自动驾驶——构建仿真系统

如何构建自动驾驶仿真系统？

仿真最主要的目的是：通过模拟真实环境和构建汽车模型，找出自动驾驶过程中可能出现的问题。那么如何构建自动驾驶仿真系统呢？目前主流的实现方式是通过游戏引擎来模拟真实环境，通过CarSim等软件构建汽车的动力学模型来实现自动驾驶仿真。下面我们先看下自动驾驶仿真系统的整体结构。

场景

首先我们关注仿真器本身，仿真器无非是模拟支持各种场景，其中场景分为：可以定义的场景和随机场景。可以定义的场景又分为：单元场景和真实场景。下面我们分别介绍下这几种场景：

• 可定义的场景: 主要是针对驾驶过程中遇到的不同情况，比如会车，超车，红绿灯，变道等，这些场景一般都比较简单，类似于单元测试，主要是测试单个场景是否能够满足要求，这一部分业界已经有规范，可以参考openscenario[1]。拿超车的场景举例子，可以创建一辆NPC车辆在本车的前面，在不同的速度和距离条件下，测试本车超车是否成功。
• 真实场景： 复现真实场景中遇到的问题，比如真实路测过程中遇到问题，需要复现当时的情况，并且验证问题是否已经解决，可以回放真实场景的数据来进行测试。
• 随机场景： 这种场景类似于路测，模拟真实环境中的地图，并且随机生成NPC，天气，交通情况等，模拟汽车在虚拟的环境中进行路测，由于可以大规模部署，可以快速的发现问题。

我们可以看到不管是哪个场景，都是"地图+车+行为"的模式，场景的需求复杂多变，因此能够灵活的加载地图，车和行为就成为仿真器易用性的关键。

我们的需求是能够根据不同的要求创建不同的场景，动态的添加地图，车和行为。场景生成器是一个框架，支持通过不同的配置，动态创建不同的场景，来满足我们的要求。除了场景生成器，我们还需要仿真器具备以下几个基本功能：

• 复位 - 在故障发生之后，我们能够复位环境和车辆到初始状态，同时也要求我们能够复位对应的自动驾驶系统。这样再每次故障后，可以不用人工操作，而自动恢复测试。
• 快照 - 能够生成对应帧的信息，保存快照的好处是能够恢复事故现场，同时也可以用于自动驾驶数据集的建设。保存的点云和图片有groundtruth，可以作为机器学习的输入来训练模型。
• 回放 - 回放功能主要是用于故障定位，在发生碰撞之后，回放信息用于定位问题。
• 统计 - 统计主要是用于作为benchmark，来衡量系统的稳定性。

有了这些基础功能还不够，我们还需要关心具体的场景，下面我们分别对地图、车以及行为来详细描述需要实现的具体功能

地图

地图是场景中第一个需要考虑的，地图包括2部分，其中一部分是游戏中的模型，另外一部分是这些模型的高精度地图。换一种说法就是，首先我们需要在游戏中构建一个1:1的虚拟世界，然后再绘制出这个世界的高精度地图。其实游戏中的模型是游戏引擎的需求，游戏引擎是根据模型来渲染游戏画面的，没有模型也就渲染不出地图。而高精度地图是自动驾驶系统所需要的，高精度地图可以采用根据现场绘制的地图，也可以先得到游戏模型，然后在模型中绘制。下面是游戏中的地图和高精度地图的对应关系。

真实场景地图生成

游戏地图制作

• 单个模型制作 - 单个模型包括地图中的建筑物、道路、树木、信号灯、交通牌、以及其他的信息。这些信息如果是要完全模拟真实环境，需要大量的材质和贴图，一般是在maya和3d-max等软件中建模，然后再导入模型到游戏引擎中使用。
• 地图布局 - 有了单个模型，当需要把单个模型组合成地图的时候，首先需要解决的是道路的位置信息，比如这个道路有多长，道路的曲率是多少？比较简单点的方法是直接导入2维地图（百度，高德，OSM），然后对照着2维地图放模型，最后生成整个地图的布局。而实际的问题是2维地图的精度往往达不到要求，国内的地图还加入了GPS偏置，所以生成的地图布局必定会不太准确。

高精度地图制作

• 根据模型生成地图 - 接着上面的地图布局来讲，虽然得到的地图布局不准确，但是我们再根据游戏中的模型布局，绘制出高精度地图，然后把这个高精度地图给自动驾驶系统使用，基本上也能满足我们的要求。
• 根据地图生成模型 - 上述的问题就是游戏中的真实位置和实际道路的位置有轻微的误差。要解决上面的问题，我们可以反其道而行之，先生成高精度地图，即根据真实环境先绘制出高精度地图，然后再把高精度地图导入游戏引擎，动态的生成模型，这个方案的好处是地图100%是真实场景，而且不需要在游戏引擎中重新绘制高精度地图，坏处是建筑的模型无法生成。

