CN114863706B - 一种面向高速公路的车路协同自动驾驶仿真测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向高速公路的车路协同自动驾驶仿真测试系统及方法，测试系统包括真实物理单元系统、虚拟现实测试系统和用于在二者之间提供数据通信和网络传输的通信网络系统，真实物理单元系统包括智能网联测试车、封闭测试场地道路和高速公路路侧智能设施，虚拟现实测试系统包括高速公路地图获取模块、地形环境构建模块、车辆孪生模块和交通场景模块，车辆孪生模块具备使智能网联测试车在封闭测试场地道路中经纬度坐标到孪生车辆在高速公路地形环境中坐标转换的功能。该仿真测试系统通过封闭测试场地道路和虚拟仿真测试软件测试代替高速公路路测，可完全弥补实车上路测试的不足，不仅可以节省大量的财力和人力，而且效率高，还可保证安全性。

Description

一种面向高速公路的车路协同自动驾驶仿真测试系统及方法
技术领域
本发明涉及智能交通、自动驾驶车路协同技术领域，具体涉及一种面向高速公路的车路协同自动驾驶仿真测试系统及方法。
背景技术
智能交通系统是缓解交通拥堵和保证交通安全的重要技术手段。随着人工智能、移动互联、大数据等新一代信息技术的迅速发展，以自动驾驶为主要特征的新一代智能交通系统将逐渐成为解决交通问题的突破口。车路协同系统作为近年来智能交通系统的重要研究方向和关键技术之一，已经成为当前解决交通安全，通行效率等多种交通问题的重要技术手段。车路协同是采用先进的无线通信和新一代互联网等技术，全方位实施车与车、车与路、车与人之间动态实时信息交互，并在全时空动态交通信息采集与融合的基础上开展车辆主动安全控制和道路协同管理，充分实现人车路的有效协同，保证交通安全，提高通行效率，从而形成安全、高效和环保的道路交通系统。
我国高速公路基本属于封闭式道路，相对城市开放道路来说，不受行人的影响，交通环境简单，其次高速公路道路相比市政道路路面、弯道、交叉道口来说，具有更平整的路面，车道线简单，另外高速公路路侧机电通讯设施完善，这些都是高速公路最先实现车路协同自动驾驶的有利条件。智能网联汽车要在高速上的道路上行驶，要对它的安全性进行验证，在目前的自动驾驶测试方法中，主要是在特定道路测试，车路协同测试所需要的道路条件很高，如果在高速公路实车测试危险性较大，对智能网联测试车辆的智能性测试局限性较大，并且车路协同自动驾驶测试有较高的路况要求和相关的交通配套设施要求，需要较为完善的路网系统和车路通信硬件系统，构建成本巨大，一些危险场景和边界场景在实车测试时并不能遇到，同时天气和光照系统等也会对测试形成巨大的影响。
发明内容
本发明所要解决的问题是针对智能网联车辆面向高速公路进行车路协同自动驾驶上路实车测试时的安全性、功能局限性和可操作复现性等问题，提供一种面向高速公路的车路协同自动驾驶仿真测试系统，该仿真测试系统用封闭场地和虚拟场景代替高速公路路测，可以完全弥补实车上路测试的不足。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种面向高速公路的车路协同自动驾驶仿真测试系统，包括真实物理单元系统、虚拟现实测试系统和用于在所述真实物理单元系统和所述虚拟现实测试系统之间提供数据通信和网络传输的通信网络系统；
所述真实物理单元系统包括：
智能网联测试车，所述智能网联测试车搭载OBU车载单元以实现车载传感数据的收发；
封闭测试场地道路，用于使所述智能网联测试车接收所述虚拟现实测试系统场景信息后进行执行决策测试；
高速公路路侧智能设施，用于收集路侧环境感知信息，并传递给所述智能网联测试车的所述OBU车载单元；
所述虚拟现实测试系统包括：
高速公路地图获取模块，用于获取待测高速公路矢量路网、卫星影像地图及卫星高程数据；
地形环境构建模块，用于构建高速公路地形环境并导入虚拟仿真测试软件中，所述虚拟仿真测试软件设置在上位机中；
车辆孪生模块，用于将所述智能网联测试车映射到所述虚拟仿真测试软件中，以在所述虚拟仿真测试软件中构建与所述智能网联测试车相同的孪生车辆，所述车辆孪生模块具备使所述智能网联测试车在所述封闭测试场地道路中经纬度坐标到所述孪生车辆在所述高速公路地形环境中坐标转换的功能；
