自動(dòng)駕駛“零愿景”，仿真測(cè)試是必由之路

時(shí)間：2023-04-25 16:21:17

關(guān)鍵字：自動(dòng)駕駛數(shù)字孿生汽車研發(fā)

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[導(dǎo)讀]郭堉說，自動(dòng)駕駛測(cè)試有三大部分：傳感器采集道路數(shù)據(jù)信息；數(shù)字孿生與仿真測(cè)試；硬件在環(huán)HIL。其中，數(shù)字孿生與仿真測(cè)試最為關(guān)鍵。

郭堉說，自動(dòng)駕駛測(cè)試有三大部分：傳感器采集道路數(shù)據(jù)信息;數(shù)字孿生與仿真測(cè)試;硬件在環(huán)HIL。其中，數(shù)字孿生與仿真測(cè)試最為關(guān)鍵。

文︱立厷

圖︱NI

如果沒記錯(cuò)，早在2015年，大陸集團(tuán)(Continental)就提出以無事故“零愿景(Vision Zero)”為目標(biāo)最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛;2017年，博世(Bosch)將“零事故、零排放、零擔(dān)憂”的“三零愿景”作為未來核心目標(biāo);同年6月，采埃孚(ZF)再次強(qiáng)調(diào)以“零愿景”戰(zhàn)略打造汽車行業(yè)歷經(jīng)百年的領(lǐng)先供應(yīng)商。不用說，“零愿景”都是由Tier 1推動(dòng)的。

汽車“零愿景”

今天，消費(fèi)者對(duì)自動(dòng)駕駛的興趣日益濃厚，主機(jī)廠和Tier 1都在積極布局自動(dòng)駕駛技術(shù)，ADAS也已成為技術(shù)攻關(guān)的關(guān)鍵，技術(shù)的迭代需要不斷測(cè)試，如何加快測(cè)試速度、節(jié)約測(cè)試成本越來越受到關(guān)注。

自動(dòng)駕駛測(cè)試挑戰(zhàn)很多

電動(dòng)汽車多了三電：電池、電機(jī)、電控，少了發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和底盤，應(yīng)該說比傳統(tǒng)汽車的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單了，但是動(dòng)力系統(tǒng)以外的各種功能卻比之前復(fù)雜很多。特別是要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，從L2到L3，再到更高級(jí)別的L4，所需要測(cè)試的場(chǎng)景數(shù)量呈幾何倍數(shù)增長(zhǎng)，讓汽車系統(tǒng)復(fù)雜性陡然增加，給自動(dòng)駕駛測(cè)試帶來了最大挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，測(cè)試需求更是瞬息之間千變?nèi)f化，留給專業(yè)人員的測(cè)試時(shí)間越來越緊迫。

挑戰(zhàn)測(cè)試機(jī)構(gòu)的趨勢(shì)

在自動(dòng)駕駛驗(yàn)證測(cè)試流程中，獲取真實(shí)場(chǎng)景非常關(guān)鍵，必須利用道路采集的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，包括使用數(shù)字孿生技術(shù)手段重建完整的高保真度道路駕駛場(chǎng)景，再通過平臺(tái)及完整的軟件工具鏈對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行硬件仿真測(cè)試，最后還要生態(tài)圈攜手克服測(cè)試挑戰(zhàn)。

在成本方面，電動(dòng)汽車功能越來越多，價(jià)格卻逐年下降，對(duì)測(cè)試成本也有很大影響。隨著汽車復(fù)雜度的增加，汽車測(cè)試成本隨之增加，如果不改變傳統(tǒng)測(cè)試策略，可能難以達(dá)到預(yù)期的盈利目標(biāo)。

系統(tǒng)復(fù)雜度、測(cè)試成本和整車價(jià)格的關(guān)系

因此，我們必須采用新的測(cè)試方法，改變傳統(tǒng)汽車的測(cè)試思路，例如對(duì)ADAS使用全新的技術(shù)框架，找到一個(gè)新的測(cè)試方法。

省錢神器仿真測(cè)試

NI(美國(guó)國(guó)家儀器)資深汽車行業(yè)客戶經(jīng)理郭堉表示，最常見的汽車研發(fā)測(cè)試和驗(yàn)證流程是一個(gè)V字型，左邊是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，從最底層系統(tǒng)部署到每一個(gè)子部件研發(fā)，主要依賴于軟件，包括原型驗(yàn)證環(huán)節(jié);右邊是從部件測(cè)試上升到整車級(jí)，如NVH(噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度)可靠性測(cè)試。以往是把更多精力放在右邊測(cè)試環(huán)節(jié)，尤其是整車測(cè)試。隨著ADAS技術(shù)的不斷完善，我們更需要的是左邊，測(cè)試需求向左移，用更多軟件測(cè)試來提高測(cè)試效率。

