板和风扇，以及上述实施例中能提到的场景仿真软件中的各个模块。
[0053]
进一步地，上述工控机包括全钢机箱或者全铝机箱，以及电源、底板、显卡、内存和风扇。该工控机还包括可以实现根据输入数据得到车辆控制信息的算法模块。
[0054]
本发明通过强实时仿真机，可以与工控机实现不同总线类接口的适配连接，同时满足车辆动力学模型计算的实时性；同时本发明通过联合仿真方法，可以实现场景、车辆动力学与自动驾驶的算法的闭环验证，适用于传统adas(advanced driver assistance systems，高级驾驶员辅助系统)功能或者更高级自动驾驶功能的验证。
[0055]
针对于上述用于自动驾驶的虚拟仿真测试系统的实施例，本发明实施例提供了一种用于自动驾驶的虚拟仿真测试方法，该方法应用于上述用于自动驾驶的虚拟仿真测试系统；如图4所示，该方法包括如下具体步骤：
[0056]
步骤s402，通过运行有车辆动力学模型的强实时仿真机将虚拟车辆的车辆信息发送给场景仿真装置和工控机；其中，该车辆动力学模型用于实现虚拟车辆的动力学响应。
[0057]
在具体实现时，需要构建车辆动力学模型，该车辆动力学模型运行在强实时仿真机中，配置轮胎模型、动力传动模型、悬架模型、转向模型、制动模型、载荷模型、阻力模型和整车模型，车辆动力学模型通过强实时仿真机与场景仿真装置的接口，将自车位置、姿态和轮胎中心位置坐标(相当于上述车辆信息)输入给仿真测试场景(相当于自动驾驶场景)。
[0058]
步骤s404，场景仿真装置根据虚拟车辆的车辆信息和预设的场景仿真参数，构建虚拟车辆的自动驾驶场景，并将自动驾驶场景中的障碍物信息发送给工控机。
[0059]
在具体实现时，在仿真测的自动驾驶场景运行在场景仿真软件(该场景仿真软件加载在场景仿真装置)中，通过场景仿真软件完成自车仿真模块、静态道路要素仿真模块、静态道路设施仿真模块、动态道路要素仿真模块，交通参与者仿真模块及天气及光照仿真模块的设置，场景仿真软件通过场景仿真装置与工控机的接口，将交通参与者信息(相当于上述障碍物信息)输入给工控机。
[0060]
具体地，上述仿真软件还可以将自车的轮胎接地点信息输入给车辆动力学模型，以便对虚拟车辆进行精确定位。
[0061]
步骤s406，工控机根据虚拟车辆的车辆信息和障碍物信息，输出车辆控制信息；其中，车辆控制信息包括虚拟车辆的方向盘转角、制动压力和节气门开度。
[0062]
上述工控机将接收信号作为输入信号，实现车辆的方向盘转角、节气门开度和制动压力信号的输出，完成一个闭环仿真。
[0063]
上述用于自动驾驶的虚拟仿真测试方法，该方法能够通过场景仿真软件实现简单到复杂的场景库建设，包括自车信息、道路设计、交通流设计、静态要素搭建、动态要素搭建，与车辆动力学模型和规划与工控机中的控制算法实现联合仿真；同时，本技术通过高性能图形工作站，可以对虚拟场景(相当于自动驾驶场景)中道路、车辆、交通参与者、静态和动态要素、天气和光照进行渲染，接近真实环境。
[0064]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0065]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。