CN111796530A - 一种自动驾驶软件在环仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种自动驾驶软件在环仿真方法，采用分布式架构进行在环仿真，整车动力学模型、仿真器模块与自动驾驶软件系统分别运行在不同系统，环境数据从仿真器模块里输出到自动驾驶软件系统的对应接收端，自动驾驶软件系统反馈的控制量输出到整车动力学模型；整车动力学模型与自动驾驶软件系统采用时序触发技术，按所需频率触发整车动力学模型与自动驾驶软件系统，实现仿真过程的启停与同步控制。本发明不依赖硬件或者实物在环，能进行从简单场景到复杂场景的自动驾驶软件在环验证，不使用实时设备的情况下采取时序触发技术实现仿真过程的启停和同步控制；满足控制模块对仿真验证的精确性需求。
Description
技术领域
本发明涉及自动驾驶技术领域，特别是涉及自动驾驶软件在环仿真方法。
背景技术
包含整车动力学模型的软件系统的软件在环仿真验证，一是采用CarSim建立仿真环境，同时使用其车辆动力学模型，导入到simulink中，利用simulink中tcp模块和自动驾驶规划控制算法模块进行数据交互，进行仿真(CN201811080324.5)；二是采用偏微分方程组的形式构建简化的车辆动力学模型，用真实数据导入到显示和数据交互系统对自动驾驶软件进行离线仿真(CN201810590257.5)。
使用carsim的车辆动力学软件的控制在环仿真方案里直接采用simulink的tcp通信模块，CarSim模型速度为1000hz，自动驾驶软件频率一般在10～20hz之间，两者不对等，此时simulink里的tcp模块会高速向自动驾驶软件部分发布数据，内存浪费，自动驾驶软件部分负担重可能会出现其他异常，与实际运行状态不符。同时，若网络带宽不够，网速较慢或有其它情况出现，高速tcp通信会有不确定的延时，形成使用上的数据时序混乱，造成发散的控制效果，仿真结果有误，无法完成算法的调试验证，更无法使用仿真进行软件在环测试。
采用偏微分方程组的形式构建简化的车辆动力学模型的方案，模型不准，只能进行简单的算法逻辑闭环验证，无法用其结果进行软件性能评估。
发明内容
本发明的目的是针对，而提供一种包含整车动力学模型的自动驾驶软件在环仿真方法，能在低成本条件下提供包含整车动力学的自动驾驶完整软件系统在环的可靠性较高的仿真结果。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种自动驾驶软件在环仿真方法，采用分布式架构进行在环仿真，整车动力学模型、仿真器模块与自动驾驶软件系统分别运行在不同系统，仿真器模块进行虚拟环境建模，同时提供自车初始位置，接收自车控制后状态、循环更新环境数据作为自动驾驶软件系统的上层输入,环境数据从仿真器模块里输出到自动驾驶软件系统的对应接收端，自动驾驶软件系统反馈的控制量输出到整车动力学模型；整车动力学模型与自动驾驶软件系统采用时序触发技术，按系统所需频率触发整车动力学模型与自动驾驶软件系统，对交互过程进行数据触发式时序同步，实现仿真过程的启停与同步控制。
其中，所述整车动力学模型模块为任意包含控制量输入和状态量输出接口的模型；对于不同的自动驾驶车辆仅修改对应的整车动力学模型信息就可快速适配所有车型。
其中，所述整车动力学模型包括simulink模型和动力学侧触发模块，所述自动驾驶软件系统包括自动驾驶软件和自动驾驶软件侧触发模块，所述动力学侧触发模块与自动驾驶软件侧触发模块构成对交互过程进行数据触发式时序同步的同步触发模块。
优选的，所述整车动力学模型、仿真器模块与自动驾驶软件系统通过LAN接口连接，通过Tcp协议进行数据的传输交互。
