CN113705000B - 一种基于仿真场景的自动驾驶教育小车测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于仿真场景的自动驾驶教育小车测试方法及系统，方法具体为：基于高精度语义地图搭建仿真场景，在所述仿真场景中配置仿真教育小车和动态障碍物；搭建硬件设备，硬件设备包括可视化设备以及真实教育小车，真实教育小车能够在所述可视化设备行使；硬件设备与仿真场景信息交互，真实教育小车和仿真教育小车同步行驶，该方法向自动驾驶算法提供仿真中绝对精确的位置、障碍物以及传感器信息，避免了场外干扰带来的实验困难问题；其次，用户可以自己设计测试场景(路网、交通流、红绿灯等)，教学内容更为丰富、灵活，降低平台搭建的成本；最后，该方法中真实的教育小车仅在小范围运动，大大提高了实践教学的安全性。

Description

一种基于仿真场景的自动驾驶教育小车测试方法及系统

技术领域

本发明属于自动驾驶教学平台领域，具体涉及一种基于仿真场景的自动驾驶教育小车测试方法及系统。

背景技术

汽车自动驾驶产业的发展面临着大量的人才缺口，从研发设计到生产维护需要大量的科研、技术人员，而国内高校从人才培养到教学体系尚无配套的模式、课程和实验手段。自动驾驶教育平台主要包括自动驾驶车辆、配套的传感器以及测试场地，每一个部分都需要相当大的成本，硬件设备损坏、场景干扰信息过多等问题都给教学带来了不必要的麻烦。因此，将仿真信息引入自动驾驶教学过程将有效提高教学效率并降低设备成本。

发明内容

为解决现有自动驾驶教学平台成本高、硬件不稳定、场外干扰信息多等问题，本发明将仿真引入教学平台，提出一种基于仿真场景的自动驾驶教育小车测试方法及系统，降低教学过程中对测试场地、教育小车以及配套传感器的要求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种基于仿真场景的自动驾驶教育小车测试方法，具体如下：

基于高精度语义地图搭建仿真场景，在所述仿真场景中配置仿真教育小车和动态障碍物；

搭建硬件设备，硬件设备包括可视化设备以及真实教育小车，真实教育小车能够在所述可视化设备行使；

硬件设备与仿真场景信息交互，真实教育小车和仿真教育小车同步行驶。

基于高精度语义地图搭建仿真场景具体如下：

设计基于高精度语义地图的路网，具体涉及路网的结构、道路的形状以及红绿灯的配置；

结合高精度语义地图及所述路网生成道路的三维模型场景，在所述三维模型场景中添加建筑、树木信息，得到一个模拟真实的三维仿真场景；

结合高精度语义地图配置行人、交通流动态障碍物，并将其添加入三维仿真场景中，使仿真场景产生实时交通环境；

在仿真中搭建教育小车动力学模型，并按教学需要为小车配置LiDAR、双目相机、超声波测距用的仿真传感器。

根据真实教育小车技术参数约束在仿真中搭建仿真教育小车动力学模型。

硬件设备中：

可视化设备采用水平放置的显示屏或采用垂直向下的地面投影；

真实教育小车为具有正常行驶功能的小型汽车，根据测试需要选择是否配置运动能力。

硬件设备与仿真场景信息交互，硬件设备中的真实教育小车和仿真教育小车同步行驶，具体为：

将用户对真实教育小车的控制指令输入仿真教育小车的动力学模型，解算出仿真教育小车的运动状态；所述控制指令至少包括加速、减速、刹车以及方向盘转角；

根据仿真中小车的运动状态获取仿真教育小车观察视角下的仿真场景，将观察视角下的仿真场景投影至可视化设备上，在用户的观察视角下可观察到真实教育小车与仿真场景的相对运动；

若仿真教育小车具备运动能力，将仿真小车运动中的换道以及转向的小范围动作在真实教育小车上实现，超车、前进等大范围动作解算至仿真场景中，真实的教育小车在可视化设备上测试倒车入库以及侧方停车场景。

若可视化设备具有触屏功能，车辆在地图上的起点及终点也由用户在可视化设备上手动设置，测试开始之前将小车放置于起点，小车在可视化设备上的位置信息作为反馈输入仿真场景，确保仿真以及真实教育小车坐标的一致性。

