CN114387844A - 一种基于自动驾驶虚实融合测试技术的教学平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动驾驶虚实融合技术领域，公开了一种基于自动驾驶虚实融合测试技术的教学平台，包括教学平台，所述教学平台包括实现测试自动驾驶算法的自动驾驶设备模块及为自动驾驶设备模块提供基于虚实融合后的多种模拟测试场景的仿真模块，所述仿真模块设置在高性能计算单元上，所述高性能计算单元通过无线方式与所述自动驾驶设备模块相连，实现所述自动驾驶设备模块在基于虚实融合后的模拟场景上对自动驾驶算法进行测试。本发明通过在教学工具上实施自动驾驶虚实融合技术，解决了传统纯物理教学工具无法提供足够的自动驾驶测试场景开展教学实践的难题，也解决了传统纯虚拟教学工具中虚拟车辆的控制和行驶与真实物理车辆驾驶存在巨大偏差问题。

Description

一种基于自动驾驶虚实融合测试技术的教学平台

技术领域

本发明涉及自动驾驶虚实融合技术领域，特别涉及一种基于自动驾驶虚实融合测试技术的教学平台。

背景技术

由于人工智能技术发展的愈发成熟，并在各行各业上得到广泛的应用。其中自动驾驶技术在汽车上的应用也越来越得到重视，产业的发展促进了人才需求的快速增长，导致汽车智能化无人化方向的人才缺口极大。

随着自动驾驶技术的发展，汽车智能技术和教育不断融合，推动汽车智能技术专业的改革和发展，催生自动驾驶教育新生态。目前，不管是高等院校还是职业院校都在进行汽车智能网联方向学科的建设，开展自动驾驶专业方向人才的培养，但由于各大学校学科建设时长短，教材和相关的教学工具都不完善和成熟，尤其是应用虚实技术在教学中的工具比较少见。

当前，自动驾驶教学工具有两大类，一种是纯物理方式，另外一种是纯虚拟方式。第一种纯物理方式，大多是在现有车辆上采用自动驾驶技术进行改装，加载自动驾驶算法后在室外的实际道路环境上进行自动驾驶行驶、测试和教学。也有较少数在室内沙盘上模拟道路环境和车辆，进行简单的自动驾驶场景测试和教学。第二种纯虚拟方式，是利用仿真软件以纯虚拟的方式开展自动驾驶的教学和测试。采用第一种纯物理方式无法提供丰富的测试场景，而自动驾驶算法需要海量场景开展测试和升级迭代，其中就包括极限工况或者边缘工况测试场景，而这些场景的测试是无法通过纯物理的方式开展的。第二种纯虚拟方式，虚拟车辆的控制和行驶都是在一种理想状态中，与现实世界的车辆驾驶存在很大的偏差，学生缺少对车辆真实控制开展学习、训练和实践的机会。

发明内容

为了解决现有技术存在测试结果具有巨大偏差或无法提供足够的自动驾驶模拟测试场景的问题，本发明提供了一种基于自动驾驶虚实融合测试技术的教学平台。

本发明的技术内容如下：

一种基于自动驾驶虚实融合测试技术的教学平台，包括教学平台，所述教学平台包括实现测试自动驾驶算法的自动驾驶设备模块及为自动驾驶设备模块提供基于虚实融合后的多种模拟测试场景的仿真模块，所述仿真模块设置在高性能计算单元上，所述高性能计算单元通过无线方式与所述自动驾驶设备模块相连，实现所述自动驾驶设备模块在基于虚实融合后的模拟测试场景上对自动驾驶算法进行测试。

进一步地，所述自动驾驶设备模块包括道路单元、小车单元、中央控制单元、定位组件与通讯单元，所述小车单元分别与所述道路单元、所述定位组件、所述中央控制单元相连，所述定位组件与所述通讯单元相连，所述自动驾驶设备模块通过所述通讯单元与所述高性能计算单元相连，所述通讯单元用于向高性能计算单元传输定位组件的定位位置信息与接收仿真模块的虚实融合后的模拟测试场景。

进一步地，所述仿真模块包括仿真道路、仿真车辆以及仿真场景，所述仿真道路、所述仿真车辆由所述道路单元、所述小车单元数字孪生而成，所述仿真场景是在仿真道路的基础上结合动态目标物信息与静态目标物信息构建而成的模拟测试场景，所述仿真场景通过通讯单元将构建的模拟测试场景传输至所述中央控制单元。