优选的，所述整车动力学模型采用工业仿真软件CARSIM搭建，整车动力学模型里的信息由实际的车辆决定，将调好信息的整车动力学模型导入Matlab里，生成Simulink模型，实现整车动力学模型在Matlab的Simulink环境里进行运算。
其中，所述自动驾驶软件系统反馈的控制量输出到整车动力学模型，在Mtlab里实现，在m函数里使用Tcp方式接收控制量，将控制量实时传输到Simulink模型里CarSim模块的输入端口，即时更新整车动力学模型控制量；从整车动力学模块实时计算的当前车辆状态通过s-function反馈回上述m函数，使用数据发送TCP通讯将车辆状态反馈给仿真器模块，实时更新仿真环境。
优选的，所述CarSim、Matlab和Simulink模型在windows系统运行；；所述仿真器模块与自动驾驶软件系统在Ubuntu环境运行。
优选的，对交互过程进行数据触发式时序同步的同步触发模块接收来自上层环境数据的标志位，判断其是否为对应周期仿真开始指令，若是，则将环境数据到自动驾驶软件系统的数据通路打开，若否，则保持通路关闭；环境数据到达自动驾驶软件系统后，计算该周期的控制量，与标志位一起下发到整车动力学模型模块；
处于第一系统侧的触发模块，在整车动力学模型收到有效的控制量后，控制整车动力学模型运行一定数量帧作为该周期的仿真数据，触发模块检测到当前帧车辆状态数据与上一帧的数据不一致时，将该数据反馈给仿真器模块以更新下个周期的仿真环境，仿真循环进行，若一定数量帧后的车辆状态数据与前次环境里的数据一致，则标志位置假，不更新仿真环境数据，切断后续仿真。
本发明可不依赖硬件或者实物在环，能进行从简单场景到复杂场景的控制模块软件在环验证，该框架能进行自动驾驶算法集成系统的软件在环验证，同时，在不使用实时设备的情况下采取时序触发的方案实现仿真过程的启停和同步控制；能满足控制模块对仿真验证的精确性需求，节省了验证成本。
附图说明
图1是本发明的自动驾驶系统软件在环仿真的基本架构示意图。
图2是本发明中的(交通)环境模型信息的构成示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的自动驾驶软件在环仿真方法，采用分布式架构进行在环仿真，整车动力学模型、仿真器模块与自动驾驶软件系统分别运行在不同系统，仿真器模块与自动驾驶软件系统通过数据交互模块连接，环境数据从仿真器模块里输出到自动驾驶软件系统的对应接收端，自动驾驶软件系统反馈的控制量输出到整车动力学模型；整车动力学模型与自动驾驶软件系统采用时序触发技术，按系统所需频率触发整车动力学模型与自动驾驶软件系统，实现仿真过程的启停与同步控制。
其中，所述的整车动力学模型模块可以是由专业软件CarSim提供，动力学模型在Matlab的Simulink环境里进行运算，CarSim、Matlab和Simulink在Windows系统运行；仿真器模块(Simulator)主要通过相应算法进行虚拟环境建模，同时提供自车初始位置，接收自车控制后状态、循环更新(Update)环境数据作为自动驾驶软件系统的上层输入,并在显示界面上进行显示(Display)，自动驾驶软件系统在Ubuntu环境运行。
针对不同的自动驾驶车型，整车动力学模型不同，则会标定各个信息，以实现准确的仿真过程；同时，同步触发模块可按照系统所需频率触发整车动力学模型和自动驾驶软件系统，以实现快速的同步仿真过程。
本发明的仿真系统的基本架构如图1所示，由仿真器模块(Simulator)提供(交通)环境模型信息(Traffic Scenarios)，仿真器模块(Simulator)经数据交互模块(DataExchange)与自动驾驶系统(Aotunomous System)信息与数据交互；
