ADAS研发与测试的模拟仿真技术---吉林大学

1吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室张素民报告提纲一、汽车智能化模拟仿真技术的背景二、汽车智能化模拟仿真的关键技术三、模拟仿真软件展示：PanoSim数据融合车辆控制策略行驶环境传感行驶环境汽车状态传感控制器传感感知执行器汽车智能化的关键技术与挑战人-车-环境闭环控制系统：多传感输入、多控制输出复杂人机共驾系统人机共驾轨迹规划规划决策智能决策低成本约束和复杂环境下的快速、准确、可靠的环境传感感知技术和谐、友好、直观的人机协同、交互和共驾技术安全、可靠、高效、灵活且低成本的测试验证技术ADAS研发：为什么模拟与仿真？涉及人-车-环境闭环系统（交通、天气和道路）传统的研发、测试和验证方法和手段已不能适应传统的汽车模拟仿真技术和工具已不能满足要求人-车-环境驾驶员车天气交通道路环境为什么模拟与仿真？技术需求车路协同行人避撞车车协同车辆避撞智能汽车试验周期长、成本高，安全无法保障是汽车智能化技术研发、测试和验证的关键技术瓶颈为什么模拟与仿真？技术需求大雾天气雨天雪天晚上复杂道路结构恶劣行驶工况试验行驶环境不可预测、难以复制、缺乏灵活性、不可自动化等是研发汽车智能化技术的另一瓶颈为什么模拟与仿真？成本需求$5$50需求定义模拟仿真产品原型产品开发$5,000相对成本基于模拟仿真技术的虚拟研发是节省研发成本的关键途径，也是当今世界技术研发的主流趋势$500试验可重复、可灵活设置、可自动化易于分析、理解，和发现系统内在关联安全！!随着计算机、电子技术的成熟，数学模型的精确性和数值求解能力的不断提高：数学模型也越来越接近真实的物理世界：车辆动力学模拟环境模拟（道路、交通与天气等）环境传感模拟（虚拟相机、雷达和无线通信等）驾驶员模拟为什么模拟与仿真？技术切实可行模拟仿真技术不仅必要、而且可能/可行汽车技术及产品前期研发汽车技术及产品设计汽车技术及产品测试与验证汽车产品批量生产研发制造设计测试实物化虚拟数字化半虚拟数字化为什么模拟与仿真？技术需求为什么模拟与仿真？技术趋势自上世纪90年代起，模拟仿真和数字虚拟化技术已经成为了汽车研发过程的关键手段和核心技术世界主要汽车制造企业基于虚拟仿真平台对传统汽车技术、功能和产品的研发的比重已经高达70%以上--*AutomotiveWikipedia汽车产品的竞争关键在于技术的竞争，而工具链是决定技术理念、方法和流程的关键---CharlesF.Kettering,greatAmericaninventor,engineer&businessman“工欲善其事必先利其器”---孔子《论语·魏灵公》Timecover1933现代汽车技术研发先进方法、理念和流程Requirement-DrivenProcesses以需求为驱动的开发流程工具Math-BasedPlatforms基于数学模型的开发平台Model-BasedApproaches基于模型的开发方法Requirement-DrivenProcesses以需求为驱动的开发流程基于先进的研发理念先进的开发理念与流程PureSimulation离线纯仿真平台RT-SIL/HILSimulation实时、软硬件在环仿真平台DILwith3DEnvironment驾驶员在环三维场景仿真In-VehicleTest实验车试验/标定/验证基于先进的研发平台车辆多刚体动力学轮胎驾驶员ModelingonBatteryandElectricMotors,on-boardcommunication力学/机械学电化学电磁学电机学等汽车模拟与仿真技术正不断发展weathertrafficroadradarwirelesscameraModelingonDrivingEnvironmentandEnvironmentalSensing计算机图学图像处理信号处理电磁波无线通信等模拟与仿真是应对挑战的关键技术人-车-环境驾驶员车天气交通道路环境行驶交通建模天气建模模拟与仿真是应对挑战的关键技术基于雷达和视觉传感模拟的主动避撞控制系统模拟报告提纲一、汽车智能化模拟仿真技术的背景二、汽车智能化模拟仿真的关键技术三、模拟仿真软件展示：PanoSim集车辆动力学、三维行驶环境、交通和车载环境传感模型等等于一体的大型汽车模拟仿真软件平台，包括Simulink模型自动生成、图形与动画后处理工具等。