进一步地，所述动态目标物信息为所述仿真场景虚拟构建的动态元素，所述静态目标物信息为道路单元数字孪生静态元素以及所述仿真场景虚拟构建的静态元素的合集，所述仿真场景根据动态元素与静态元素的结合构建为若干个模拟测试场景，并通过通讯单元传送至所述中央控制单元。

进一步地，所述中央控制单元与所述通讯单元连接，所述中央控制单元包括软件算法功能块与车载计算功能块，所述软件算法功能块通过所述通讯单元接收仿真模块发送的模拟测试场景并向小车单元发送执行指令，所述车载计算功能块为所述软件算法功能块提供运算功能。

进一步地，所述软件算法功能块包括路径规划算法、决策算法与控制算法，所述路径规划算法基于地图和任务完成全局路径的规划，所述决策算法根据路径规划算法制定的全局路径进行行车，同时接收所述仿真模块中模拟测试场景进行行为决策，所述控制算法根据行为决策规划出局部路径和行车路线，生成控制指令，并向所述小车单元发送执行指令。

进一步地，所述小车单元为按比例缩放的真车模型，放置在所述道路单元上，所述小车单元接收所述中央控制单元的执行指令在所述道路单元上实现自动驾驶测试，所述中央控制单元设置在所述小车单元上。

进一步地，所述道路单元包括但不限于行车道路、行车标识、交通指示灯、交通指示牌、交通隔离设施及路边建筑物中的一种或多静态元素，所述道路单元为为所述小车单元提供完成自动驾驶执行指令的承载工具，所述道路单元为按比例缩放的真实道路。

进一步地，所述定位组件包括感知设备、定位标记及定位设备，所述感知设备连接所述小车单元，所述定位标记连接所述道路单元，所述定位设备连接所述中央控制单元，所述道路单元通过定位标记提供静态定位标记信息供与所述小车单元连接的感知设备获取并通过与所述中央控制单元连接的定位设备生成所述小车单元的实时位置信息，所述通讯单元模块将所述小车单元的实时位置信息反馈至所述高性能计算单元，所述高性能计算单元中的仿真车辆根据反馈的位置信息实时更新仿真车辆在仿真道路上的位置信息。

进一步地，所述高性能计算单元为所述仿真模块提供运算功能。

本发明的有益效果至少包括：通过在教学工具上实施自动驾驶虚实融合技术，包括低成本的定位技术和通讯技术，包括仿真车辆、仿真道路的真实尺寸与按比例缩放后的小车单元、道路单元之间的一一对应的映射关系和解决方案，解决了传统纯物理教学工具无法提供足够的自动驾驶测试场景开展教学实践的难题，也解决了传统纯虚拟教学工具中虚拟车辆的控制和行驶与真实物理车辆驾驶存在巨大偏差问题,导致学生缺少对车辆真实控制开展学习、训练和实践的机会。

附图说明

图1为本发明的整体结构流程图示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1所示，本发明提供了一种基于自动驾驶虚实融合测试技术的教学平台，包括教学平台，所述教学平台包括实现测试自动驾驶算法的自动驾驶设备模块及为自动驾驶设备模块提供基于虚实融合后的多种模拟测试场景的仿真模块，所述仿真模块设置在高性能计算单元上，所述高性能计算单元通过无线方式与所述自动驾驶设备模块相连，实现所述自动驾驶设备模块在基于虚实融合后的模拟测试场景上对自动驾驶算法进行测试。

进一步地，所述自动驾驶设备模块包括道路单元、小车单元、中央控制单元、定位组件与通讯单元，所述小车单元分别与所述道路单元、所述定位组件、所述中央控制单元相连，所述定位组件与所述通讯单元相连，所述自动驾驶设备模块通过所述通讯单元与所述高性能计算单元相连，所述通讯单元用于向高性能计算单元传输定位组件的定位位置信息与接收仿真模块的虚实融合后的模拟测试场景。