自动驾驶系统(Aotunomous System)包括自动驾驶软件模块(Software)、时序同步触发模块(synchronization)，自动驾驶软件模块(Software)经规划(Planning)等处理后，会输出控制指令(Control)至时序同步触发模块(Synchronization)的整车车辆动力学模块(Dynamic Model)，其中，时序同步触发模块(Synchronization)通过数据交互模块(Data Exchange)收到仿真器模块的的数据后，同步触发车辆动力学模块(Dynamic Model)与自动驾驶软件模块(Software)，同时，时序同步触发模块(Synchronization)经数据交互模块(Data Exchange)向仿真器模块(Simulator)同步反馈提供相应的数据。
上述环境建模信息为自动驾驶模块提供上层的环境输入，用以表征整个交通场景里自车以外的必要构成元素。(交通)环境模型信息(Traffic scenarios)由地图信息(MapInfo)、交通参与者信息(ObjectState)构成，这两类信息组合表征交通环境信息。地图信息(MapInfo)采用两类五层架构，由一次实验周期内的只与位置有关与时间无关的静态信息(StaticInfo)和同时随时间可变的动态信息(DynamicInfo)两类组成，包括五层结构。静态信息包括但不限于道路地质信息(RoadGeo)、道路地形信息(RoadTopo)、道路特征信息(RoadFea)和建筑物信息(Building)；动态环境信息包括但不限于天气信息(Weather)；交通参与者信息(ObjectState)表征自车以外的参与交通行为的行人、车辆、红绿灯影响所有交通参与者的行为决定的当前状态和行为，由三类标签组成,它们是交通参与者类型信息(OTpye)、交通参与者位置信息(OLocal)和交通参与者运动状态信息(OMotion)。
其中，道路地质信息可以理解为表示用地图里道路形状抽析之后的几何模型表示道路位置和路宽等信息的信息。在一些具体的实施例中，用地图里道路形状抽析之后的几何模型主要包括三种：以直线方程表示直线道路的几何模型、以三次多项式表示换道部分道路的路宽变化的几何模型，以及以等速螺旋线表示拐弯部分的道路曲率变化的几何模型。在这些几何模型中，道路位置以路点位置坐标表示，路宽以几何信息直接表示，坐标系为全局坐标系，可选通用的通用横墨卡托格网系统(UNIVERSAL TRANSVERSE MERCARTORGRID SYSTEM,UTM)地理坐标系，也可选用固定原点的任意合适的普通直角坐标系。
可以理解的是，在使用真实地理数据生成仿真地图时，由地理坐标系转换到普通直角坐标系，在使用仿真场景生成自动驾驶可用地图时，需要将普通直角坐标系转化到地理坐标系。
道路地形信息可以理解为表示地图道路结构的逻辑关系的信息，包括但不限于道路的可行驶方向、道路之间的连接关系以及道路限速等信息，其表示方式不受坐标系限制。
道路特征信息可以理解为表示道路特征的信息，可以理解为地图里的道路标签信息，描述路面物理特征如路面状态、摩擦阻力等，表示方式不受仿真场景和自动驾驶系统的使用场景切换的限制。
建筑物信息可以理解为表示地图上可描述道路周边的建筑物信息，以单个建筑物或建筑物群的外包络多边形的角点坐标表示，该信息可以作为地图的补充信息。
天气信息可以立即为表示当前天气情况的信息，如当前的日照状态、雨雪状态等由天气情况影响实际场景的信息。
交通参与者类型信息可以理解为表示交通参与者的类型、形状等基础信息的信息。
交通参与者位置信息可以理解为表示所有交通参与者的当前位置的信息，可由等效点的位置坐标或轮廓外包络线点坐标表示，坐标系可采取道路信息相关的全局坐标系或自车坐标系的信息。
