Mcity實(shí)施了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境 助力首個(gè)自動(dòng)駕駛汽車(chē)全尺寸試驗(yàn)臺(tái)建設(shè)

2017年6月，我們?cè)谖挥诎舶⒉拿苄髮W(xué)北校區(qū)，建立了全球首個(gè)自動(dòng)駕駛汽車(chē)全尺寸試驗(yàn)臺(tái)——Mcity實(shí)施了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境。它占地32英畝，其8車(chē)道公里（5車(chē)道英里）的道路被安排在具有高速公路、多車(chē)道主干道或交叉路口屬性的路段。

自動(dòng)測(cè)試車(chē)配備了車(chē)載設(shè)備，可以監(jiān)測(cè)如位置、速度、加速度和航向等車(chē)輛狀態(tài)，每隔十分之一秒發(fā)出一次。利用專(zhuān)門(mén)的短程通信（DSRC）來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸（DSRC是一種類(lèi)似于專(zhuān)為移動(dòng)用戶設(shè)計(jì)的Wi-Fi的標(biāo)準(zhǔn)）。此外，分布在測(cè)試設(shè)施周?chē)穆愤呍O(shè)備接收這些信息并將其轉(zhuǎn)發(fā)給一個(gè)交通模擬模型，該模型可以通過(guò)將測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)化為包含交通信號(hào)動(dòng)作的等效網(wǎng)絡(luò)幾何來(lái)模擬該測(cè)試設(shè)備。一旦計(jì)算機(jī)模型接收到測(cè)試車(chē)信息，就會(huì)創(chuàng)建測(cè)試車(chē)的虛擬副本。然后，它根據(jù)真實(shí)測(cè)試車(chē)的運(yùn)動(dòng)來(lái)更新虛擬車(chē)的運(yùn)動(dòng)。

將真實(shí)測(cè)試車(chē)輛的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)模擬中只構(gòu)成了一半的回路。我們通過(guò)向測(cè)試車(chē)發(fā)送計(jì)算機(jī)模擬的各種車(chē)輛的信息來(lái)完成另一半。這就是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的本質(zhì)。每一輛模擬車(chē)輛會(huì)產(chǎn)生頻率為10赫茲的車(chē)輛狀態(tài)信息，我們將這些信息轉(zhuǎn)發(fā)給路邊的設(shè)備，這些設(shè)備反過(guò)來(lái)又會(huì)實(shí)時(shí)散出（廣播）這些信息。當(dāng)真正的測(cè)試車(chē)接收到這些數(shù)據(jù)時(shí)，它的車(chē)輛控制系統(tǒng)會(huì)使用這些數(shù)據(jù)來(lái)“查看”所有的虛擬車(chē)輛。對(duì)汽車(chē)而言，這些模擬的實(shí)體與真實(shí)的東西沒(méi)有什么區(qū)別。

通過(guò)路邊的設(shè)備傳遞信息——也就是說(shuō)，用“V2I”的連接代替直接的“V2V”連接——真實(shí)車(chē)輛和虛擬車(chē)輛可以相互感應(yīng)并進(jìn)行相應(yīng)交互。同樣，真實(shí)世界和模擬世界之間的交通信號(hào)狀態(tài)也是同步的。這樣，真實(shí)的和虛擬的交通工具都可以“看到”給定的光，并判斷它是綠色還是紅色。

在真實(shí)世界和模擬世界之間傳遞的狀態(tài)信息也當(dāng)然包括車(chē)輛位置。這允許將實(shí)際的車(chē)輛映射到模擬的道路網(wǎng)絡(luò)中去，并將模擬的車(chē)輛映射到實(shí)際的道路上。實(shí)際車(chē)輛的位置由GPS坐標(biāo)（緯度、經(jīng)度和海拔）和模擬車(chē)輛的局部坐標(biāo)（x、y和z）定位。