进一步地，所述仿真模块包括仿真道路、仿真车辆以及仿真场景，所述仿真道路、所述仿真车辆由所述道路单元、所述小车单元数字孪生而成，所述仿真场景是在仿真道路的基础上结合动态目标物信息与静态目标物信息构建而成的模拟测试场景，所述仿真场景通过通讯单元将构建的模拟测试场景传输至所述中央控制单元。

仿真模块能够实时接收定位组件的定位信息，并且在仿真道路环境中实时更新仿真车辆的位置信息。仿真场景是在仿真道路的基础上进行动态目标物的构建，并与静态目标信息一起构成测试信息，再通过通讯单元向中央控制单元进行传输，

仿真模块具有自动化测评功能，仿真车辆在仿真道路上测试表现能够自动化进行评测，仿真模块支持ROS通讯功能。

首先，道路单元和小车单元通过数字孪生技术在仿真模块中复刻，按比例形成完全相同的仿真道路和仿真车辆，根据测试需求，仿真模块可以在仿真场景中构建出大量的仿真测试场景，形成仿真场景库。

其次，小车单元通过定位组件进行自车位置的定位，并通过通讯单元向仿真模块实时发送自车位置信息，仿真模块在高性能计算单元中加载，实时接收小车单元的定位信息，并及时更新仿真车辆、仿真道路的信息，仿真车辆完成位置更新完后，将获取到此位置下的，包括静态的仿真道路信息和动态的目标物信息测试场景。测试场景信息通过通讯单元传送给中央控制单元，中央控制单元根据静态仿真道路信息和动态仿真目标物信息进行决策和控制，并向小车单元发出执行指令，小车单元在接收到执行指令后，在道路单元上实现自动驾驶行驶，对自动驾驶算法进行测试。

最后，小车单元在道路单元上的空间位置发生了改变，其位置信息通过定位组件进行定位，然后开始新的一轮计算循环，直到完成整个仿真场景的测试，并最终达到了对自动驾驶算法进行测试的目的。

其中，中央控制单元安装在小车单元上，小车单元放置在道路单元上，小车单元通过定位组件和通讯单元与仿真模块中的虚拟车辆实时映射，同时仿真模块提供模拟测试场景中的目标信息供中央控制单元进行决策，中央控制单元在完成决策后向小车单元发出执行指令，随后小车单元在道路单元上进行行驶。

进一步地，所述动态目标物信息为所述仿真场景虚拟构建的动态元素，所述静态目标物信息为道路单元的数字孪生静态元素以及所述仿真场景虚拟构建的静态元素的合集，所述仿真场景根据动态元素与静态元素的结合构建为若干个模拟测试场景，并通过通讯单元传送至所述中央控制单元。

通讯单元用于教学平台中仿真模块向中央控制单元传输环境目标物信息以及定位组件向仿真模块传输位置信息，本发明的通讯单元采用WiFi技术进行仿真模块及自动驾驶设备模块的连接。

进一步地，所述中央控制单元与所述通讯单元连接，所述中央控制单元包括软件算法功能块与车载计算功能块，所述软件算法功能块通过所述通讯单元接收仿真模块发送的模拟测试场景并向小车单元发送执行指令，所述车载计算功能块为所述软件算法功能块提供运算功能。软件算法功能块经过封装后灌入车载计算功能块这一硬件中，并通过车载计算功能块安装在小车单元中。

进一步地，所述软件算法功能块包括路径规划算法、决策算法与控制算法，所述路径规划算法基于地图和任务完成全局路径的规划，所述决策算法根据路径规划算法制定的全局路径进行行车，同时接收所述仿真模块中模拟测试场景进行行为决策，所述控制算法根据行为决策规划出局部路径和行车路线，生成控制指令，并向所述小车单元发送执行指令。

进一步地，所述小车单元为按比例缩放的真车模型，放置在所述道路单元上，所述小车单元接收所述中央控制单元的执行指令在所述道路单元上实现自动驾驶测试，所述中央控制单元设置在所述小车单元上。

小车单元是由动力系统、制动系统、转向系统等组成的运动执行组合，小车单元收到中央控制单元发出的执行指令，产生前进、后退、减速、加速以及转向等各种行驶动作。

本发明的小车单元由于需要满足教学要求，且要实现复杂仿真测试场景的运行，故无法使用真车开展平台建设。为了解决该问题，本发明采用等比例的缩放，但同时具备类似真车的驾驶功能，本发明采用以下方式解决车辆缩小带来的一系列技术问题：

