自动驾驶仿真蓝皮书2019修改版_现有的仿真测试软件现状

第4章现有的仿真测试软件现状

4.1典型自动驾驶仿真软件分类与发展变化情况

随着ADAS和自动驾驶的发展，仿真软件也经历了几个发展阶段。早期的仿真软件主要关注点在车辆本身，主要是动力学仿真为主，用来在车辆开发的过程中对整车的动力，稳定性，制动等进行仿真，如CarSim。伴随着各种ADAS功能的开发， 供简单道路环境，可编辑的对手车，行人，和简单完美传感器模型的辅助ADAS开发的仿真软件开始出现，比如Prescan。这时候的仿真软件一般都运行在单机，主要关注功能的验证，并不对场景和传感器的真实程度有太高的要求。随着以Waymo为代表的一系列目标为L4级别自动驾驶的初创公司的成立和取得突破性进展，尤其是以Waymo自建的Carcraft仿真环境在补充实际路测中取得的重要作用日益被大家认识到，出现了一批以使用高精地图，真实数据回放，以至于使用游戏引擎进行高真实感虚拟环境重建的仿真平台，既有各种初创公司的商业化产品，也有大的自动驾驶公司的内建平台，传统的从事动力学仿真和ADAS仿真测试工具链的公司也通过合作，收购，自研的方式构建更加符合未来自动驾驶对大量真实场景，大规模并行案例测试的需要。

现在的自动驾驶仿真系统的构成已经很复杂，各个仿真软件都有各自的优势和研发的重点，搭建一个完整的仿真系统也越来越需要多个软件互相之间的配合。典型的自动驾驶仿真平台要包括：

1)根据真实路网或高精地图搭建或生成大规模虚拟场景的道路环境模块

2)根据实际路侧数据，或者是参数化交通模型生成测试场景的交通模块

3)仿真各种传感器，包括摄像头，激光雷达，毫米波雷达，GPS，超声波雷

达，IMU的模块，既可以 供原始数据，也可以 供真值。

4)车辆动力学模型，可以根据ADAS或者自动驾驶系统的输入，结合路面特性

对车辆本身进行仿真，完成闭环的测试。

5)分布式案例存储和运行平台，可以通过添加硬件的方式大幅 高自动驾驶

测试的里程数。

6)对接ADAS和自动驾驶系统的丰富的接口，以及和ECU，传感器进行HIL

测试的设备。

4.2典型自动驾驶仿真软件介绍

这里会对典型的自动驾驶仿真软件进行介绍，既包括传统的动力学仿真软

件，也包括较新的来自于国内外初创公司的仿真产品，还有相关的用作交通仿真

的商业软件。

4.2.1CarSim

CarSim,还有相关的TruckSim和BikeSim是MechanicalSimulation公司开发的强大的动力学仿真软件，被世界各国的主机厂和供应商所广泛使用。CarSim针对四轮汽车，轻型卡车，TruckSim针对多轴和双轮胎的卡车，BikeSim针对两轮摩托车。CarSim是一款整车动力学仿真软件，主要从整车角度进行仿真，它内建了相当数量的车辆数学模型，并且这些模型都有丰富的经验参数，用户可以快速使用，免去了繁杂的建模和调参的过程。CarSim模型在计算机上运行的速度可以比实时快10倍，可以仿真车辆对驾驶员控制，3D路面及空气动力学输入的响应，模拟结果高度逼近真实车辆，主要用来预测和仿真汽车整车的操纵稳定性、制动性、平顺性、动力性和经济性。CarSim自带标准的Matlab/Simulink接口，可以方便的与Matlab/Simulink进行联合仿真，用于控制算法的开发，同时在仿真时可以产生大量数据结果用于后续使用Matlab或者Excel进行分析或可视化。CarSim同时 供了RT版本，可以支持主流的HIL测试系统，如dSpace和NI的系统，方便的联合进行HIL仿真。

图4-1CarSim的运行界面

CarSim也有ADAS相关功能的支持，可以构建参数化的道路模型，200个以上的运动的交通物体，使用脚本或者通过Simulink外部控制它们的运动，同时添加最多99个传感器，对运动和静止的物体进行检测。最近的CarSim版本在ADAS和自动驾驶开发方面进行了加强，添加了更多的3D资源，如交通标识牌，行人等，以及高精地图的导入流程。同时CarSim也 供了一个Unreal引擎插件，可以和

Unreal引擎进行联合仿真。

4.2.2CarMaker

Carmaker，还有相关的TruckMaker和MotorcycleMaker是德国IPG公司推出的动力学，ADAS和自动驾驶仿真软件。Carmaker首先是一个优秀的动力学仿真软件， 供了精准的车辆本体模型（发动机、底盘、悬架、传动、转向等），除此之外，Carmaker还打造了包括车辆，驾驶员，道路，交通环境的闭环仿真系统。