交通场景模块，用于在所述虚拟仿真测试软件中构建虚拟的交通环境及气象状态。
优选地，所述智能网联测试车搭载GNSS、IMU定位设备以实现对所述智能网联测试车的高精度定位。
优选地，所述智能网联测试车在所述封闭测试场地道路中经纬度坐标到所述孪生车辆在所述高速公路地形环境中坐标转换标定方法为：
Figure BDA0003615825830000031
Figure BDA0003615825830000032
Figure BDA0003615825830000033
上述x,y为所述高速公路地形环境中所述孪生车辆的二维坐标，X，Y为所述智能网联测试车在所述封闭测试场地道路中的二维坐标，A为缩放矩阵，B为偏移矢量。
优选地，所述高速公路路侧智能设施包括可变情报板和RSU路侧单元，所述RSU路侧单元和所述OBU车载单元通讯连接。
优选地，所述通信网络系统包括：
车端通信模块，设置在所述智能网联测试车上，用于接收将所述OBU车载单元收集的车辆运行状态信息；
路侧通信模块，设置在所述高速公路路侧智能设施内或与所述高速公路路侧智能设施通讯连接，用于接收所述高速公路路侧智能设施信息；
上位机通信模块，设置在所述上位机中，分别与所述车端通信模块、所述路侧通信模块和所述虚拟现实测试系统连接，所述上位机通信模块用于接收所述车端通信模块信息和所述路测通信模块信息，并将接收到的信息处理后，发送给所述虚拟现实测试系统，所述上位机通信模块同时接收所述虚拟现实测试系统信息并通过所述车端通信模块回传给所述智能网联测试车。
进一步地，所述上位机通信模块接收所述车辆孪生模块中的所述孪生车辆的位置信息和所述孪生车辆的感知信息，并发送到所述车端通信模块中。
进一步地，所述上位机通信模块接收所述交通场景模块构建的虚拟环境信息，并发送到所述车端通信模块中。
进一步地，所述车端通信模块和所述路侧通信模块之间通过LTE—V进行连接，所述车端通信模块和所述上位机通信模块之间通过WIFI/以太网进行连接，所述路侧通信模块和所述上位机通信模块之间通过串口通信，所述上位机通信模块和所述虚拟现实测试系统之间通过TCP协议通信。
本发明还提供一种面向高速公路的车路协同自动驾驶仿真测试方法，包括如下步骤：
步骤S1：通过虚拟现实测试系统获取高速公路路网信息，匹配卫星高程数据，构建高速公路地形环境，并导入虚拟仿真测试软件中；
步骤S2：通过所述虚拟现实测试系统构建与智能网联测试车相同的孪生车辆，并将所述智能网联测试车在封闭测试场地道路中起点坐标和所述孪生车辆在所述高速公路地形环境中坐标转换标定；
步骤S3：通过通信网络系统使真实物理单元系统实时向所述虚拟现实测试系统发送所述智能网联车的位姿状态信息和路侧信息；
步骤S4：所述虚拟现实测试系统中所述孪生车辆接收位姿信息后通过转换矩阵，实时更新位置，同时所述虚拟现实测试系统接收路侧信息，更新交通场景模块中可变情报板；
步骤S5：通过所述虚拟现实测试系统中所述交通场景模块设置交通场景，使孪生车辆触发所述交通场景后，将感知信号通过所述通信网络系统回传给所述智能网联测试车；
步骤S6：所述智能网联测试车接收感知信号，进行决策控制测试后返回步骤S3。
优选地，步骤S3和步骤S5可同时进行。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的面向高速公路的车路协同自动驾驶仿真测试系统通过虚拟仿真测试能够真实还原高速公路测试场景，测试时，使智能网联测试车在封闭测试场地道路中接收虚拟现实测试系统中的环境信息后对控制执行系统进行测试，通过封闭测试场地道路和虚拟仿真测试软件测试代替高速公路路测，可以完全弥补实车上路测试的不足，不仅可以节省大量的财力和人力，而且效率高，还保证了安全性。
附图说明
附图1为本实施例的面向高速公路的车路协同自动驾驶仿真测试系统的框架示意图；
附图2为本实施例的面向高速公路的车路协同自动驾驶仿真测试方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
实施例一
