一輛造型優(yōu)美的白色豐田 SUV 原型車，在該汽車制造商位于日本愛知縣的技術(shù)總部準(zhǔn)備進(jìn)行嚴(yán)格的試駕。工程師們安裝了設(shè)備，使機(jī)器人駕駛員能夠在蜿蜒的道路上準(zhǔn)確評(píng)估車輛的駕駛性和性能，包括其高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)。

實(shí)際上，在本次試駕中所經(jīng)過(guò)的蜿蜒道路是一套精密的車輛在環(huán)仿真 (VILS) 系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)目的在于評(píng)估 ADAS 及其他動(dòng)態(tài)功能。一塊大型外部屏幕負(fù)責(zé)顯示三維場(chǎng)景，與此同時(shí)，實(shí)時(shí)駕駛仿真器會(huì)生成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)以及聲音。包括激光雷達(dá)和相機(jī)在內(nèi)的傳感器提供了實(shí)時(shí)反饋。

豐田的 VILS，名為高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)實(shí)車仿真器 (ADAS-RCS)，使用聯(lián)合仿真模塊通過(guò)底盤測(cè)功機(jī)連接現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界。機(jī)器人駕駛數(shù)小時(shí)，檢查關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)，以查找潛在弱點(diǎn)。然后，人工智能根據(jù)結(jié)果為解決這些弱點(diǎn)設(shè)定目標(biāo)。

“仿真器的主要功能是能夠一次性進(jìn)行多功能評(píng)估，”豐田汽車公司基于模型的開發(fā) X-in-the-Loop 仿真團(tuán)隊(duì) (MBD XILS) 的車輛性能開發(fā)工程師宮田大樹表示，他同時(shí)也在基于模型的設(shè)計(jì)平臺(tái)團(tuán)隊(duì)工作。他的團(tuán)隊(duì)致力于通過(guò)針對(duì)性的仿真來(lái)優(yōu)化車輛開發(fā)流程。實(shí)現(xiàn)精益化的車輛開發(fā)是其目標(biāo)。

豐田的 ADAS-RCS 中逼真的虛擬環(huán)境，支持在各種復(fù)雜路面上進(jìn)行測(cè)試，而這些路面在該汽車制造商的實(shí)體測(cè)試場(chǎng)中并不存在。然而，開發(fā)三維道路數(shù)據(jù)模型需要投入大量的時(shí)間和精力。為解決這一問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)最終采用 MATLAB 和 RoadRunner 來(lái)復(fù)現(xiàn)真實(shí)的外部場(chǎng)地行駛工況。

宮田說(shuō)道：“我們之所以采用 RoadRunner，是因?yàn)樗鼊?chuàng)建三維虛擬場(chǎng)景、讀取多樣化環(huán)境中的各種地圖數(shù)據(jù)，以及通過(guò)與 MATLAB 集成來(lái)分析這些數(shù)據(jù)的能力，都給我們留下了深刻的印象?！彼a(bǔ)充道：“RoadRunner 能夠進(jìn)行直觀的調(diào)整，這也是一個(gè)決定性因素。”

豐田團(tuán)隊(duì)的 VILS 目前主要面向自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的測(cè)試，但工程師們也計(jì)劃將該模擬器用于車道循跡輔助、變道輔助、預(yù)碰撞安全系統(tǒng)以及其他新型高級(jí)安全功能的研發(fā)。

宮田表示：“ADAS-RCS 最近才進(jìn)入運(yùn)行階段。我們認(rèn)為它在未來(lái)還有非常廣闊的應(yīng)用前景?！?/p>

將危險(xiǎn)路況測(cè)試前置

在過(guò)去，豐田的專業(yè)駕駛員，被稱為“大師”，需要在該汽車制造商位于日本的測(cè)試場(chǎng)上，耗費(fèi)大量時(shí)間來(lái)評(píng)估車輛性能。由于設(shè)計(jì)上的限制，他們不得不在汽車開發(fā)流程的后期，才對(duì)最壞情況場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試。天氣狀況會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件，常常導(dǎo)致需要重新測(cè)試，這給本已緊張的開發(fā)計(jì)劃帶來(lái)了更大壓力。

隨著高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 和軟件定義汽車的出現(xiàn)，汽車開發(fā)變得日益復(fù)雜。在豐田，工程師們正在將 ADAS 的道路測(cè)試前置，通過(guò)復(fù)現(xiàn)各種影響駕駛員反應(yīng)、判斷和車輛操作的狀況來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如，在交通繁忙時(shí)變道或是在曲折的山路上行駛。

宮田指出：“像天氣、行人及移動(dòng)物體這類因素，是無(wú)法通過(guò)預(yù)設(shè)場(chǎng)景來(lái)完全捕捉的?？焖侔l(fā)現(xiàn)并攻克此類邊緣場(chǎng)景，對(duì)于提升車輛的功能安全與網(wǎng)絡(luò)安全至關(guān)重要?！?/p>