汽車研發(fā)測(cè)試和驗(yàn)證流程

5月份對(duì)測(cè)試總監(jiān)、測(cè)試主管做的問卷調(diào)查顯示，目前所有測(cè)試手段還是基于硬件測(cè)試或真實(shí)道路測(cè)試。對(duì)于仿真測(cè)試，很多客戶驗(yàn)證出來的數(shù)據(jù)不是特別可靠，但未來共同的需求是通過仿真測(cè)試來加快測(cè)試進(jìn)程。

仿真測(cè)試問卷調(diào)查

之所以目前還不能達(dá)到未來的目標(biāo)，主要有以下難點(diǎn)：

缺少高保真度的模型和場(chǎng)景，無法媲美真實(shí)采集的道路狀況，或保證ADAS在路面和場(chǎng)景中跑的結(jié)果一樣。

目前很多廠商之間的鏈路沒有打通，工程師需要做很多這方面的工作，測(cè)試流程和工具鏈需要重新學(xué)習(xí)，需要學(xué)習(xí)不同廠商不同硬件。

沒有出臺(tái)非常明確的法規(guī)，特別是中國(guó)，現(xiàn)在的場(chǎng)景庫(kù)很多都是歐美來的，急需搭建中國(guó)自己的高保真仿真庫(kù)。

典型ADAS測(cè)試驗(yàn)證工作流程中左邊是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，需要用一套系統(tǒng)把它錄制下來，錄制越真實(shí)，數(shù)據(jù)可靠性越高。錄制的數(shù)據(jù)首先要打標(biāo)簽，之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)。這里要用到數(shù)字孿生技術(shù)，通過軟件把數(shù)據(jù)重構(gòu)為一個(gè)可靠性比較高的虛擬場(chǎng)景。另外，還需要管理數(shù)據(jù)，然后再進(jìn)行測(cè)試。最后對(duì)數(shù)據(jù)和高保真場(chǎng)景一起進(jìn)行硬件在環(huán)(HIL)仿真。

從復(fù)雜到連接的ADAS/AD雙V模型工作流

數(shù)字孿生為什么這么火?

我們來看看走在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域前沿的公司都是如何做測(cè)試的。Waymo每天要做2000萬英里虛擬測(cè)試，至今為止，已經(jīng)做了超過150億英里測(cè)試，但是在真實(shí)道路上的路測(cè)只有2000萬英里。通過數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，虛擬測(cè)試占比高達(dá)約99.9%。因此，仿真測(cè)試數(shù)據(jù)可靠性非常重要，如何保證數(shù)據(jù)是真實(shí)的，可以跟真實(shí)道路匹配，且給傳感器一個(gè)真實(shí)的反饋，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。

Waymo一天內(nèi)獲得100多年經(jīng)驗(yàn)

首先，通過激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像頭、IMU和GPS等采集道路數(shù)據(jù)。將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。這個(gè)過程的難點(diǎn)在于數(shù)據(jù)同步。NI基于PXI的采集系統(tǒng)，一個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)板卡，可確保數(shù)據(jù)同步。測(cè)試系統(tǒng)的集成度高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，還能滿足未來車上安裝更多傳感器、攝像頭的測(cè)試需求。

下一步是數(shù)字孿生與仿真測(cè)試。數(shù)字孿生技術(shù)是建立虛擬場(chǎng)景庫(kù)的利器，旨在解決前面提到的建立場(chǎng)景庫(kù)的問題。數(shù)字孿生指的是將真實(shí)的場(chǎng)景一比一地放在虛擬環(huán)境中，生成一個(gè)孿生系統(tǒng)。

monoDrive實(shí)到虛流水線

monoDrive是NI今年收購(gòu)的公司，monoDrive的數(shù)據(jù)有助于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重構(gòu)和孿生。有一段視頻可以看到孿生的效果，上面是在美國(guó)奧斯汀實(shí)際錄制的場(chǎng)景，下面是monoDrive的數(shù)字孿生，它重構(gòu)了一個(gè)非常高保真度的場(chǎng)景，對(duì)面來車等都可以還原出來，比手工費(fèi)時(shí)費(fèi)力創(chuàng)建這樣的場(chǎng)景提高了效率，而且效果非常真實(shí)。monoDrive可以把樹葉、欄桿、地面上的標(biāo)志圖形完整地復(fù)現(xiàn)出來，還原度非常高。這一點(diǎn)，目前只有monoDrive軟件可以做到。

數(shù)字孿生與仿真測(cè)試需要關(guān)注的核心要素包括：對(duì)傳感器和環(huán)境的高精度仿真基于真實(shí)道路場(chǎng)景構(gòu)建數(shù)字孿生場(chǎng)景;對(duì)汽車動(dòng)力學(xué)模型的仿真;基于云的測(cè)試方法滿足高數(shù)據(jù)量的測(cè)試環(huán)境。