本实施例是一种面向高速公路的车路协同自动驾驶仿真测试系统，如图1所示，该仿真测试系统包括真实物理单元系统、虚拟现实测试系统和通信网络系统。
真实物理单元系统是测试物理单元实体，其包括智能网联测试车、封闭测试场地道路和高速公路路侧智能设施。
智能网联测试车为物理实体车辆。智能网联测试车搭载OBU车载单元，以实现车载传感数据的收发。智能网联测试车还搭载GNSS、IMU定位设备，以实现测试过程中对智能网联测试车的高精度定位。
封闭测试场地道路用于在智能网联测试车接收虚拟现实测试系统场景信息后进行执行决策测试。本申请中，封闭测试场地道路为一般的封闭测试场地，满足现有技术中对封闭测试场地的要求即可。
高速公路路侧智能设施设置在封闭测试场地道路的路侧，用于收集路侧环境感知信息，并将收集到的信息传递给智能网联测试车的OBU车载单元。高速公路路侧智能设施包括可变情报板和RSU路侧单元。可变情报板用于实时显示智能网联测试车前方因天气、自然灾害、交通事故等原因发生变化的行车环境。本实施例中，可变情报板信息通过人为输入。RSU路侧单元与智能网联测试车的OBU车载单元进行通讯，实现车辆身份识别。
虚拟现实测试系统布置在上位机中，用于在虚拟仿真测试软件中构建待测高速公路地图、路侧信号、孪生车辆以及设定交通场景。
虚拟仿真测试软件可采用SCANeR Studio，当然采用其他仿真测试软件亦可，虚拟仿真测试软件安装在上位机中。
虚拟现实测试系统包括高速公路地图获取模块、地形环境构建模块、车辆孪生模块和交通场景模块。
高速公路地图获取模块用于获取待测高速公路OSM矢量路网、卫星影像地图及卫星高程DEM数据。
地形环境构建模块用于在虚拟仿真测试软件中构建高速公路地形环境。具体构建方法为：
将通过高速公路地图获取模块获取的高速公路OSM矢量路网和卫星影像地图导入GIS专业软件中，并进行匹配校正，通过匹配卫星高程DEM数据来表现道路的起伏，获得基础的地形模型。高速公路路面材质、周边的护栏和其他建筑环境通过特定建模软件以规则建模的方式快速动态建模，并使用三维渲染软件对地形环境渲染，最终形成高速公路地形环境，并生成特定的格式数据导入虚拟仿真测试软件中。
本实施例中，GIS专业软件为QGIS或AreGIS中的一种，特定规则建模软件为Cityengine，三维渲染软件为UE4。
车辆孪生模块用于将物理实体车辆映射到虚拟仿真测试软件中，实现物理实体车辆在虚拟现实测试系统中的数字化表达，即在虚拟仿真测试软件中构建一个与智能网联测试车相同的孪生车辆。在虚拟仿真测试软件中构建孪生车辆可采用现有技术中车辆模型的构建方法。
车辆孪生模块具备使智能网联测试车在封闭测试场地道路中经纬度坐标到孪生车辆在虚拟仿真测试软件的高速公路地形环境中坐标转换的功能，从而使得智能网联测试车在封闭测试场地道路中的位置能够与孪生车辆在高速公路地形环境中的位置相对应，使得智能网联测试车在封闭测试场地道路中进行测试即可模拟其在高速公路上行驶的特征，从而提高测试的安全性能。
具体坐标转换标定方法如下：
Figure BDA0003615825830000061
Figure BDA0003615825830000062
Figure BDA0003615825830000063
其中，x,y为孪生车辆在虚拟仿真测试软件的高速公路地形环境中的二维坐标，X，Y为真实物理单元系统中智能网联测试车在封闭测试场地道路中的二维坐标，A为缩放矩阵，B为偏移矢量。通过选定的三组对应位置坐标，即可计算出A、B。
交通场景模块用于在虚拟仿真测试软件中构建虚拟的交通环境及气象状态，从而为物理实体车辆提供虚拟测试感知环境，并使虚拟测试感知环境达到对真实世界的拟真度。交通环境是指合理的交通流量信息及周围交通车辆行为。气象状态指的是模拟真实环境中的天气状态、时间变化以及不同时间的光影变化。
通信网络系统为真实物理单元系统和虚拟现实测试系统之间提供数据通信和网络传输，从而形成完整的测试闭环。
通信网络系统包括车端通信模块、路侧通信模块和上位机通信模块。
车端通信模块设置在智能网联测试车上，车端通信模块与高速公路路侧智能设施相连，用于接收路侧智能设施信息。
车端通信模块可以为单独设置的模块，也可以集成设置在OBU车载单元中。