基于精确物理建模和高效数值仿真兼顾的原则，利用先进的虚拟现实技术逼真地建造及模拟汽车驾驶的各种环境和工况，包括对道路及道路纹理、车道线、交通标识与设施、天气、夜景等汽车行驶环境的建模与编辑支持在高效、高精度的数字仿真环境下汽车动力学与性能、汽车电子控制系统、智能辅助驾驶与主动安全系统、环境传感与感知、无人驾驶等技术和产品的研发、测试和验证。用户界面全部图形化，操作简便、直观、清晰，支持纯软件仿真、实时硬件在环仿真和驾驶员在环仿真支持在实验室和虚拟环境下对汽车的高效、安全和数字化开发，旨在极大地降低汽车研发成本、缩短开发周期、提高研发质量和安全性，是现代汽车先进技术和产品开发所必备工具新一代汽车模拟仿真平台（PanoSim）简介PanoSim：6大模块、N多功能实验设置主界面车辆编辑器场景编辑器像机雷达安装器画图与动画工具模型自动生成工具交通与设施模拟天气与光照模拟雷达与像机模拟无线通信模拟车辆动力学模拟道路与场景模拟虚拟行驶环境（道路、交通、环境、天气等）模拟环境传感（雷达、像机、GPS/地图、无线通信等）模拟交通参与物（车、行人、障碍物等）虚拟行驶工况（ABS/ESP/ACC,避撞、泊车等）汽车智能辅助驾驶与主动安全汽车性能设计、开发与验证PanoSim：应用领域汽车功能、技术和产品的研发、测试和验证一体化仿真平台概念设计原型样机设计原型样机定型整车系统与性能匹配子系统测试与验证系统功能集成与验证PanoSim：应用领域汽车底盘和整车性能开发制动、转向和悬架动力学、舒适性、操控稳定性汽车动力性能开发发动机、变速箱、传动系动力性、燃油经济性、排放汽车电控系统设计与开发防锁死和防滑制动控制车辆稳定性控制等汽车智能辅助驾驶系统开发自动泊车自适应巡航系统驾驶员人机交互汽车行驶环境感知系统开发视觉传感与模式识别雷达探测与障碍物传感数据融合汽车主动安全系统开发主动避撞车道纠偏下一代智能交通系统车车协同、车路协同智能交通管理系统无人驾驶PanoSim：应用领域制动命令档位离合油门回正力矩运动状态力运动转速力矩力运动状态运动状态力矩力矩转向角运动路形力运动载荷运动状态位移速度空气阻力摩擦系数力路面状态转向命令空气动力学模型道路路面模型悬架系统模型轮胎动力学模型车轮动力学模型车身动力学模型转向系统模型发动机模型传动系统模型制动系统模型驾驶员高精度车辆动力学模型PanoSim(VehicleBuilder)：车辆模拟VehicleBuilder汽车三维行驶场景模拟PanoSim(FieldBuilder)：汽车行驶环境模拟天气模拟PanoSim(FieldBuilder)：汽车行驶环境模拟虚拟道路建造PanoSim(FieldBuilder)：汽车行驶环境模拟道路纹理与车道线模拟交通标识模拟交通流模拟光照模拟道路与车道模拟PanoSim(FieldBuilder)：汽车行驶环境模拟鱼眼与广角像机模拟鱼眼与广角像机验证PanoSim：像机模拟模糊模拟色差模拟PanoSim：像机模拟暗角模拟畸变模拟PanoSim：像机模拟高光模拟车道线识别目标识别测速测距PanoSim：像机模拟像机安装像机参数匹配像机包络线车载像机模拟PanoCam：像机安装与参数匹配车载像机模拟PanoCam：像机安装与参数匹配虚拟照相虚拟摄像视频回放雷达模拟RCS估算PanoSim：雷达模拟FMCW/FSK激光雷达雷达模拟PanoSim：雷达模拟V2V与V2X模拟(WLANor3GorWIFI)无线电发射塔无线电发射塔车队行驶IVC便携设备与车辆通信GPS便携式互联网蜂窝网卫星DMB热点停车场大厦公园房屋旅