具體講，不僅是道路狀態(tài)，天氣環(huán)境也可以仿真出來，包括影響傳感器反射條件的路面積水狀況、路燈、垃圾筒表面的參數(shù)、反射系數(shù)的實(shí)時(shí)表現(xiàn)，甚至日落黃昏都可以快速創(chuàng)建出本地場(chǎng)景，以便驗(yàn)證和快速迭代ADAS算法。

記錄道路信息只是仿真還不夠，還要用軟件平臺(tái)采集道路實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這是實(shí)車錄制情況下需要用的。目前特斯拉都是用攝像頭，但現(xiàn)在絕大部分主機(jī)廠會(huì)有毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)等傳感器，目前算力可以支持12路攝像頭，甚至是高清攝像頭，所以對(duì)錄制會(huì)有很多挑戰(zhàn)，其中包括很多硬件接口。

AV的更多傳感器和計(jì)算系統(tǒng)

只有這些數(shù)據(jù)都被同步記錄下來，才是真實(shí)有效的。由于數(shù)據(jù)量非常大，NI提供了PXI平臺(tái)，可以把所有數(shù)據(jù)保存下來，且支持大量數(shù)據(jù)上云端，也可以上到微軟云等。

ADAS和AD數(shù)據(jù)記錄的挑戰(zhàn)

在硬件方面，該平臺(tái)提供了豐富的接口，不僅是攝像頭接口，還有車載以太網(wǎng)等接口。PXI平臺(tái)已發(fā)展了很多年，該平臺(tái)就是把所有傳感器數(shù)據(jù)無損地保存下來;利用完整的軟件工具鏈還能夠壓縮數(shù)據(jù)，可以做數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)回放。

這里要科普一下PXI(面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展)，它是一種由PXI聯(lián)盟發(fā)布的基于PC的堅(jiān)固的測(cè)量和自動(dòng)化平臺(tái)。PXI結(jié)合了PCI的電氣總線特性與CompactPCI的堅(jiān)固性、模塊化及Eurocard機(jī)械封裝的特性，已發(fā)展成適合于試驗(yàn)、測(cè)量與數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范。制訂PXI規(guī)范的目的是為了將臺(tái)式PC的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)與PCI總線面向儀器領(lǐng)域的必要擴(kuò)展完美結(jié)合起來，形成一種主流的虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)。

在汽車應(yīng)用中，恰恰需要PXI這種高性能、低成本的測(cè)量運(yùn)載平臺(tái)。用基于一個(gè)PXI平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)可以滿足純仿真實(shí)驗(yàn)、錄制數(shù)據(jù)開環(huán)回放、硬件在環(huán)仿真及道路測(cè)試四種道路場(chǎng)景，節(jié)省測(cè)試成本，保證數(shù)據(jù)同步。

基于PXI平臺(tái)的車載ADAS記錄

硬件在環(huán)仿真優(yōu)化開發(fā)

什么是HIL?通常要測(cè)的對(duì)象都是ECU的控制部分或ECU中的算法，因此需要模擬外圍設(shè)備,讓ECU以為連接的是真實(shí)的電機(jī)。比如用軟件導(dǎo)入模型，這些模型是用數(shù)學(xué)方式表達(dá)的。

在硬件在環(huán)仿真階段，可以使用NI PXI實(shí)時(shí)控制器運(yùn)行仿真模型來模擬受控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)，配合NI FPGA模塊可適應(yīng)更高動(dòng)態(tài)特性及更高精度的模型應(yīng)用需求。NI硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)具有開放的軟硬件技術(shù)架構(gòu)，可以減少工程師的開發(fā)時(shí)間、成本和風(fēng)險(xiǎn)。

NI提供的硬件包括FPGA板卡，可以提供納秒級(jí)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)電機(jī)模型非常快的響應(yīng)。如果編輯到系統(tǒng)中運(yùn)算可以達(dá)到毫秒級(jí)，運(yùn)行車輛動(dòng)力學(xué)模型，真實(shí)反饋車輛在虛擬場(chǎng)景中的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。然后連到DUT(在測(cè)設(shè)備)，這樣就用AI完整鏈路和平臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)了一個(gè)框架。

HIL測(cè)試：DUT的虛擬現(xiàn)實(shí)

開放平臺(tái)助自動(dòng)駕駛落地

NI產(chǎn)品框架包括模塊化硬件，也就是PXI平臺(tái)，提供豐富的接口，包括攝像頭接口、射頻I/O板卡。工程師不需要了解各廠商的不同接口，學(xué)習(xí)各廠商的硬件平臺(tái)怎么操作，學(xué)習(xí)新軟件的使用方法。用NI的應(yīng)用軟件結(jié)合硬件就可以用同樣的工具鏈實(shí)現(xiàn)從研發(fā)到最后生產(chǎn)的部署流程。