IPGRoad：可以模拟多车道、十字路口等多种形式的道路，并可通过配置GUI生成锥形、圆柱形等形式的路障。可对道路的几何形状以及路面状况(不平度、粗糙度)进行任意定义。

IPGTraffic：是交通环境模拟工具， 供丰富的交通对象(车辆、行人、路标、交通灯、道路施工建筑等)模型。可实现对真实交通环境的仿真。测试车辆可识别交通对象并由此进行动作触发(如限速标志可触发车辆进行相应的减速动作)。

IPGDriver：先进的、可自学习的驾驶员模型。可控制在各种行驶工况下的车辆，实现诸如上坡起步、入库泊车以及甩尾反打方向盘等操作。并能适应车辆的

动力特性(驱动形式、变速箱类型等)、道路摩擦系数、风速、交通环境状况，调

整驾驶策略。

CarMaker作为平台软件，可以与很多第三方软件进行集成，如ADAMS、AVL Cruise、rFpro等，可利用各软件的优势进行联合仿真。同时CarMaker配套的硬件， 供了大量的板卡接口，可以方便的与ECU或者传感器进行HIL测试。

图4-2Carmaker正在运行仿真测试

4.2.3PreScan

PreScan是由TassInternational研发的一款ADAS测试仿真软件，2017年8月被西门子收购。PreScan是一个模拟平台，由基于GUI的、用于定义场景的预处理器和用于执行场景的运行环境构成。工程师用于创建和测试算法的主要界面包括MATLAB 和Simulink。PreScan可用于从基于模型的控制器设计(MIL)到利用软件在环(SIL)和硬件在环(HIL)系统进行的实时测试等应用。PreScan可在开环、闭环以及离线和在线模式下运行。它是一种开放型软件平台，其灵活的界面可连接至第三方的汽车动力学模型（例如：CarSIM和dSPACEASM）和第三方的HIL模拟器/硬件（例如：ETAS、dSPACE和Vector）。Prescan由多个模块组成，使用起来主要分为四个步骤:搭建场景、添加传感器、添加控制系统、运行仿真。

场景搭建:PreScan 供一个强大的图形编辑器，用户可以使用道路分段，包括交通标牌，树木和建筑物的基础组件库，包括机动车，自行车和行人的交通参与者库，修改天气条件（如雨，雪和雾）以及光源（如太阳光，大灯和路灯）来构建丰富的仿真场景。新版的PreScan也支持导入OpenDrive格式的高精地图，用来建立更加真实的场景。

添加传感器:PreScan支持种类丰富的传感器，包括理想传感器，V2X传感器，激光雷达，毫米波雷达，超声波雷达，单目和双目相机，鱼眼相机等。用户可以

根据自己的许要进行添加。

添加控制系统:可以通过MATLAB/Simulink建立控制模型，也可以和第三方动力学仿真模型（如CarSim，VI-Grade,dSpaceASM的车辆动力学模型）进行闭环控制。

运行实验:3D可视化查看器允许用户分析实验的结果，同时可以 供图片和动画生成功能。此外，使用ControlDesk和LabView的界面可以用来自动运行实验批次的场景以及运行硬件在环模拟。

图4-3Prescan的仿真流程

4.2.4PTVVissim

Vissim是德国PTV公司 供的一款世界领先的微观交通流仿真软件。Vissim 可以方便的构建各种复杂的交通环境，包括高速公路，大型环岛，停车场等，也可以在一个仿真场景中模拟包括机动车，卡车，有轨交通和行人的交互行为。它是专业的规划和评价城市和郊区交通设施的有效工具，也可以用来仿真局部紧急情况交通的影响，大量行人的疏散等。Vissim的仿真可以达到很高的精度，包括微观的个体跟驰行为和变道行为，以及群体的合作和冲突。Vissim内置了多种分析手段，既能获得不同情况下的多种具体数据结果，也可以从高质量的三维可视化引擎获得直观的理解。无人驾驶算法也可以通过接入Vissim的方式使用模拟的高动态交通环境进行仿真测试。

图4-4Vissim的环岛仿真

4.2.5SUMO

SUMO是由德国国家宇航中心开发的开源微观连续交通流仿真软件。它附带了一个交通仿真路网编辑器，可以通过交互式编辑的方式添加道路，编辑车道的连接关系，处理路口区域，编辑信号灯时序等。也可以通过一个单独的转化程序转换来自Vissim，OpenStreetMap，OpenDrive的路网。可以通过编辑路由文件的方式指定每辆车辆的路由，或者使用参数随机生成。在运行时，可以同时处理数平方公里，多达几万辆的车辆的连续交通仿真需求，同时也 供了一个基于OpenGL的可视化端实时显示交通仿真的结果。另外，SUMO还 供了方便的C++和Matlab接口，可以灵活的与第三方仿真程序联合运行。SUMO本身是做为交通领域流量，时序，预测等仿真来使用的，最近逐渐开始应用在无人驾驶的仿真上，为无