豐田 VILS、ADAS-RCS 的架構(gòu)圖。共有四個(gè)階段：虛擬環(huán)境、傳感器-車輛模型、底盤測(cè)功機(jī)和AI評(píng)估，每個(gè)階段都配有ADAS開發(fā)和測(cè)試的圖標(biāo)說(shuō)明。

視野受阻和盲區(qū)彎道構(gòu)成了最大的技術(shù)挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)的純手動(dòng)場(chǎng)景生成流程中，創(chuàng)建三維道路既費(fèi)力又耗時(shí)，每條路段都需要耗費(fèi)超過(guò)六個(gè)月的時(shí)間。此外，這些路線也無(wú)法在豐田的其他模擬器中使用，包括模型在環(huán) (MIL) 和軟件在環(huán) (SIL) 模擬器。

宮田說(shuō)道：“豐田擁有各種不同的模擬器，如果為每一種都準(zhǔn)備無(wú)法復(fù)用的專屬場(chǎng)景，將會(huì)產(chǎn)生巨大的成本?！?他的團(tuán)隊(duì)需要一種更快速、更高效的方法。

在宮田擔(dān)任豐田汽車性能工程師的早期，他曾負(fù)責(zé)提升車輛的舒適性。他在開發(fā)一種測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的方法時(shí)，首次接觸到了 MATLAB。他回憶道：“我加深了對(duì)信號(hào)處理的理解。得益于 MATLAB 及其工具箱，我才能夠?qū)Ｗ⒂谧约赫嬲胱龅氖虑椤！?/p>

他最終選擇使用 MATLAB 和 RoadRunner，為 MBD XILS 小組的仿真平臺(tái)生成三維駕駛路線。團(tuán)隊(duì)首先從 ZENRIN DataCom 的標(biāo)準(zhǔn)清晰度地圖數(shù)據(jù)段中，提取經(jīng)度、緯度和高程數(shù)據(jù)，用于道路生成階段。

宮田憑借其在 MATLAB 方面的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出一種方法，將道路生成所需的繁瑣數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，包括生成道路傾斜坡度所需的點(diǎn)平滑和曲線擬合，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。隨后，宮田使用 Automated Driving Toolbox 中的駕駛場(chǎng)景設(shè)計(jì)器，將地圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 OpenDRIVE 格式。

“駕駛場(chǎng)景設(shè)計(jì)器非常方便，它讓我能夠比預(yù)期更快地完成我想做的工作?！彼f(shuō)道。

生成貼近現(xiàn)實(shí)的周邊環(huán)境

生成道路之后，工程師們利用 RoadRunner 來(lái)構(gòu)建周邊環(huán)境。這時(shí)，團(tuán)隊(duì)遇到了俯仰問(wèn)題。乍一看，交互式編輯器中的道路似乎很平滑，但當(dāng)宮田在模擬器中沿路行駛時(shí)，車輛卻像在崎嶇不平的道路上一樣上下顛簸。RoadRunner 根據(jù) OpenDRIVE 文件創(chuàng)建了道路，但由于道路連接處的海拔高度不連續(xù)，導(dǎo)致路面出現(xiàn)了厘米級(jí)的顛簸。

宮田在 MATLAB 中創(chuàng)建道路時(shí)，對(duì)高程信息使用了多項(xiàng)式近似法，但使用 RoadRunner Scene Builder 則避免了類似的顛簸問(wèn)題。他說(shuō)道：“現(xiàn)在我們能夠以更高的效率和更強(qiáng)的可擴(kuò)展性來(lái)生成道路模型了。”

當(dāng)宮田將高程數(shù)據(jù)添加到模擬器中，并帶著同事進(jìn)行試駕時(shí)，又出現(xiàn)了另一個(gè)問(wèn)題。顯示器上前方可見的道路，似乎漂浮在點(diǎn)綴著稀疏卷云的明亮藍(lán)天中。

事實(shí)證明，問(wèn)題在于某些地點(diǎn)缺少海拔數(shù)據(jù)。這些數(shù)字高程數(shù)據(jù)源自日本國(guó)土地理院，該機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)日本全國(guó)的勘測(cè)與地圖繪制工作。然而，團(tuán)隊(duì)當(dāng)時(shí)使用的一款第三方工具，在所選的地圖數(shù)據(jù)段中，將河流處的海拔高度顯示為 -9,999。為解決這個(gè)問(wèn)題，宮田再次求助于 MATLAB。

他的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)工具，該工具能將高程數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)相結(jié)合，并將其轉(zhuǎn)換為拼接融合后的 GeoTIFF 格式，以供 RoadRunner 使用。在新的高程數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后，宮田在 RoadRunner 的圖形用戶界面中，將注意力集中在了一個(gè)特定的地圖區(qū)域。他將圖像拖放到地面上，檢查其貼合度，然后添加了 OpenDRIVE 道路數(shù)據(jù)。只需幾次簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊，他就添加了虛線將道路變成了雙車道，進(jìn)行了一些微調(diào)，并粘貼了高程信息。