但是這種精確的轉(zhuǎn)換并不是全部需要。GPS和地圖細(xì)微的誤差，會(huì)阻止GPS的位置出現(xiàn)在模擬道路上。GPS獲取的位置是從實(shí)際的測(cè)試車(chē)轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，然后轉(zhuǎn)換到本地的坐標(biāo)系統(tǒng)上。為此，我們使用單獨(dú)的映射算法來(lái)糾正這些錯(cuò)誤。此外，當(dāng)測(cè)試車(chē)停止時(shí)，我們必須在模擬環(huán)境中鎖定它的位置，這樣它的GPS坐標(biāo)的波動(dòng)就不會(huì)導(dǎo)致它在模擬中偏離。

無(wú)線電收發(fā)器［白色物體，頂部］從汽車(chē)中獲取數(shù)據(jù)，并返回計(jì)算機(jī)生成的虛擬數(shù)據(jù)。一個(gè)虛擬對(duì)象是一列火車(chē)。汽車(chē)剎車(chē)以避免闖紅燈的虛擬車(chē)（從上數(shù)第三）。許多交通模式可以在一個(gè)小空間中產(chǎn)生

無(wú)線通信將作為這一切的傳輸樞紐。為了確保其可靠性，我們?cè)贛city安裝了四個(gè)路邊收音機(jī)，足以覆蓋整個(gè)測(cè)試設(shè)施。DSRC無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行在5.9千兆赫波段，為我們提供了較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和非常低的延遲，在高速行駛和緊急停車(chē)時(shí)，這些裝置對(duì)安全至關(guān)重要。DSRC在日本和歐洲廣泛使用;雖然凱迪拉克目前正在為其部分車(chē)型配備DSRC設(shè)備，但它在美國(guó)還沒(méi)有獲得太多關(guān)注。

然而，我們還不確定DSRC是否會(huì)成為汽車(chē)之間交流的方式。一些人認(rèn)為，蜂窩通信（C-V2X），尤其是在即將到來(lái)的5G實(shí)現(xiàn)中，可能會(huì)提供更大范圍的低延遲。無(wú)論哪種標(biāo)準(zhǔn)勝出，我們系統(tǒng)中使用的通信協(xié)議都可以很容易地適應(yīng)它。

我們希望用于構(gòu)建系統(tǒng)的軟件框架能持續(xù)扛一段時(shí)間，至少能用幾年。我們使用PTV Vissim構(gòu)建了我們的模擬，這是一個(gè)在德國(guó)開(kāi)發(fā)的用于“微觀地”模擬交通流量的商業(yè)軟件包，即模擬每輛車(chē)的行為。

可以預(yù)期是，其他公司開(kāi)始使用我們的系統(tǒng)來(lái)測(cè)試他們自己的自動(dòng)駕駛車(chē)輛。目前，我們的一輛林肯MKZ混合動(dòng)力作為測(cè)試車(chē)，它配備了DSRC，因此可以完全連接。我們添加到汽車(chē)上的線控系統(tǒng)允許軟件控制方向盤(pán)、油門(mén)、剎車(chē)和變速器。這輛車(chē)還攜帶多部雷達(dá)、激光雷達(dá)、照相機(jī)和一個(gè)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)定位的GPS接收器，通過(guò)參考來(lái)自地面無(wú)線電臺(tái)的信號(hào)來(lái)提高分辨率。

Mcity測(cè)試車(chē)攜帶激光雷達(dá)（一種激光測(cè)距儀），既可用于圓形視野（由旋轉(zhuǎn)的屋頂塔提供），也可用于前方聚焦。雷達(dá)補(bǔ)充了這種感覺(jué)，而GPS以一種高度精確的無(wú)線電校正——使裝備更加完善。

目前，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)測(cè)試場(chǎng)景。在第一個(gè)場(chǎng)景中，系統(tǒng)生成一個(gè)虛擬火車(chē)，并將其投射到測(cè)試車(chē)所感知到的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中，此時(shí)火車(chē)正在接近Mcity的一個(gè)鐵路道口模型。關(guān)鍵是看測(cè)試車(chē)是否能及時(shí)停車(chē)，然后等待火車(chē)通過(guò)。我們還加入了其他虛擬交通工具，例如測(cè)試車(chē)之后的汽車(chē)。這些一列列的汽車(chē)——實(shí)際的和虛擬的——可以被正式安排為車(chē)隊(duì)（稱(chēng)為車(chē)隊(duì)），或者是臨時(shí)安排：也許是排隊(duì)進(jìn)入匝道的汽車(chē)。