人驾驶算法 供随机的复杂动态环境。

图4-5SUMO连续交通流仿真的可视化界面

4.2.6VIRESVTD

VTD（VirtualTestDrive）是德国VIRES公司开发的一套用于ADAS，主动安全和自动驾驶的完整模块化仿真工具链。VIRES已经于2017年被MSC软件集团收购。VTD目前运行于Linux平台，它的功能覆盖了道路环境建模、交通场景建模、天气和环境模拟、简单和物理真实的传感器仿真、场景仿真管理以及高精度的实时画面渲染等。可以支持从SIL到HIL和VIL的全周期开发流程，开放式的模块式框架可以方便的与第三方的工具和插件联合仿真。VIRES也是广泛应用的自动驾驶仿真开放格式OpenDrive,OpenCRG和OpenScenario的主要贡献者，VTD的功能和存储也依托于这些开放格式。VTD的仿真流程主要由路网搭建，动态场景配置，仿真运行三个步骤组成。

1)VTD 供了图形化的交互式路网编辑器RoadNetworkEditor(ROD)，在使用各

种交通元素构建包含多类型车道复杂道路仿真环境的同时，可以同步生成OpenDrive高精地图。

2)在动态场景的建立上，VTD 供了图形化的交互式场景编辑器Scenario

Editor， 供了在OpenDrive基础上添加用户自定义行为控制的交通体，或

者是 区域连续运行的交通流。

3)无论是SIL，还是HIL，无论是实时还是非实时的仿真，无论是单机还是

高性能计算的环境，VTD都 供了相应的解决方案。VTD运行时可模拟

实时高质量的光影效果及路面反光、车身渲染、雨雪雾天气渲染、传感器

成像渲染、大灯光视觉效果等。

图4-6VTD的场景编辑器

4.2.7rFpro

rFpro是一家英国公司，成立于2008年，一开始作为一个F1车队内部的赛道重建和仿真模拟项目，这也决定了它一开始就对仿真的速度，实时性和精度有较高的要求。rFPro使用高精度的相位法激光雷达扫 数据路面和路肩，可以生成分辨率为1cm的高精度路面数字模型，同时使用TOF激光雷达扫 路侧的街道和场景，通过这种方式可以为动力学仿真，ADAS，自动驾驶测试 供和真实环境高度匹配的虚拟场景。rFpro使用这种方法创建了众多赛道和测试场景的高精度虚拟场景，包括F1，NASCAR,IndyCar等。

在动态场景仿真方面，rFpro可以接入SUMO或者Vissim，用它们生成连续的交通流来填充整个场景，也可以与Carmaker联合仿真，为Carmaker的测试场景 供更真实的传感器和路面输入。rFpro也 供了基于物理真实的光照和天气系统，可以有效的模拟天光的变化和雨、雾等天气。

图4-7rFpro使用Lidar扫 技术高精度重建的场景

4.2.8Cognata

Cognata是一家成立于2016年的以色列的自动驾驶仿真初创公司，在2018年底完成了1850万美元的B轮融资。Cognata利用人工智能、深度学习和计算机视觉的结合，在其3D模拟平台上重现了城市，为客户 供各种模拟现实世界测试驾驶的

测试场景。

Cognata的技术主要分为三个方面，在静态环境方面，Cognata的TrueLife3D Mesh引擎使用计算机视觉和深度学习算法，根据地图和卫星图像自动生成包括建筑物，道路，车道标识，交通标志的虚拟仿真环境。在动态仿真方面，Cognata

根据街道历史流量数据建立精确和可扩展的交通仿真模型和天气光照模型，模拟了真实环境下各种车辆和行人。整个的虚拟仿真引擎结合了静态和动态的仿真模型，模拟了传感器与模拟环境中各种变化的相互作用，为待测试的自动驾驶系统 供了完整的反馈回路。

Cognata的仿真技术由NVIDIADGXStation 供支持，2019年3月，Cognata宣布和NVIDIA建立合作关系，在NVIDIA的平台上利用其强大的计算能力在虚拟环

境中模拟多辆虚拟车辆进行大规模测试。

图4-8Cognata的运行界面

4.2.9RightHook

RightHook是一家成立于美国加州的初创公司，为自动驾驶行业 供仿真解决方案。RightHook 供了一整套的工具链，包括RightWorld，RightWorldHD，RightWorldHIL等。RightWorld 供了从高精地图自动重建有丰富细节的虚拟场景的流程，同时 供了简单易用的测试案例创建流程，在案例创建后通过AI算法可以对案例进行有机的扩展。RightWorld也 供了包含车辆，行人和自行车的确定性的智能交通仿真模型。RightWorldHD对动力学，天气，时间变化和传感器（包括摄像头，Lidar，Radar，IMU和GPS）的模拟，同时支持丰富的包括NVIDIA DriveWorks，LCM和ROS的接口。RightWorldHIL 供了对于混合了软件，算法和

硬件的HIL测试的支持。