宮田說(shuō)道：“RoadRunner 的圖形用戶界面非常直觀。面對(duì)像這樣棘手的情況，可以很輕松地進(jìn)行調(diào)整?！?/p>

最后一步是通過(guò) RoadRunner Scenario 中的視頻回放來(lái)檢查道路的生成效果。一個(gè)按鈕提供了無(wú)人機(jī)視角的 360 度鳥瞰圖，另一個(gè)按鈕則允許團(tuán)隊(duì)從駕駛員的視角來(lái)觀察道路。這一次，ADAS-RCS 終于呈現(xiàn)出了精確傾斜的區(qū)域和連綿起伏的山景。道路懸浮的問(wèn)題不復(fù)存在。為連綿起伏的地形添加陰影和細(xì)節(jié)，營(yíng)造出了一個(gè)更逼真的環(huán)境。

宮田說(shuō)道：“如果沒(méi)有 RoadRunner，創(chuàng)建這些虛擬路段將會(huì)耗費(fèi)我們巨大的時(shí)間和精力?！?宮田估計(jì)，他的團(tuán)隊(duì)若要?jiǎng)?chuàng)建類似的駕駛場(chǎng)景，至少需要長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月的時(shí)間。

擴(kuò)展精益車輛開發(fā)

過(guò)去宮田的團(tuán)隊(duì)需要一天以上才能創(chuàng)建的新三維路段，現(xiàn)在不到 30 分鐘就能完成。RoadRunner 提升了團(tuán)隊(duì)的整體效率。

宮田解釋道：“能夠輸出適用于各種模擬器的格式，例如 OpenDRIVE 和 OpenSceneGraph，這極大地降低了場(chǎng)景生成成本。這是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)?！?/p>

接下來(lái)，他所在的小組計(jì)劃進(jìn)一步實(shí)現(xiàn) VILS 流程的自動(dòng)化和精益化。他們還計(jì)劃與量產(chǎn)開發(fā)團(tuán)隊(duì)合作，將仿真的優(yōu)勢(shì)帶給他們。Miyata 認(rèn)為，讓更多人來(lái)使用這項(xiàng)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行改進(jìn)，是至關(guān)重要的。

在 MATLAB EXPO 日本用戶大會(huì)的演講中，宮田探討了擴(kuò)展開發(fā)的問(wèn)題。他重點(diǎn)介紹了 MATLAB 實(shí)時(shí)腳本、App 設(shè)計(jì)工具 和 MATLAB Compiler 如何幫助部署代碼，以供多用戶處理地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)。他表示，使用 Git 可以實(shí)現(xiàn)版本控制，并根據(jù)用戶需求進(jìn)行定制化。他接著說(shuō)道，實(shí)時(shí)腳本還可以在 JupyterLab 等環(huán)境中編寫易于理解的操作手冊(cè)，從而實(shí)現(xiàn)用戶友好的應(yīng)用程序部署。

自那次 EXPO 活動(dòng)后，他的團(tuán)隊(duì)利用免費(fèi)的可編輯全球地圖 OpenStreetMap 擴(kuò)展了仿真器的功能，用以復(fù)現(xiàn)被稱為“豆腐塊建筑”的簡(jiǎn)單建筑物，這個(gè)名字源于長(zhǎng)方形的豆腐塊。豐田還有一個(gè)專門負(fù)責(zé)生成高精度資產(chǎn)的部門。宮田表示，ADAS-RCS 項(xiàng)目激勵(lì)了他們?nèi)ヌ剿骼眠@些資源的新方法。

利用 ADAS-RCS 將公共道路駕駛評(píng)估前置的工作，目前仍處于驗(yàn)證階段，但宮田和他的同事們預(yù)計(jì)，這最終將使進(jìn)行實(shí)際試駕所需的天數(shù)減少約70%。

該小組未來(lái)的計(jì)劃包括：利用從現(xiàn)場(chǎng)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)人工智能 在 RoadRunner 中對(duì)建筑物資產(chǎn)進(jìn)行自動(dòng)分類和放置。他們也正在探索混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用。

宮田說(shuō)道：“此外，我們已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，成功地利用 RoadRunner Scenario 引入了真實(shí)的交通流。沒(méi)有逼真的仿真環(huán)境，就無(wú)法對(duì) ADAS 進(jìn)行全面的測(cè)試?！?/p>

在為仿真環(huán)境構(gòu)建數(shù)字資產(chǎn)的過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)處理了許多具有挑戰(zhàn)性的案例。擁有功能強(qiáng)大且易于使用的工具是必不可少的。

他繼續(xù)說(shuō)道：“如果我們能有效地利用數(shù)字資產(chǎn)，我們期望 ADAS-RCS 和 XILS 能夠再上一個(gè)新臺(tái)階。將其部署為工具鏈將成為可能，從而改進(jìn)整個(gè)車輛開發(fā)流程?！?/p>