第二個(gè)更復(fù)雜的測(cè)試場(chǎng)景涉及我們前面提到的情況——運(yùn)行紅燈。根據(jù)美國(guó)汽車(chē)協(xié)會(huì)（American Automobile Association）的數(shù)據(jù)，在美國(guó)，闖紅燈的汽車(chē)造成的死亡人數(shù)占十字路口死亡人數(shù)的四分之一以上。這個(gè)場(chǎng)景有兩個(gè)目的：觀察測(cè)試車(chē)對(duì)交通信號(hào)的反應(yīng)，以及它對(duì)闖紅燈違章行為的反應(yīng)。

我們的測(cè)試車(chē)能夠分辨出信號(hào)是紅還是綠，并據(jù)此決定是停還是走。它還應(yīng)該能夠注意到模擬的紅燈車(chē)的逼近，預(yù)測(cè)它的軌跡，并計(jì)算當(dāng)測(cè)試車(chē)穿過(guò)軌跡時(shí)，它可能在的位置。測(cè)試車(chē)應(yīng)該能夠做好所有這些事情來(lái)避免碰撞。

由于運(yùn)行模擬的計(jì)算機(jī)可以完全控制紅光流道的動(dòng)作，因此它可以在連續(xù)的實(shí)驗(yàn)迭代中生成各種各樣的測(cè)試參數(shù)。這正是計(jì)算機(jī)能比任何人類(lèi)駕駛員做得更精確的原因。當(dāng)然，整個(gè)實(shí)驗(yàn)可以在完全安全的情況下進(jìn)行。

其實(shí)還有很多這樣的邊緣情況模擬可以做。例如，我們可以使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境來(lái)評(píng)估測(cè)試車(chē)輛處理復(fù)雜駕駛情況的能力，比如從一個(gè)停車(chē)標(biāo)志向左拐到一條主要公路上。車(chē)輛需要尋找來(lái)往兩個(gè)方向的交通空隙，同時(shí)留意可能會(huì)在標(biāo)志處橫過(guò)的行人。汽車(chē)可以先在中間停車(chē)，也可以直接駛?cè)胂胍能?chē)道。這涉及到若干個(gè)階段的決策過(guò)程，所有階段都考慮到其他車(chē)輛的行動(dòng)（包括預(yù)測(cè)它們將如何對(duì)測(cè)試車(chē)的行動(dòng)作出反應(yīng)）。

另一個(gè)例子是在沒(méi)有交通信號(hào)幫助的情況下，在環(huán)形交叉路口進(jìn)行進(jìn)出或讓車(chē)的情況。在這里，測(cè)試車(chē)需要預(yù)測(cè)其他車(chē)輛的下一步，決策一個(gè)可接受的差距，用來(lái)并道，并觀察其他的車(chē)輛。我們還可以與自行車(chē)、行人和其他道路使用者（如農(nóng)用機(jī)械）一起構(gòu)建增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。此類(lèi)替代角色的可預(yù)測(cè)性越低，自動(dòng)駕駛汽車(chē)所需的智能就越多。

最后，我們希望構(gòu)建一個(gè)包含邊緣用例的大型測(cè)試場(chǎng)景庫(kù)，然后使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)測(cè)試環(huán)境重復(fù)運(yùn)行測(cè)試。我們現(xiàn)在正在建立這樣的數(shù)據(jù)庫(kù)，其中包括從實(shí)際車(chē)禍報(bào)告中搜集的數(shù)據(jù)，以及裝載傳感器的車(chē)輛觀察到的人們?cè)诓恢雷约菏菍?shí)驗(yàn)參與者的情況下是如何駕駛的。通過(guò)將不同的邊緣條件疊加一起，我們希望創(chuàng)造出對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)上運(yùn)行的軟件特別具有挑戰(zhàn)性的人工邊緣情況。

有了這樣的裝備，我們應(yīng)該能夠看到一輛特定的自動(dòng)駕駛汽車(chē)有多安全，而不必非得在有太陽(yáng)的前提下才夠膽量去開(kāi)了。