路侧通信模块可单独设置，并与高速公路路侧智能设施之间实现通讯；也可集成设置在高速公路路侧智能设施内。
上位机通信模块设置在上位机中，上位机通信模块分别与车端通信模块、路侧通信模块和虚拟现实测试系统连接。上位机通信模块用于接收车端通信模块信息和路测通信模块信息，并将接收到的信息同步处理后，发送给虚拟现实测试系统。上位机通信模块同时将虚拟现实测试系统中的车辆、环境感知信息回传给车端通信模块，以使得智能网联测试车根据接收到的信息进行相应的执行决策。
具体的，车端通信模块将OBU车载单元收集的智能网联测试车的运行状态信息发送至上位机通信模块中，智能网联测试车运行状态信息包括智能网联测试车的位置、速度等信息，上位机通信模块接收将相应信息发送到虚拟现实测试系统中，使孪生车辆更新运行状态。同时，上位机通信模块接收车辆孪生模块中的孪生车辆位置信息和孪生车辆感知信息，并发送到车端通信模块中，控制智能网联测试车执行决策。
路侧通信模块将可变情报板信息、路侧感知信息发送至上位机通信模块中，上位机通信模块接收将相应信息发送到虚拟现实测试系统中，使孪生车辆根据相应信息进行相应的动作，并更新交通场景模块中的可变情报板。
虚拟现实测试系统中交通场景模块所构建的虚拟环境信息可发送到上位机通信模块中，上位机通信模块接收将相应信息后发送到车端通信模块中，控制智能网联测试车执行决策。
本实施例中，车端通信模块和路侧通信模块之间通过LTE—V进行连接，车端通信模块和上位机通信模块之间通过WIFI/以太网进行连接，路侧通信模块和上位机通信模块之间通过串口通信，上位机通信模块和虚拟现实测试系统之间通过TCP协议通信。
实施例二
本实施例提供一种面向高速公路的车路协同自动驾驶仿真测试方法，用于实现高速公路车路协同自动驾驶仿真测试，测试流程见图2所示，具体包括如下步骤：
(1)通过虚拟现实测试系统的高速公路地图获取模块获取高速公路路网信息，并匹配卫星高程DEM数据，通过虚拟现实测试系统的地形环境构建模块构建高速公路地形环境，并导入虚拟仿真测试软件中。
(2)通过虚拟现实测试系统的车辆孪生模块在虚拟仿真测试软件中构建与智能网联测试车相同的孪生车辆，并将智能网联测试车在封闭测试场地道路中的起点坐标和孪生车辆在高速公路地形环境中的坐标转换标定。
(3)通过通信网络系统使真实物理单元系统实时向虚拟现实测试系统发送智能网联测试车位姿状态信息和路侧信息。
具体为：车端通信模块将OBU车载单元收集的智能网联测试车的运行状态信息发送至上位机通信模块中，上位机通信模块接收将相应信息并发送到虚拟现实测试系统中；路侧通信模块将可变情报板信息、路侧感知信息发送至上位机通信模块中，上位机通信模块接收将相应信息并发送到虚拟现实测试系统中。
(4)虚拟现实测试系统中的孪生车辆接收位姿信息后通过转换矩阵，实时更新位置。虚拟现实测试系统接收路侧信息后，更新交通场景模块中的可变情报板。
(5)通过虚拟现实测试系统中的交通场景模块设置交通场景，孪生车辆触发相应交通场景后，将感知信号回传到上位机通信模块，并发送到车端通信模块，从而回传给智能网联测试车。
(6)真实物理单元系统中智能网联测试车接收感知信号，进行决策控制测试，之后返回到步骤(3)，从而形成完整的测试闭环。
上述步骤中，步骤(3)和步骤(5)可同时进行。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种面向高速公路的车路协同自动驾驶仿真测试系统，其特征在于：包括真实物理单元系统、虚拟现实测试系统和用于在所述真实物理单元系统和所述虚拟现实测试系统之间提供数据通信和网络传输的通信网络系统；
所述真实物理单元系统包括：
智能网联测试车，所述智能网联测试车搭载OBU车载单元以实现车载传感数据的收发；
封闭测试场地道路，用于使所述智能网联测试车接收所述虚拟现实测试系统场景信息后进行执行决策测试；
高速公路路侧智能设施，用于收集路侧环境感知信息并传递给所述智能网联测试车的所述OBU车载单元，所述高速公路路侧智能设施包括可变情报板和RSU路侧单元，所述RSU路侧单元和所述OBU车载单元通讯连接；