交通参与者运动状态信息可以理解为表示交通参与者的运动量，如速度、加速度等的信息。
下面结合图1所示的架构对本发明进一步说明。
整车动力学模型在使用工业仿真软件CARSIM搭建时，其中车辆动力学模型里的重要信息由实际的车辆决定。将调好信息的动力学模型导入MATLAB里，生成Simulink模型，即为需要的整车动力学模型。
需要说明的是，针对自定义的特种车辆如低速清扫车或运输车，整车结构特殊，要采取大量试验标定所需重要信息，以保证车辆模型的准确性。
完成交通环境建模后，需要根据仿真目的结合自动驾驶软件系统的接口格式进行数据交互模块设计。本发明中，环境数据从仿真器模块里输出到自动驾驶软件对应接收端，其传输方式采取Tcp协议。由自动驾驶系统反馈的控制量输出到整车动力学模型，其传输方式为Tcp协议，在Matlab里实现，在m函数里使用Tcp方式接收控制量，将控制量实时传输到Simulink里CarSim模块的输入端口，即时更新整车动力学模型控制量。从整车动力学模块实时计算的当前车辆状态通过s-function反馈回上述m函数，使用数据发送Tcp通讯将车辆状态反馈给仿真器模块，实时更新仿真环境。此过程中数据传输的接口形式及具体频率由自动驾驶软件系统本身决定。
本发明中，由于整车动力学模型的计算频率在1000Hz，自动驾驶软件系统的频率在20Hz，因此整车动力学模块和自动驾驶软件系统的频率需要对齐。由于本发明是分布式仿真架构，整车动力学模型运行在windows系统下，自动驾驶软件系统运行在ubuntu系统，跨系统的稳定数据传输方式选择的是TCP。在一般情况下，TCP传输可以保证数据不丢包，不乱序。
处于局域网的两台电脑，数据传输过程会伴随不确定的网络延时，当延时发生，会有数十帧数据滞后，随之以超高速接收到该滞后数据，此时，仿真器也无法保证及时更新数据，即导致时序错乱，该段的仿真现象及结果数据有误。同时，Simulink的运行步长为仿真时间，而自动驾驶软件系统里所用的时间单位为真实时间，仿真时间和真实时间的尺度不一致，由此，系统两部分无法简单地以时间单位对齐。
因此，本发明设计了同步触发模块对分布式系统的整车动力学模型和自动驾驶软件系统进行同步。根据仿真结构特点，同步触发模块也为分布式设计，对交互过程进行数据触发式时序同步。该同步触发模块接收上层环境数据的标志位，判断其是否为该周期仿真开始指令，若是，则将环境数据到自动驾驶软件系统的数据通路打开，若否，则保持通路关闭。环境数据到达自动驾驶软件系统后，计算该周期的控制量，与标志位一起下发到整车动力学模型模块。
处于windows侧的触发模块部分，在整车动力学模型收到有效的控制量之后，控制整车动力学模型运行50帧作为该周期的仿真数据，当触发模块检测到该帧车辆状态数据与上一帧的数据不一致时，将该数据反馈给仿真器模块以更新下个周期的仿真环境，仿真循环进行，若50帧后的车辆状态数据与前次环境里的数据一致，则标志位置假，不更新仿真环境数据，切断后续仿真。
可见，该模块对分布式仿真系统进行了按步的时间同步，有效控制了仿真进程。由于采取按步计算，仿真效率为真实速度的10倍左右，该速度经验证是不增加成本不使用实时机情况下的最快速度，满足控制仿真的需要。
需要说明的是，本发明中，上述所展示的自动驾驶和动力学模型的频率仅为例子，具体可根据实际的模型决定。
本发明提出的包含整车动力学模型的自动驾驶软件在环仿真方案，对于不同的自动驾驶车辆只需修改对应的动力学模型信息就可以快速适配所有车型。
本发明的动力学模型模块为任意包含控制量输入和状态量输出接口的模型，因此可以实现简单动力学模型仿真和复杂精确动力学仿真的梯度仿真验证过程。
本发明的同步触发模块，实现了在不要求配置较高的硬件条件下，保证了消息时序准确的条件下的合理仿真速度。
