交通場(chǎng)景仿真軟件

ErgoSIM是一個(gè)全面的交通場(chǎng)景仿真軟件套件，專(zhuān)門(mén)用于汽車(chē)和運(yùn)輸仿真，解決ADAS，自動(dòng)駕駛車(chē)輛，HMI和前燈使用案例的測(cè)試和駕駛問(wèn)題。

ErgoSIM提供構(gòu)建超逼真虛擬世界所需的所有工具和模型：道路環(huán)境，車(chē)輛動(dòng)力學(xué)，交通，傳感器，真實(shí)或虛擬駕駛員（自動(dòng)駕駛），車(chē)前燈，天氣狀況和場(chǎng)景腳本。

它不是一個(gè)“黑匣子"工具，而是一個(gè)真正的科研實(shí)驗(yàn)的模塊化仿真平臺(tái)，靈活，可擴(kuò)展和開(kāi)放，滿(mǎn)足研究人員和工程師的需求。它的多功能性使得整個(gè)設(shè)置成為可能：驅(qū)動(dòng)模擬器Simulator，模型在環(huán)MIL，軟件在環(huán)SIL，硬件在環(huán)HIL。

1.      系統(tǒng)方案

ErgoSIM駕駛模擬與交通場(chǎng)景編輯平臺(tái)提供了基于物理的三維場(chǎng)景建模、基于語(yǔ)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(kāi)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(hù)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(lái)往的車(chē)輛，行人和交通指示燈；

3)      可以根據(jù)客戶(hù)需求，自行設(shè)定主動(dòng)駕駛（或算法控制車(chē)輛）的車(chē)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(chē)—路"在環(huán)仿真測(cè)試，該平臺(tái)還提供了開(kāi)放的接口，可以與實(shí)物傳感器、VR設(shè)備、控制器、各類(lèi)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)縫的聯(lián)入，從而更好的滿(mǎn)足不同級(jí)別、不同目標(biāo)的測(cè)試仿真要求。

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

ErgoSIM駕駛模擬與交通場(chǎng)景編輯平臺(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(xiàn)等設(shè)計(jì)能力，支持道路寬度、長(zhǎng)度、半徑、方向、車(chē)道數(shù)量、車(chē)道方向、車(chē)道限速、車(chē)道類(lèi)型等的編輯。

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(chē)道線(xiàn)的自定義化建模，包括單線(xiàn)、雙線(xiàn)、實(shí)線(xiàn)、虛線(xiàn)、車(chē)道線(xiàn)紋理、顏色等一系列車(chē)道線(xiàn)類(lèi)型。同時(shí)，軟件集成豐富的環(huán)境模型庫(kù)，如樹(shù)木、建筑物、交通標(biāo)識(shí)、路燈、電線(xiàn)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(hù)需求對(duì)道路場(chǎng)景進(jìn)行快速建模。

除了自定義場(chǎng)景外，ErgoSIM駕駛模擬與交通場(chǎng)景編輯平臺(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。

2.2.自定義交通場(chǎng)景

ErgoSIM駕駛模擬與交通場(chǎng)景編輯平臺(tái)還提供了快捷的基于語(yǔ)義的道路交通流設(shè)計(jì)，包括車(chē)道行駛規(guī)則、車(chē)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(chē)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(chē)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(yǔ)言定義，同時(shí)也支持如Python，C++等語(yǔ)言的接口控制來(lái)定義交通行為。如下圖所示，為通過(guò)語(yǔ)義級(jí)的腳本語(yǔ)言來(lái)定義車(chē)輛和行人等交通對(duì)象的行為。

2.3.構(gòu)建車(chē)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，ErgoSIM駕駛模擬與交通場(chǎng)景編輯平臺(tái)同樣提供了基于總成特性的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，并提供了以下性能參數(shù)的配置：

Ø 底盤(pán)參數(shù)，如長(zhǎng)寬高、軸間距、重量等；

Ø 性能參數(shù)，如大時(shí)速、引擎轉(zhuǎn)速等；

Ø 轉(zhuǎn)向參數(shù)；

Ø 輪轂參數(shù)；

Ø ……

同時(shí)，軟件還提供了各類(lèi)特性參數(shù)的預(yù)定義實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，方便用戶(hù)對(duì)所定義車(chē)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：

Ø 加速特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

Ø 剎車(chē)特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

Ø 轉(zhuǎn)彎特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

Ø 方向盤(pán)特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

Ø 側(cè)風(fēng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

Ø 障礙物和轉(zhuǎn)彎實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

Ø ……

ErgoSIM駕駛模擬與交通場(chǎng)景編輯平臺(tái)還支持外部車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型的導(dǎo)入和集成，如CarSim車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，以及用戶(hù)自研的車(chē)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(wú)人車(chē)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(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型的建模能力外，ErgoSIM駕駛模擬與交通場(chǎng)景編輯平臺(tái)的大特點(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(wú)人車(chē)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(lái)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，ErgoSIM駕駛模擬與交通場(chǎng)景編輯平臺(tái)會(huì)通過(guò)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(lái)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：