在仿真场景根据多种自动驾驶系统测试需求配置障碍物配合实现超车、跟驰以及交通拥堵。

可视化设备具备触屏功能时，能在显示场景的范围内获取用户的操作以及小车所在位置，其中通过小车的位置四个车轮所在位置得到获取小车的坐标及朝向，获取的小车位置作为反馈信息，用于调整仿真中的观察视角以达到更贴近真实驾驶效果。

根对小车理想的运动信息(v′_x,v′_y,v′_yaw))进行运动解算，转换为仿真中观察视角的运动信息(v_{view_x},v_{view_y},v_{view_yaw})以及真实小车的小范围运动(v_x,v_y,v_yaw)，解算过程满足下式：

其中v′_x表示小沿x轴的运动速度，v′_y为沿y轴的运动速度，v′_yaw为车头朝向的旋转速度，其中参考的坐标系为世界坐标系。

基于仿真场景的自动驾驶教育小车测试系统，包括场景仿真模块、教育小车仿真模块、场景可视化模块以及相对运动解算交互模块：

场景仿真模块用于基于高精度语义地图搭建仿真场景，在所述仿真场景中配置仿真教育小车和动态障碍物，包括路网的设计，三维场景的渲染部分，设计多车道、匝道、路口以及停车场的多种场景；

教育小车仿真模块用于根据真实教育小车相关参数构建其动力学模型，并在仿真教育小车上配置多种传感器；

场景可视化模块包括可视化设备及真实教育小车，场景可视化模块通过移动场景观察视角以及小范围车辆运动来展示贴近真实的场景测试；

相对运动解算交互模块用于对教育小车的运动指令进行解算：一方面转换为屏幕范围内的真实教育小车的运动控制，一方面转换为仿真场景中观察视角的移动，真实教育小车的运动以及观察视角的移动共同保证车辆在仿真环境下的正常行驶，实现可视化设备的显示范围内进行教育测试。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提出一种基于仿真场景的自动驾驶教育小车测试方法，该方法将仿真引入教学平台，教学过程中由仿真提供车辆的传感器信息，由真实教育小车以及显示在可视化设备上的仿真场景来展示车辆以及场地的相对运动，首先，该方法向自动驾驶算法提供仿真中绝对精确的位置、障碍物以及传感器信息，避免了场外干扰带来的实验困难问题；其次，用户可以自己设计测试场景(路网、交通流、红绿灯等)，教学内容更为丰富、灵活，降低平台搭建的成本；最后，该方法中真实的教育小车仅在小范围运动，大大提高了实践教学的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请发明中的技术方案，下面对描述实例所需要使用到的附图进行简单介绍。

图1是本发明方法整体结构图。

图2为本发明测试自动驾驶算法的流程图。

具体实施方式

为了更为清晰地介绍本发明的具体内容及优势，接下来将结合附图以及实例进行更进一步的说明。实施方式中涉及的实例是用于介绍本发明的整体流程，而非限制本发明的应用范围。

参考图1和图2，本发明提供一种基于仿真场景的自动驾驶教育小车测试方法及系统，其中方法利用仿真信息实现自动驾驶系统相关算法的测试及教学：

S1，设计路口、匝道或停车场等场景的语义地图，语义地图中包括道路的节点坐标、道路的类型、车道数、车道宽度、交通灯位置等信息；

S2，根据场景的语义地图生成道路的三维模型并在场景中布置建筑、树木、锥形标等静态障碍物，在道路上配置交通流、行人等动态障碍物；

S3，根据教育小车真实教育小车的相关参数(长、宽、轮距、轮宽、轴距)在仿真中搭建其动力学模型；

S4，仿真中自主车辆的定位、传感器信息提供给自动驾驶算法进行测试，最终的控制指令(加速、减速、刹车、方向盘转角等)输入仿真的小车动力学模型，获取小车理想的运动信息；

S5，小车理想的运动信息(v′_x,v′_y,v′_yaw)输入相对运动解算模块，转换为仿真中观察视角的运动(v_{view_x}),v_{view_y},v_{view_yaw}))以及真实小车的小范围运动(v_x,v_y,v_yaw)，解算过程满足下式：

其中v′_x表示小沿x轴的运动速度，v′_y为沿y轴的运动速度，v′_yaw为车头朝向的旋转速度，其中参考的坐标系为世界坐标系。

S6，将仿真中观察视角下的场景显示在可视化设备上，将仿真小车以及真实小车置于地图中相同位置，测试开始后可视化设备上的场景运动以及真实教育小车的小范围运动共同展示自动驾驶算法的测试效果；