本发明可不依赖硬件或者实物在环，能进行从简单场景到复杂场景的控制模块软件在环验证，该框架能进行自动驾驶算法集成系统的软件在环验证，同时在不使用实时设备的情况下采取时序触发的方案实现仿真过程的启停和同步控制；能满足控制模块对仿真验证的精确性需求，节省了验证成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种自动驾驶软件在环仿真方法，其特征在于，采用分布式架构进行在环仿真，整车动力学模型、仿真器模块与自动驾驶软件系统分别运行在不同系统，仿真器模块进行虚拟环境建模，同时提供自车初始位置，接收自车控制后状态、循环更新环境数据作为自动驾驶软件系统的上层输入,环境数据从仿真器模块输出到自动驾驶软件系统的对应接收端，自动驾驶软件系统反馈的控制量输出到整车动力学模型；整车动力学模型与自动驾驶软件系统采用时序触发技术，按系统所需频率触发整车动力学模型与自动驾驶软件系统，对交互过程进行数据触发式时序同步，实现仿真过程的启停与同步控制。
2.根据权利要求1所述自动驾驶软件在环仿真方法，其特征在于，所述整车动力学模型模块为任意包含控制量输入和状态量输出接口的模型；对于不同的自动驾驶车辆仅修改对应的整车动力学模型信息就可快速适配所有车型。
3.根据权利要求1所述自动驾驶软件在环仿真方法，其特征在于，所述整车动力学模型包括simulink模型和动力学侧触发模块，所述自动驾驶软件系统包括自动驾驶软件和自动驾驶软件侧触发模块，所述动力学侧触发模块与自动驾驶软件侧触发模块构成对交互过程进行数据触发式时序同步的同步触发模块。
4.根据权利要求1所述自动驾驶软件在环仿真方法，其特征在于，所述整车动力学模型、仿真器模块与自动驾驶软件系统通过LAN接口连接，通过Tcp协议进行数据的传输交互。
5.根据权利要求1所述自动驾驶软件在环仿真方法，其特征在于，所述整车动力学模型采用工业仿真软件CarSim搭建，整车动力学模型里的信息由实际的车辆决定，将调好信息的整车动力学模型导入Matlab里，生成Simulink模型，实现整车动力学模型在Matlab的Simulink环境里进行运算。
6.根据权利要求5所述自动驾驶软件在环仿真方法，其特征在于，自动驾驶软件系统反馈的控制量输出到整车动力学模型，在Mtlab里实现，在m函数里使用Tcp方式接收控制量，将控制量实时传输到Simulink模型里CarSim模块的输入端口，即时更新整车动力学模型控制量；从整车动力学模块实时计算的当前车辆状态通过s-function反馈回上述m函数，使用数据发送TCP通讯将车辆状态反馈给仿真器模块，实时更新仿真环境。
7.根据权利要求5所述自动驾驶软件在环仿真方法，其特征在于，所述CarSim、Matlab和Simulink模型在windows系统运行；所述仿真器模块与自动驾驶软件系统在Ubuntu环境运行。
8.根据权利要求5所述自动驾驶软件在环仿真方法，其特征在于，对交互过程进行数据触发式时序同步的同步触发模块接收来自上层环境数据的标志位，判断其是否为对应周期仿真开始指令，若是，则将环境数据到自动驾驶软件系统的数据通路打开，若否，则保持通路关闭；环境数据到达自动驾驶软件系统后，计算该周期的控制量，与标志位一起下发到整车动力学模型模块；
处于第一系统侧的触发模块，在整车动力学模型收到有效的控制量后，控制整车动力学模型运行一定数量帧作为该周期的仿真数据，触发模块检测到当前帧车辆状态数据与上一帧的数据不一致时，将该数据反馈给仿真器模块以更新下个周期的仿真环境，仿真循环进行，若一定数量帧后的车辆状态数据与前次环境里的数据一致，则标志位置假，不更新仿真环境数据，切断后续仿真。
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