其中，小车单元按比例放大到真车尺寸后，车长将小于5m，车宽小于2m，车高小于1.5m，车辆轴距小于3.5m，前后轮直径小于1m。

小车单元具备基本的运动学特征，前轮具备转向功能，车轮在转向过程中具备轮速差功能，前轮具有闭环角度控制系统，可精确控制和反馈前轮角度；

小车单元具备电控功能，可用串口、CAN、蓝牙、WIFI、USB、PS2接口、SWD接口以及航模遥控等功能；

小车单元底层主控具备控制执行算法。具备加速度和角速度反馈以及速度闭环功能；

小车单元自带时间戳，能够在给仿真模块传递位置信息的同时传输时间信息。

进一步地，所述道路单元包括但不限于行车道路、行车标识、交通指示灯、交通指示牌、交通隔离设施及路边建筑物中的一种或多静态元素，所述道路单元为所述小车单元提供完成自动驾驶执行指令的承载工具，所述道路单元为按比例缩放的真实道路。

小车单元接收中央控制单元输出的控制指令在道路单元上移动，变换着空间位置，道路单元为了满足小车单元的行车要求，同样根据真实道路元素进行等比例的缩放，缩放比例同小车单元。

道路单元包括但不限于城市快速路、城市主干道、城市次干道、城市支路、环岛、公交专用道、单行道、右转专用道、机非混行道、潮汐车道、左转待转区、有信号灯路口、无信号灯路口、曲线行驶道、路侧停车、隧道以及乡村道路(包括弯道、坡道、砂石路和砖块路)等。

道路单元按比例放大到真实尺寸后，其单车道宽大于3m，路肩宽大于1m。

道路单元为了便于进行测试，其结构组成为可拆卸和组合的方式。

道路单元表面材质的摩擦系数与实际道路相同或接近。

进一步地，所述定位组件包括感知设备、定位标记及定位设备，所述感知设备连接所述小车单元，所述定位标记连接所述道路单元，所述定位设备连接所述中央控制单元，所述道路单元通过定位标记提供静态定位标记信息供与所述小车单元连接的感知设备获取并通过与所述中央控制单元连接的定位设备生成所述小车单元的实时位置信息，所述通讯单元模块将所述小车单元的实时位置信息反馈至所述高性能计算单元，所述高性能计算单元中的仿真车辆根据反馈的位置信息实时更新仿真车辆在仿真道路上的位置信息，定位设备根据定位组件提供的道路环境信息进行目标物识别和自车定位。

其中，感知设备包括但不限于激光雷达、摄像头等元器件。与小车单元连接的感知设备获取道路单元的定位标记信息，标记信息通过感知设备传输至与中央控制单元连接的定位设备中，定位设备对标记信息进行目标识别，通过对比目标物坐标信息，完成小车单元位置的计算和确认，从而获取自车的准确位置。

定位组件能够实现高精度定位。定位精度在100mm以下，具体尺寸为“以100mm为基准进行缩小后的尺寸”，缩小的比例同道路单元及小车单元的缩放比例。本发明的小车单元、道路单元，是实际车体与道路按比例进行缩放得到的，仿真模块中所显示出来的仿真车辆与仿真道路是按实际车体与道路的真实尺寸显示。

产业化应用中车辆的定位技术是很复杂的，而教学平台使用的感知设备受到尺寸和成本的限制，同时还要求不低于产业化要求的定位精度，故本发明采用在道路单元上连接特殊定位标记这一特殊方法实现此功能。

进一步地，所述高性能计算单元为所述仿真模块提供运算功能。

本发明提出的教学平台通过自动驾驶虚实融合测试技术将真实的智能车设计在真实设计的道路上行驶，由仿真模块提供虚拟的仿真场景，结合按比例缩放后的真实道路的静态元素，提供了虚实融合模拟测试场景的教学平台，该教学平台不仅能够提供便于学生直观感受的智能驾驶实车硬件操作，又能够提供海量测试场景，是一种更为先进的辅助教学平台。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于自动驾驶虚实融合测试技术的教学平台，包括教学平台，其特征在于：所述教学平台包括实现测试自动驾驶算法的自动驾驶设备模块及为自动驾驶设备模块提供基于虚实融合后的多种模拟测试场景的仿真模块，所述仿真模块设置在高性能计算单元上，所述高性能计算单元通过无线方式与所述自动驾驶设备模块相连，实现所述自动驾驶设备模块在基于虚实融合后的模拟场景上对自动驾驶算法进行测试。