Ø 天空的照度值；

Ø 基于經(jīng)緯度的太陽(yáng)光的照度和位置定義；

Ø 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）；

Ø 車(chē)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(chē)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(guò)導(dǎo)入相關(guān)定義文件，如下圖所示：

如前述所講，材料表面光學(xué)屬性通過(guò)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的一套OMS材料物理光學(xué)屬性BRDF測(cè)量?jī)x硬件設(shè)備，對(duì)用戶(hù)所需仿真的場(chǎng)景材料庫(kù)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)駕駛模擬與交通場(chǎng)景編輯平臺(tái)還提供豐富的材料庫(kù)供客戶(hù)場(chǎng)景建模使用。

2.6.實(shí)時(shí)閉環(huán)仿真系統(tǒng)

如前述通過(guò)對(duì)環(huán)境、場(chǎng)景、交通流的建模構(gòu)造出無(wú)人車(chē)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(guò)開(kāi)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。

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(chē)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)。ErgoSIM自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)Headlamp模塊通過(guò)*的物理級(jí)仿真引擎，為客戶(hù)提供真實(shí)的車(chē)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(guò)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(chē)燈光源，自然光光源，路燈光源等。定義方式包含如：

Ø 光源光強(qiáng)分布IES文件；

Ø 光源光譜spectrum文件；

Ø 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(chē)燈光源的IES定義文件。

基于環(huán)境和光源的物理仿真，可以實(shí)現(xiàn)車(chē)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(xiàn)，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)。

除了靜態(tài)光型分布驗(yàn)證， Headlamp開(kāi)放的如C++，SCADE，Simulink的光型數(shù)據(jù)接口支持客戶(hù)自定義化的智能頭燈開(kāi)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(hù)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。

歐洲2.0旨在滿(mǎn)足場(chǎng)景密度要求，同時(shí)通過(guò)利用SCANeR™工作室的新磁貼系統(tǒng)管理，可以創(chuàng)建有效的場(chǎng)景控制。由于其大尺寸和地形多樣性，歐洲2.0提供了許多機(jī)會(huì)。使用歐洲2.0，您將能夠使用各種實(shí)驗(yàn)（ADAS的開(kāi)發(fā)，管理事件的研究等），以便在許多移動(dòng)車(chē)輛上快速和長(zhǎng)時(shí)間駕駛：公路，高速公路，山脈（雪，曲線(xiàn)和銀行） ，城市，休息區(qū)等

由于即將推出的新“化"功能，客戶(hù)可以自動(dòng)將標(biāo)志和道路標(biāo)記更改為其他國(guó)家/地區(qū)（DE / US / MX）。

使用ANSYS VRX的Terrain模式可以輕松導(dǎo)入GIS數(shù)據(jù)。

AVSimulation與ANSYS之間的戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系通過(guò)虛擬測(cè)試加速了自動(dòng)駕駛汽車(chē)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，可在一周內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)百萬(wàn)英里的數(shù)字道路測(cè)試。

此次合作將AVSimulation的革命性仿真技術(shù)與ANSYS的沉浸式自動(dòng)駕駛模擬解決方案相結(jié)合，大大加速了自動(dòng)駕駛汽車(chē)向汽車(chē)制造商推向市場(chǎng)的道路。

作為其駕駛模擬器模塊嵌入在ANSYS VRXPERIENCE中，AVSimulation經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的SCANeR™Studio產(chǎn)品是一個(gè)開(kāi)放且可擴(kuò)展的模塊化仿真解決方案，可創(chuàng)建超逼真的虛擬世界，使用戶(hù)能夠模擬數(shù)千種高性能集群或多種可變性的駕駛場(chǎng)景。公共云，例如Microsoft Azure。SCANeR™融合了高清地圖和資產(chǎn)圖書(shū)館生成的道路，交通狀況，天氣狀況，車(chē)輛動(dòng)力學(xué)等。

“通過(guò)這種合作伙伴關(guān)系，AVSimulation和ANSYS提供了驚人的廣度和深度的技術(shù)，使汽車(chē)制造商能夠大幅降低開(kāi)發(fā)成本，加快向客戶(hù)交付自動(dòng)車(chē)輛"，ANSYS系統(tǒng)業(yè)務(wù)部副總裁兼總經(jīng)理Eric Bantegnie說(shuō)。

文獻(xiàn)參考如下：

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Informal Rules for Autonomous Vehicles in Scaner™
Proceedings of the DSC Europe Conference 2009

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SCANeR : an effective vehicle simulation tool for training and research
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Utilisation de SCANeR pour la validation de systèmes d’aides à la conduite
Actes de conférence de la Journée Spécialisée de l’INRETS : Simulation de la conduite automo-bile : validité dans une problématique de recherche, Actes n°42, Déc. 1994, pp.84-95

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A Cooperative Driving Simulator
Proceedings of the International Training and Equipment Conference, London, May 1993, pp.67-71