S7，在仿真中获取模拟的相机、LiDAR等传感器数据并将传感器数据提供给自动驾驶算法进行测试；)

为保证真实小车在显示屏上的运动的精度，可以使用可触屏的显示设备，获取车辆在显示设备上的坐标并将其作为反馈信息实现场景及车辆的闭环控制，避免运动不同步或车辆运动存在累计误差的问题；

S1及S2中搭建的仿真场景可以灵活配置，场景中障碍物信息丰富，超车、跟驰、交通拥堵等多种自动驾驶系统测试需求都可以得到满足；

S4中使用的传感器仿真技术在多种机器人模拟器(如Gazebo、Simulink、Carla等)中已经相当成熟，传感器参数的配置以及噪声的添加完全可以满足自动驾驶教学的需求。

S8中可视化设备具备触屏功能指在显示场景的范围内可以获取用户的操作以及小车所在位置，其中小车的位置可以通过四个车轮所在位置计算小车的坐标及朝向，获取的小车位置作为反馈信息，用来调整车辆位置以及仿真中的观察视角以达到更为真实的展示效果。

本发明还提供一种基于仿真场景的自动驾驶教育小车测试系统，包括场景仿真模块、教育小车仿真模块、场景可视化模块以及相对运动解算交互模块：

场景仿真模块用于基于高精度语义地图搭建仿真场景，在所述仿真场景中配置仿真教育小车和动态障碍物，包括路网的设计，三维场景的渲染部分，设计多车道、匝道、路口以及停车场的多种场景；

教育小车仿真模块用于根据真实教育小车相关参数构建其动力学模型，并在仿真教育小车上配置多种传感器；

场景可视化模块包括可视化设备及真实教育小车，场景可视化模块通过移动场景观察视角以及小范围车辆运动来展示贴近真实的场景测试；

相对运动解算交互模块用于对教育小车的运动指令进行解算：一方面转换为屏幕范围内的真实教育小车的运动控制，一方面转换为仿真场景中观察视角的移动，真实教育小车的运动以及观察视角的移动共同保证车辆在仿真环境下的正常行驶，实现可视化设备的显示范围内进行教育测试。

Claims (7)

1.一种基于仿真场景的自动驾驶教育小车测试方法，其特征在于，具体如下：

基于高精度语义地图搭建仿真场景，在所述仿真场景中配置仿真教育小车和动态障碍物；基于高精度语义地图搭建仿真场景具体如下：

设计基于高精度语义地图的路网，具体涉及路网的结构、道路的形状以及红绿灯的配置；

结合高精度语义地图及所述路网生成道路的三维模型场景，在所述三维模型场景中添加建筑、树木信息，得到一个模拟真实的三维仿真场景；

结合高精度语义地图配置行人、交通流动态障碍物，并将其添加入三维仿真场景中，使仿真场景产生实时交通环境；

在仿真中搭建教育小车动力学模型，并按教学需要为小车配置LiDAR、双目相机、超声波测距用的仿真传感器；

搭建硬件设备，硬件设备包括可视化设备以及真实教育小车，真实教育小车能够在所述可视化设备行使；

硬件设备与仿真场景信息交互，真实教育小车和仿真教育小车同步行驶；具体为：

将用户对真实教育小车的控制指令输入仿真教育小车的动力学模型，解算出仿真教育小车的运动状态；所述控制指令至少包括加速、减速、刹车以及方向盘转角；

根据仿真中小车的运动状态获取仿真教育小车观察视角下的仿真场景，将观察视角下的仿真场景投影至可视化设备上，在用户的观察视角下可观察到真实教育小车与仿真场景的相对运动；

若仿真教育小车具备运动能力，将仿真小车运动中的换道以及转向的小范围动作在真实教育小车上实现，包括超车和前进的大范围动作解算至仿真场景中，真实的教育小车在可视化设备上测试倒车入库以及侧方停车场景；

