武田久美子

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​跨越鸿沟:自动驾驶实验室仿真的一次飞跃

自动驾驶(AV)技术不仅有望提高交通运输系统的整体效率,还能避免人为错误导致的事故,提升交通参与者和驾乘人员的安全性。当然,自动驾驶的飞速发展也对功能安全提出了更高的要求,不断推动着车载雷达向更灵敏、更精准的方向发展。车载雷达77GHz技术的加持,在让车辆更好地识别周围危险情况提高安全性的同时,更为汽车制造商创造了更多创新的机会。
 
在分享车载雷达的前沿发展趋势时,是德科技汽车与新能源事业部大中华区业务拓展经理祝晓悦表示,要让雷达传感器能够“看清”整个驾驶场景,做到不仅能够进行物体检测,而且能够轻松区分和辨别出较小的物体,挑战是实实在在的:没有大量的算法训练,实现高级驾驶员辅助系统(ADAS)乃至未来的自动驾驶就如同天方夜谭了。要做到这一点,需要有一种万全之策。
 
ADAS的创新需求

不可否认,我们现在只是处在自动驾驶之路的初级阶段——L2和L3级别之间,业界比较流行的做法是从ADAS向上发展,而要实现完全自动驾驶的终极目标还有很长的路要走。
 

我们在这里
 
ADAS需要有探测物体的雷达传感器(短程和远程)、用于物体识别的激光雷达,以及用来监视车辆安全的摄像头系统。在单车智能之外,还要采用V2X技术,利用车对车和车对基础设施的通信技术来扩展传感器覆盖范围,也包括使用实时高精地图。在系统集成方面,需要实现传感器融合,以整合来自不同传感器的输入信号,对做出决策的AI系统加以训练。
 

祝晓悦

是德科技汽车与新能源事业部大中华区业务拓展经理
 
祝晓悦以雷达传感器为例解释说,其采集的信息被传送给ADAS算法,后者必须学会正确解释收到的数据。如果雷达传感器所“看到”的世界过于简单或不够完整,那么它做出的决策也会有局限性。所以训练这些算法是实现ADAS功能的关键。
 

“老司机”需要时间和经验的沉淀


一名优秀的老司机往往需要时间和经验的沉淀,才能临危不乱做出正确的决策。自动驾驶技术的每一次提升都需要依靠复杂的系统,传感器、精准算法与强大处理器的结合是实现自动驾驶的关键因素。
 
祝晓悦指出,传感器可以感知周围环境,由处理器和算法做出正确的决策,并确保遵守道路交通规则。要确保新的ADAS功能安全可靠,就不能使用不成熟的系统,冒很大风险过早进行道路测试。因此需要能够仿真真实驾驶场景,对实际使用的传感器、电子控制单元(ECU)代码、人工智能(AI)逻辑等进行验证。尽早测试更多的场景能够让汽车制造商清楚地了解何时可以完成开发工作,何时可以信心满满地发布ADAS功能。
 
然而,在软件定义汽车时代,现代车辆中复杂的ADAS/AV功能的验证遇到了前所未有的挑战:无法通过纯软件仿真方式正确仿真真实世界;进行道路试验也不切实际,因为效率极低且存在潜在危险。
 
现在通常的做法是,在开发周期的早期,在实验室中开发和测试ADAS功能。通过重建复杂和极端情况、可重复的场景、范围、速度、干扰效果等,观察车辆附近的物体,避免汽车前后保险杠附近出现盲点。其关键在于让车辆具有更多意识(物体)并了解周围环境。
 

有限“视野”与全场景仿真(上);当前视图与期望视图(下)
 

挑战比比皆是


祝晓悦表示,要提升自动驾驶等级,必须攻克以下多项技术难关:
 
第一:缩小道路测试与软件仿真测试之间的差距。当前的传感器和控制模块是在具有软件在环(HIL)测试功能的仿真环境中进行测试的,尽管软件仿真很有用,但它无法完全重现现实情况以及可能出现的不完美的传感器响应。而全自动驾驶汽车必须知道如何应对这样的情况。
 
通过对原型车或合法上路车辆中集成的完整系统进行道路测试,汽车制造商能够验证最终产品的性能,然后将其推向市场。道路测试确实至关重要,也是开发过程中不可或缺的一环,但考虑到测试成本、所需时间和可重复性等一系列问题,完全依赖于道路测试已变得不切实际。采用这种方式,车辆需要经过几百年的测试才能达到足够的可靠性,万无一失地安全上路。
 
因此,在真实条件下,利用车载雷达获取的数据来训练ADAS/AV算法,帮助其做出决策,指示车辆在遇到特定行驶状况时应该做出何种响应至关重要。如果算法没有经过正确的训练,就可能会做出意外决策,危及驾乘人员或行人安全。
 
第二:现在,测试系统不是没有,但其不足之处在于:
 
  • 一些测试系统使用多个雷达目标仿真器(RTS),每个RTS都向雷达呈现多个点目标,并通过机械移动天线来仿真水平位置和垂直位置,其自动化操作延缓了整体测试速度。

  • 另一些测试方案采用只包含少数几个RTS的天线墙,目标可以出现在场景中的任何地方,却不能同时出现。在静态或准静态环境下,这种方法可以测试横向移动的少数几个目标,但会受机械臂速度的限制。

  • 现有雷达传感器测试方案的视场(FOV)也很有限,无法分辨距离小于4米的目标。在测试雷达传感器时,如果目标数量不够多,就无法反映完整驾驶场景,重现真实环境中的复杂情况。