馆路基DMB车辆与路边设施通信RVC车间通信IVCWLAN5GHzWLAN5.8GHz便携式互联网蜂窝网应用于道路交通安全的IVC和RVC通信应用于交通流量控制的IVC和RVC通信基于地理位置信息多跳路由技术的IVC和RVC通信基于802.11、GSM、UMTS、IR、IPv6等无线通信技术的交通系统和互联网服务（包括IVC和RVC通信）PanoSim：无线通信与网络模拟物理信道层行驶环境网络传输层应用服务层抽象粒度等级电磁波信号数据帧数据包天气条件，道路状况，汽车参数，天线配置，周边环境等反射、绕射和散射路由更新策略通信方式通信半径等对网络指标的敏感性发包模式等车载自组网通信系统模型应用数据静态模型与动态模型的混合建模方法细粗PanoSim：无线通信与网络模拟主动避撞PanoSim：汽车虚拟测试与验证自适应巡航自动泊车PanoSim：与Matlab/Simulink无缝连接自动生成MDL模型高效实时数值计算PanoSim：画图与动画后处理工具PanoPlotPanoAnim模型验证仿真工况：车速80km/h侧向加速度横摆角速度PanoSim：高精度车辆动力学模型双移线工况（与CarSim对比高度一致）012345678910-15-10-5051015Time[s]YawRate[deg/s]CarsimPanosim012345678910-0.4-0.3-0.2-0.100.10.20.30.4Time[s]LateralAcceleration[g]CarsimPanosim012345678910-40-30-20-10010203040Time[s]SteeringWheelAngle[deg]CarsimPanosim方向盘转角输入*CarSim是国际上公认的顶级车辆动力学仿真软件仿真工况：车速80km/h。方向盘转角和路径如下目标路径与实际路径对比方向盘转角输入012345678910-300-200-1000100200300Time[s]SteeringWheelAngle[deg]CarsimPanosim050100150-120-100-80-60-40-20020XCoordinate[m]YCoordinate[m]CarsimPanosimPanoSim：高精度车辆动力学模型鱼钩仿真工况（与CarSim对比高度一致）横摆角速度012345678910-30-20-100102030Time[s]YawRate[deg/s]CarsimPanosim012345678910-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8Time[s]LateralAcceleration[g]CarsimPanosim012345678910-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.5Time[s]RollAngle[deg]CarsimPanosim01234567891078.478.678.87979.279.479.679.88080.280.4Time[s]Longitudinalvelocity[km/h]CarsimPanosimPanoSim：高精度车辆动力学模型侧向加速度侧倾角车速鱼钩仿真工况（与CarSim对比高度一致）012345678910-1.5-1-0.500.511.522.5Time[s]VehicleSlipAngle[deg]CarSimPanoSim012345678910-3-2-101234Time[s]LateralSpeed[km/h]CarSimPanoSim质心侧偏角侧向速度鱼钩仿真工况（与CarSim对比高度一致）PanoSim：高精度车辆动力学模型•Case1:直道自适应巡航控制系统目标检测PanoSim：雷达物理模型验证雷达物理模型验证：与雷达测试和真实场景数据高度一致•Case2:弯道自适应巡航控制系统目标