2.3　汽车自动驾驶仿真测试的关键技术

汽车自动驾驶仿真测试是一项相对较新，涉及自动驾驶、模拟仿真和测试评价等诸多领域的技术，具有典型的多学科和跨领域特征，而仿真场景的构建、环境传感器建模及仿真测试评价等都是其关键技术。

汽车自动驾驶模拟仿真技术是精确物理建模、高效数值仿真、高逼真图像渲染等方法的集成，需要逼真地构建包括车辆、道路、天气和光照、交通等在内的人车环境模型，以及各类车载传感器模型。针对汽车行驶环境无限丰富的特征，以及对车载环境传感器的复杂影响，综合运用几何、物理、图像及概率等多种映射方式构建具有不同属性、满足不同应用需求的高逼真度数字化场景及场景库，如图2-7所示。

针对汽车自动驾驶技术与产品的测试特点，一方面，道路交通事故往往发生在一些边缘或极端行驶工况，属小概率事件。而对小概率事件的测试往往需要巨大的数据样本或很长的测试周期，更何况事故本身的危险性和难以复制性，使得道路测试既不安全，也不现实。另一方面，借助模拟仿真方法与工具，可自动构建并生成各种内容丰富、逼真、数量巨大的虚拟场景，自动创建各种典型驾驶工况、极限或边缘行驶环境，创建满足DO-178C、ASIL和ISO 26262、SOTIF等在内的各种测试标准、规范及测试需求的测试用例，实现汽车自动驾驶全天候、全工况的自动化测试、验证和评价，体现了比实际道路或场地测试更为明显的安全和效率优势。

汽车自动驾驶仿真测试涉及的关键技术主要包括以下内容。

2.3.1　汽车行驶环境模拟技术

汽车行驶环境十分复杂，包括道路、交通、天气和光照等复杂成分，广泛地涉及物理世界中声、光、电、热等物理现象，以及包括温度、湿度、气压、雨雪雾等在内的大气现象。行驶环境不仅是影响汽车行驶安全和性能的关键因素，也是影响车载环境传感器对环境检测和感知的关键因素。环境模拟不仅涉及范围广，而且对车载环境传感感知的影响机理也极其复杂，具有高度的随机特征和不确定性等。

汽车行驶环境无限丰富，极其复杂，不可穷举，测试场景则是对行驶环境的有限映射。测试场景从属性上可分为自然驾驶场景、标准规范场景、危险极限场景等不同类别；从组成上一般又包括道路及道路结构（路型、路面、路网等）、交通参与物（车辆、行人、自行车等）、行驶场合（高速公路、城市、乡村等）。

危险极限场景有别于自然驾驶的正常性和典型性，是影响驾驶安全的重要因素，也是仿真测试的重要测试手段，体现了仿真场景在加速测试或压力测试方面的独特优势。危险极限场景一般包括恶劣天气环境、复杂道路状况、无序交通条件、典型交通事故等，通常由不良天气光照条件、复杂地理地形、交通混乱拥堵、路面缺陷、障碍物、驾驶员的不当操作等引起。

汽车虚拟行驶环境或仿真场景，一般可通过对真实行驶环境的数字化离散采样，叠加包括随机移动、翻转、扭曲、遮挡等人为随机干预，结合3D可视化处理等方法构建。另外，仿真场景也可基于计算机图形学方法，从不同维度的映射构建而成，即根据环境传感器的感知特性从几何特征、物理特征、图像特征和概率特征等不同维度抽象构建场景，完成对行驶环境的抽象过程，包括道路模型或地图导入、场景渲染、交通建模、天气与光照建模等。场景构建不仅是构建类似真实道路影响被测车辆运动的道路、交通和气象等因素，包括前后车的加速、急转弯、不当切入、急停等，也是车辆避障策略设计或自动驾驶模型训练的重要数据样本来源。

仿真场景同其他测试场景一样，其质量决定仿真测试的效果，其适用性决定仿真测试的效率等。仿真场景的质量可从以下几个维度评价：① 场景的逼真度或真实性；② 场景的覆盖度或完整性；③ 场景的复杂度或无序性；④ 场景的危险度或边缘性。场景的适用性主要指场景与被测对象或被测内容的关联度、针对性及对不同被测对象或内容测试的泛化能力。

2.3.2　环境传感器建模技术

汽车自动驾驶系统常用的环境传感感知设备包括各类相机及雷达、定位和无线通信设备等，包括基于几何与物理建模和图像模拟混合建模方法的相机模型，以支持对车载相机、视觉成像和图像处理等的模拟和仿真；包括考虑雷达电磁波发射、传播、反射和接收机理，考虑复杂天气、地表杂波和干扰等环境因素，目标散射面积（RCS）等对功率衰减和检测误差影响机理的雷达建模方法，以及支持定位导航的GPS建模和支持车车通信的车载无线通信信道建模方法等。

场景的“视觉”是环境传感器或环境传感感知与融合系统。环境传感器一般包括检测单元和信号处理单元等。前者一般输出未经处理的原始信号（Raw Signal），如雷达的扫描反射线、相机的像素信号等；而后者则是经过传感器信号处理单元处理的检测信号（Processed Signal），包括目标聚类与跟踪、图像畸变校正与去马赛克等，如图2-8所示。

2.3.3　车辆动力学建模技术

精确且高效的车辆动力学建模是汽车自动驾驶仿真测试的重要基础，包括汽车底盘（制动系统、转向系统和悬架系统）和动力总成（发动机、变速箱、离合器、差分器等）建模、轮胎建模等。此外，驾驶模拟器还包括方向盘力感模拟和驾驶动感模拟等，以支持汽车自动驾驶在各种行驶工况下的运动轨迹跟随、安全避撞，以及动力性、舒适性和操纵稳定性等的模拟仿真。

2.3.4　一体化模拟仿真技术

汽车，特别是现代智能汽车技术及产品的研发涉及概念设计和定义、系统设计与分解、软硬件设计与开发、系统集成、测试与验证等诸多环节，而不同环节又有着不同的技术需求。传统的模拟仿真技术往往建立在不同的仿真平台上，存在时钟不同步、数据不兼容、界面不统一，以及虚拟仿真与道路测试脱节等问题。建立一体化模拟仿真平台即是实现从离线到实时、从软件模拟到硬件在环、从虚拟仿真到实车测试，以及包含人车环境在内的无缝工具链和数据链，形成支持汽车自动驾驶技术与产品研发不同阶段、不同环节和不同需求下的分析、设计、研究、测试、验证和评价等一体化仿真流程与平台。