从目标仿真到场景仿真


为了解决上述所有难题,需要进一步技术创新,即找到一种新的雷达传感器测试方法。这种方法不是通过仿真目标来进行目标探测,而是仿真完整的交通场景,并且可以在路测之前在实验室中进行测试。
 
上面提到,在测试雷达传感器时,目标数量不够多,就无法反映完整驾驶场景,重现真实环境中的复杂情况。通过在实验室中执行全场景仿真,汽车制造商能够任意组合各种可重复的复杂场景、高密度(静止或运动)目标、环境特征,尽早测试更多驾驶场景,从而显著加速ADAS/AV算法的学习进程。
 
祝晓悦介绍说,是德科技推出的一款新的雷达场景仿真器解决方案,可以让汽车制造商在实验室环境中仿真和测试与现实世界一样复杂的驾驶场景。作为是德科技自动驾驶仿真(ADE)平台的一个组件,该雷达场景仿真器由是德科技、IPG Automotive和Nordsys通过多年合作共同打造的。该解决方案践行了上述理念,为汽车制造商提供了全场景仿真,可以在实验室中仿真并测试复杂的真实场景,加快整体测试速度,推进ADAS/AV技术的发展。此外,是德科技还能够提供其他场景仿真软件的支持。
 

是德科技雷达场景仿真器
 
汽车制造商明白,自动驾驶算法不仅测试起来非常复杂,还会涉及到安全问题。是德科技的雷达场景仿真器采用全场景渲染方法,在宽广的连续视场(FOV)内仿真远处和近处的目标,使客户能够利用极其复杂的多目标场景快速测试自动驾驶系统中集成的车载雷达传感器。
 
据介绍,是德科技成功打造的解决方案在一些关键技术方面取得了突破性进展,首先是几百个专用的微型射频(RF)前端,每个前端均自带天线,8个这样的射频前端集成在一块电路板上;然后,将64块电路板呈半圆形阵列排列,构成一个可扩展的仿真屏幕——全场景仿真器,可呈现最多512个目标;还可创建宽屏幕,实现实验室的全场景仿真。随着物体越来越近,多次反射及更多的反射可以改进物体的检测和区分能力。
 

全场景仿真器
 
雷达场景仿真器的最小目标仿真距离可达1.5米,视野为水平为±70°,垂直±15°,可以涵盖受控实验室环境中强制性、常见或潜在的危险用例。
 

仿真雷达目标有多近?

汽车制造商能得到什么好处?

 
由于是德科技雷达场景仿真器采用专利技术,不是仿真单个目标而是仿真整个交通场景来进行目标探测,汽车制造商可以获得以下关键优势:
 
  • 视野更宽广:雷达场景仿真器不仅允许雷达传感器在更宽的连续视场内发现更多目标,还支持仿真近距离目标和远距离目标,以避免雷达视野遗留盲区,还能提升算法训练效果,从而高效探测和分辨密集、复杂场景中的多个目标。为此,自动驾驶汽车可以基于全局情形而不仅仅是测试设备所得到的信息来做出决策。

  • 测试复杂真实环境:在测试雷达传感器时,如果目标数量不够多,就无法反映出完整的驾驶场景,重现真实环境中的复杂情况。雷达场景仿真器允许汽车制造商在实验室内设定各种交通密度、速度、距离和目标总数,真正仿真现实驾驶场景。无论是常见情况还是极端情况,都可以提前进行测试,最大限度降低风险。


目标仿真与场景仿真对比
 
  • 加快学习速度:雷达场景仿真器为在实验室中测试复杂场景提供了一个确定性真实环境,而此前只能在道路上进行这样的场景测试。借助该仿真器所提供的测试方法,汽车制造商能够使用可重复的高密度复杂场景提前进行测试,场景包括静止目标或运动目标,还包含各种可变环境特征,从而显著提高ADAS/AD算法学习速度,避免人工测试或自动化测试的效率低下问题。

  • 高场景分辨率:汽车制造商需要测试雷达能否分辨道路上的障碍物,以便平稳、迅速地过渡到自动驾驶(即汽车工程学会(SAE)规定的L4和L5级自动驾驶)。是德科技借助点云(每个目标多个反射点)提高目标分辨率,填补了这一技术空白。

  • 锐化ADAS雷达视觉:雷达场景仿真器可以让客户看到大画面,以更宽、连续的视野(+/-70°)查看更多信息;训练算法以检测和区分多个对象,根据完整情况做出决策。

  • 持续价值:作为是德科技自主驾驶仿真平台的一部分,雷达场景仿真器可与任何第三方仿真软件一起使用,仿真所有相关车内传感器的同步输入,随着基于雷达的AD系统和测试要求的发展,继续提供价值。


一次重大的飞跃


是德科技的雷达场景仿真器以行业领先的方式缩小了软件仿真和道路测试之间的差距,消除了雷达视野中的缝隙;在实验室仿真复杂的真实驾驶场景,有助于加速ADAS/AV算法学习。
 
祝晓悦强调,是德科技的雷达场景仿真器为汽车制造商提供了一个开创性的解决方案,通过全场景渲染在实验室内就能完成道路测试。利用是德科技的雷达场景仿真器,配合使用自动驾驶仿真平台,汽车制造商及其合作伙伴将能够集中精力开发和测试ADAS/AD系统与算法,包括传感器融合和决策算法。该平台还可以与商用3D模型、硬件在环系统以及现有的测试和仿真环境相集成。
 
是德科技雷达场景仿真器意味着一次重大的飞跃,将为重视安全性的ADAS/自动驾驶系统开发者提供一个理想的解决方案,帮助他们实现新的ADAS功能,最终实现全自动驾驶的愿景。

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