对小车理想的运动信息()进行运动解算，转换为仿真中观察视角的运动信息(/>,/>)以及真实小车的小范围运动(/>)，解算过程满足下式：

其中表示小沿x轴的运动速度，/>为沿y轴的运动速度，/>为车头朝向的旋转速度，其中参考的坐标系为世界坐标系。

2.根据权利要求1所述的基于仿真场景的自动驾驶教育小车测试方法，其特征在于，根据真实教育小车技术参数约束在仿真中搭建仿真教育小车动力学模型。

3.根据权利要求1所述的基于仿真场景的自动驾驶教育小车测试方法，其特征在于，硬件设备中：

可视化设备采用水平放置的显示屏或采用垂直向下的地面投影；

真实教育小车为具有正常行驶功能的小型汽车，根据测试需要选择是否配置运动能力。

4.根据权利要求1所述的基于仿真场景的自动驾驶教育小车测试方法，其特征在于，若可视化设备具有触屏功能，车辆在地图上的起点及终点也由用户在可视化设备上手动设置，测试开始之前将小车放置于起点，小车在可视化设备上的位置信息作为反馈输入仿真场景，确保仿真以及真实教育小车坐标的一致性。

5.根据权利要求1所述的基于仿真场景的自动驾驶教育小车测试方法，其特征在于，在仿真场景根据多种自动驾驶系统测试需求配置障碍物配合实现超车、跟驰以及交通拥堵。

6.根据权利要求1所述的基于仿真场景的自动驾驶教育小车测试方法，其特征在于，可视化设备具备触屏功能时，能在显示场景的范围内获取用户的操作以及小车所在位置，其中通过小车的位置四个车轮所在位置得到获取小车的坐标及朝向，获取的小车位置作为反馈信息，用于调整仿真中的观察视角以达到更贴近真实驾驶效果。

7.一种基于仿真场景的自动驾驶教育小车测试系统，其特征在于，包括场景仿真模块、教育小车仿真模块、场景可视化模块以及相对运动解算交互模块：

场景仿真模块用于基于高精度语义地图搭建仿真场景，在所述仿真场景中配置仿真教育小车和动态障碍物，包括路网的设计，三维场景的渲染部分，设计多车道、匝道、路口以及停车场的多种场景；基于高精度语义地图搭建仿真场景具体如下：

设计基于高精度语义地图的路网，具体涉及路网的结构、道路的形状以及红绿灯的配置；

结合高精度语义地图及所述路网生成道路的三维模型场景，在所述三维模型场景中添加建筑、树木信息，得到一个模拟真实的三维仿真场景；

结合高精度语义地图配置行人、交通流动态障碍物，并将其添加入三维仿真场景中，使仿真场景产生实时交通环境；

在仿真中搭建教育小车动力学模型，并按教学需要为小车配置LiDAR、双目相机、超声波测距用的仿真传感器；

教育小车仿真模块用于根据真实教育小车相关参数构建其动力学模型，并在仿真教育小车上配置多种传感器；

场景可视化模块包括可视化设备及真实教育小车，场景可视化模块通过移动场景观察视角以及小范围车辆运动来展示贴近真实的场景测试；硬件设备与仿真场景信息交互，真实教育小车和仿真教育小车同步行驶；具体为：

将用户对真实教育小车的控制指令输入仿真教育小车的动力学模型，解算出仿真教育小车的运动状态；所述控制指令至少包括加速、减速、刹车以及方向盘转角；

根据仿真中小车的运动状态获取仿真教育小车观察视角下的仿真场景，将观察视角下的仿真场景投影至可视化设备上，在用户的观察视角下可观察到真实教育小车与仿真场景的相对运动；

若仿真教育小车具备运动能力，将仿真小车运动中的换道以及转向的小范围动作在真实教育小车上实现，包括超车和前进的大范围动作解算至仿真场景中，真实的教育小车在可视化设备上测试倒车入库以及侧方停车场景；

相对运动解算交互模块用于对教育小车的运动指令进行解算：一方面转换为屏幕范围内的真实教育小车的运动控制；一方面转换为仿真场景中观察视角的移动，真实教育小车的运动以及观察视角的移动共同保证车辆在仿真环境下的正常行驶，实现可视化设备的显示范围内进行教育测试，对小车理想的运动信息()进行运动解算，转换为仿真中观察视角的运动信息(/>,/>)以及真实小车的小范围运动(/>)，解算过程满足下式：

其中表示小沿x轴的运动速度，/>为沿y轴的运动速度，/>为车头朝向的旋转速度，其中参考的坐标系为世界坐标系。