所述虚拟现实测试系统包括：
高速公路地图获取模块，用于获取待测高速公路矢量路网、卫星影像地图及卫星高程数据；
地形环境构建模块，用于构建高速公路地形环境并导入虚拟仿真测试软件中，所述虚拟仿真测试软件设置在上位机中；
车辆孪生模块，用于将所述智能网联测试车映射到所述虚拟仿真测试软件中，以在所述虚拟仿真测试软件中构建与所述智能网联测试车相同的孪生车辆，所述车辆孪生模块具备使所述智能网联测试车在所述封闭测试场地道路中经纬度坐标到所述孪生车辆在所述高速公路地形环境中坐标转换的功能，所述智能网联测试车在所述封闭测试场地道路中经纬度坐标到所述孪生车辆在所述高速公路地形环境中坐标转换标定方法为：
Figure QLYQS_1
Figure QLYQS_2
Figure QLYQS_3
上述x,y为所述高速公路地形环境中所述孪生车辆的二维坐标，X，Y为所述智能网联测试车在所述封闭测试场地道路中的二维坐标，A为缩放矩阵，B为偏移矢量；
交通场景模块，用于在所述虚拟仿真测试软件中构建虚拟的交通环境及气象状态；
所述通信网络系统包括：
车端通信模块，设置在所述智能网联测试车上，用于接收将所述OBU车载单元收集的车辆运行状态信息；
路侧通信模块，设置在所述高速公路路侧智能设施内或与所述高速公路路侧智能设施通讯连接，用于接收所述高速公路路侧智能设施信息；
上位机通信模块，设置在所述上位机中，分别与所述车端通信模块、所述路侧通信模块和所述虚拟现实测试系统连接，所述上位机通信模块用于接收所述车端通信模块信息和所述路侧通信模块信息，并将接收到的信息处理后，发送给所述虚拟现实测试系统，所述上位机通信模块同时接收所述虚拟现实测试系统信息并通过所述车端通信模块回传给所述智能网联测试车。
2.根据权利要求1所述的面向高速公路的车路协同自动驾驶仿真测试系统，其特征在于：所述智能网联测试车搭载GNSS、IMU定位设备以实现对所述智能网联测试车的高精度定位。
3.根据权利要求1所述的面向高速公路的车路协同自动驾驶仿真测试系统，其特征在于：所述上位机通信模块接收所述车辆孪生模块中的所述孪生车辆的位置信息和所述孪生车辆的感知信息，并发送到所述车端通信模块中。
4.根据权利要求1所述的面向高速公路的车路协同自动驾驶仿真测试系统，其特征在于：所述上位机通信模块接收所述交通场景模块构建的虚拟环境信息，并发送到所述车端通信模块中。
5.根据权利要求1所述的面向高速公路的车路协同自动驾驶仿真测试系统，其特征在于：所述车端通信模块和所述路侧通信模块之间通过LTE—V进行连接，所述车端通信模块和所述上位机通信模块之间通过WIFI/以太网进行连接，所述路侧通信模块和所述上位机通信模块之间通过串口通信，所述上位机通信模块和所述虚拟现实测试系统之间通过TCP协议通信。
6.一种面向高速公路的车路协同自动驾驶仿真测试方法，其特征在于：根据权利要求1～5中任一项所述的面向高速公路的车路协同自动驾驶仿真测试系统进行测试，具体包括如下步骤：
步骤S1：通过虚拟现实测试系统获取高速公路路网信息，匹配卫星高程数据，构建高速公路地形环境，并导入虚拟仿真测试软件中；
步骤S2：通过所述虚拟现实测试系统构建与智能网联测试车相同的孪生车辆，并将所述智能网联测试车在封闭测试场地道路中起点坐标和所述孪生车辆在所述高速公路地形环境中坐标转换标定；
步骤S3：通过通信网络系统使真实物理单元系统实时向所述虚拟现实测试系统发送所述智能网联车的位姿状态信息和路侧信息；
步骤S4：所述虚拟现实测试系统中所述孪生车辆接收位姿信息后通过转换矩阵，实时更新位置，同时所述虚拟现实测试系统接收路侧信息，更新交通场景模块中可变情报板；
步骤S5：通过所述虚拟现实测试系统中所述交通场景模块设置交通场景，使孪生车辆触发所述交通场景后，将感知信号通过所述通信网络系统回传给所述智能网联测试车；
步骤S6：所述智能网联测试车接收感知信号，进行决策控制测试后返回步骤S3。
7.根据权利要求6所述的面向高速公路的车路协同自动驾驶仿真测试方法，其特征在于：步骤S3和步骤S5可同时进行。
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