2.根据权利要求1所述的一种基于自动驾驶虚实融合测试技术的教学平台，其特征在于：所述自动驾驶设备模块包括道路单元、小车单元、中央控制单元、定位组件与通讯单元，所述小车单元分别与所述道路单元、所述定位组件、所述中央控制单元相连，所述定位组件与所述通讯单元相连，所述自动驾驶设备模块通过所述通讯单元与所述高性能计算单元相连，所述通讯单元用于向高性能计算单元传输定位组件的定位位置信息与接收仿真模块的虚实融合后的模拟测试场景。

3.根据权利要求2所述的一种基于自动驾驶虚实融合测试技术的教学平台，其特征在于：所述仿真模块包括仿真道路、仿真车辆以及仿真场景，所述仿真道路、所述仿真车辆由所述道路单元、所述小车单元数字孪生而成，所述仿真场景是在仿真道路的基础上结合动态目标物信息与静态目标物信息构建而成的模拟测试场景，所述仿真场景通过通讯单元将构建的模拟测试场景传输至所述中央控制单元。

4.根据权利要求3所述的一种基于自动驾驶虚实融合测试技术的教学平台，其特征在于：所述动态目标物信息为所述仿真场景虚拟构建的动态元素，所述静态目标物信息为道路单元的数字孪生静态元素以及所述仿真场景虚拟构建的静态元素的合集，所述仿真场景根据动态元素与静态元素的结合构建为若干个模拟测试场景，并通过通讯单元传送至所述中央控制单元。

5.根据权利要求4所述的一种基于自动驾驶虚实融合测试技术的教学平台，其特征在于：所述中央控制单元与所述通讯单元连接，所述中央控制单元包括软件算法功能块与车载计算功能块，所述软件算法功能块通过所述通讯单元接收仿真模块发送的模拟测试场景并向小车单元发送执行指令，所述车载计算功能块为所述软件算法功能块提供运算功能。

6.根据权利要求5所述的一种基于自动驾驶虚实融合测试技术的教学平台，其特征在于：所述软件算法功能块包括路径规划算法、决策算法与控制算法，所述路径规划算法基于地图和任务完成全局路径的规划，所述决策算法根据路径规划算法制定的全局路径进行行车，同时接收所述仿真模块中模拟测试场景进行行为决策，所述控制算法根据行为决策规划出局部路径和行车路线，生成控制指令，并向所述小车单元发送执行指令。

7.根据权利要求6所述的一种基于自动驾驶虚实融合测试技术的教学平台，其特征在于：所述小车单元为按比例缩放的真车模型，放置在所述道路单元上，所述小车单元接收所述中央控制单元的执行指令在所述道路单元上实现自动驾驶测试，所述中央控制单元设置在所述小车单元上。

8.根据权利要求7所述的一种基于自动驾驶虚实融合测试技术的教学平台，其特征在于：所述道路单元包括但不限于行车道路、行车标识、交通指示灯、交通指示牌、交通隔离设施及路边建筑物中的一种或多静态元素，所述道路单元为所述小车单元提供完成自动驾驶执行指令的承载工具，所述道路单元为按比例缩放的真实道路。

9.根据权利要求8所述的一种基于自动驾驶虚实融合测试技术的教学平台，其特征在于：所述定位组件包括感知设备、定位标记及定位设备，所述感知设备连接所述小车单元，所述定位标记连接所述道路单元，所述定位设备连接所述中央控制单元，所述道路单元通过定位标记提供静态定位标记信息供与所述小车单元连接的感知设备获取并通过与所述中央控制单元连接的定位设备生成所述小车单元的实时位置信息，所述通讯单元模块将所述小车单元的实时位置信息反馈至所述高性能计算单元，所述高性能计算单元中的仿真车辆根据反馈的位置信息实时更新仿真车辆在仿真道路上的位置信息。

10.根据权利要求1所述的一种基于自动驾驶虚实融合测试技术的教学平台，其特征在于：所述高性能计算单元为所述仿真模块提供运算功能。

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