关于真实场景的地图生成，目前还没有一个比较完美的解决方案，都需要大量的工作。下面我们再看下虚拟场景的地图生成。

虚拟场景地图生成

虚拟场景的道路生成就比较简单，主要的应用场景是一些园区，或者一些测试场景。这一部分完全可以制作一个地图编辑器，类似游戏中的地图编辑器，玩家可以根据自己的需求创建游戏中的地图，然后再由脚本动态的生成高精度地图。这部分的功能主要是对标Carsim等仿真软件的地图编辑功能。
地图编辑器：

说完了地图，接下来看下车。

车

车主要分为2部分：车的动力学模型，以及传感器。接下来我们详细分析下这2部分：

• 车的动力学模型 - 这一部分是传统仿真软件的强项，由于应用已经非常成熟，游戏中的汽车动力学模型都比较简单，由于CarSim等软件没有开源，所以目前短期内一个比较好的解决方案是，仿真器提供API接口，调用CarSim和Simulink等软件的动力学模型，实现对汽车的模拟。
• 传感器 - 传感器主要是GPS、IMU、LIDAR、RADAR、CAMERA等，涉及到传感器的位置，校准参数等。当然这一部分也可以仿真传感器视野范围(FOV)，也可以仿真传感器的校准算法。

行为

现在我们加载了地图，车辆，接着我们需要定义一些行为来模拟真实世界。

NPC

npc包括行人和车辆。

• 行人 - 目前主要是模拟行人过马路，以及在路边行走，以及更加复杂的场景，例如下雨天打伞的行人，对于这些异常场景，感知模块不一定能够正常识别。
• 车辆 - 车辆的行为可以由一些简单的行为来模拟复杂的行为，例如停车，变道，加速，减速，来组合出超车，会车等复杂行为。也可以通过模拟真实情况的交通流数据，来模拟整个行为。前一种测试的行为比较成熟，后一种需要根据实际的情况提取出行为，再加入补全信息，才能够正常工作。

天气

天气主要是影响传感器的感知，最主要的就是摄像头。对LIDAR的影响由于目前没有阅读相关平台是否有加入噪声，这里就先不展开了。

• 天气 - 雨、雪、雾、云层 调整不同的比率来模拟不同的天气情况对传感器的影响，云层主要是会影响光照变化，多云投射的阴影对车道线识别等会有影响。
• 时间 - 白天和夜晚不同光照场景下对传感器的影响。

红绿灯

这一部分可以归纳为交通信号的行为，其中分为:

• 有保护的红绿灯 - 各大城市是最普遍的，即有箭头的红绿灯，根据对应车道的红绿灯直行或者拐弯。
• 无保护的红绿灯 - 即圆形的红绿灯，对面可以直线的同时，你可以拐弯，需要注意对面直行的车辆，选择让车之后再拐弯。
• 无红绿灯 - 这种常见于郊区路口，需要判断有没有车辆经过而让行或者停止，然后再通过路口。

关于仿真器就介绍完毕了，那么我们如何控制仿真器来实现这些呢？

API

目前主要是通过python API的方式来控制仿真器加载模型，控制仿真器的行为。好处是不用图形界面手工操作，可以实现自动化部署。API的主要是根据上述所说仿真器的功能实现统一的接口，实现交互。

部署

为了提高测试效率，我们还需要大规模部署，一个比较好的方式是通过容器化的方式部署。针对于多台机器，一个显而易见的需求就是创建一个管理平台来实现对仿真器的管理。容器部署平台可以监控对应仿真器的状态，并且提供可视化的配置界面，生成和部署不同的场景。

• 监控 - 可以监控仿真器的监控状态，显示正常和有问题的集群，保存日志，维护集群的稳定。
• 可视化 - 首先是配置可视化，可以方便的选择不同的配置（不同的地图，车，行为）来生成不同的场景，其次是通过可视化反馈仿真结果，屏蔽仿真集群的细节，使用起来更加直观方便。

自动驾驶部署集群：

总结

最后根据功能划分，我们可以单独仿真自动驾驶系统的规划控制模块，也可以单独仿真感知模块，可以仿真传感器校准，也可以端到端的仿真所有模块。可以仿真单个受限的场景，也可以仿真整个地图。总之，仿真系统需要提供灵活的场景生成框架，统一的API接口，以及大规模部署的能力。