10月27日，Mathworks資深應(yīng)用工程師王鴻均在2018全球智能駕駛峰會上發(fā)表主題為《以仿真加速自動駕駛功能的設(shè)計、實(shí)現(xiàn)與驗證》的演講，分享頂尖軟件開發(fā)商和供應(yīng)商眼中仿真加速自動駕駛所需要的功能，以及如何實(shí)現(xiàn)、驗證。
以下是王鴻鈞演講全部內(nèi)容，雷鋒網(wǎng)新智駕進(jìn)行了不改變原意的編輯：
Mathworks作為工具軟件提供商，在系統(tǒng)供應(yīng)商的背后以自己的力量默默推動著自動駕駛系統(tǒng)的發(fā)展。包括整機(jī)產(chǎn)品里面，或多或少都有Mathworks參與的成分。
Mathworks和MATLAB、SIMULINK
Mathworks公司來自美國，公司的宗旨是加速工程與科學(xué)的進(jìn)程。不管是做科研還是做產(chǎn)品，在各種各樣的系統(tǒng)開發(fā)過程中Mathworks的這種基于仿真的工程軟件越來越多地發(fā)揮作用。Mathworks主要產(chǎn)品是MATLAB、SIMULINK。
MATLAB作為一個領(lǐng)先數(shù)學(xué)計算軟件，距今已有35年的歷史了。MATLAB語言已經(jīng)成為一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高級編成語言，它被廣泛的應(yīng)用于算法開發(fā)數(shù)據(jù)計算，數(shù)據(jù)的可視化以及數(shù)據(jù)的分析當(dāng)中。
SIMULINK是基于車輛控制系統(tǒng)框圖對動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真。然后去分析系統(tǒng)的特性、完成系統(tǒng)的設(shè)計。同時SIMULINK軟件支持模型到嵌入式代碼的自動轉(zhuǎn)化，可以將建立的系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換成C或者C++的代碼，把這些代碼直接用到嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中，省去了手寫手動編碼的一個過程，同時SIMULINK提供了非常多的工具箱，可以使用它去進(jìn)行自動控制系統(tǒng)的設(shè)計、信號處理和通訊系統(tǒng)的設(shè)計，以及各種物理對象的建模。
MATLAB和SIMULINK如何用于開發(fā)自動駕駛功能
王鴻鈞介紹，Mathworks可以作用于自動駕駛開發(fā)的三個分析：
第一個方面是控制，MATLAB、SIMULINK是一個自動控制的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件，可以使用MATLAB、SIMULINK去進(jìn)行系統(tǒng)的建模，進(jìn)行控制算法，以及先進(jìn)控制算法的開發(fā)，包括在自動駕駛里面經(jīng)常用到模型預(yù)測控制算法的開發(fā)?？梢赃M(jìn)行仿真、進(jìn)行算法的設(shè)計等等，同時用SIMULINK自動對進(jìn)行進(jìn)行回歸測試。
第二個方面是感知，在感知層Mathworks可以開發(fā)視覺算法，雷達(dá)算法，包括激光雷達(dá)算法，可以對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，對傳感器收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括去設(shè)計深度學(xué)習(xí)的算法。Mathworks可以直接在MATLAB當(dāng)中完成深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練以及網(wǎng)絡(luò)的部署。也可以生成用于GPO的代碼或者是FPGA的代碼，可以直接把它部署到相應(yīng)的硬件。
第三個方面是導(dǎo)航，Mathworks可以使用MATLAB進(jìn)行路徑規(guī)劃的算法的仿真，同時和機(jī)器人操作系統(tǒng)之間有良好的連接性。
此外，作為一個通用的數(shù)學(xué)平臺，MATLAB還提供了非常多的其它功能，比如數(shù)據(jù)分析，大數(shù)據(jù)或者基于大數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)等等。
功能安全方面，自動駕駛系統(tǒng)是高安全性等級要求的系統(tǒng)，Mathworks對系統(tǒng)功能安全方面有一系列認(rèn)證的要求，比如ISO26262的認(rèn)證，Mathworks提供了一整套的驗證和測試的工具鏈，可以幫忙完成認(rèn)證的工作。
Mathworks和Scania的應(yīng)用案例
合作伙伴Scania是Mathworks工具應(yīng)用的典型案例，它用Mathworks工具開發(fā)部署，用AEB的傳感器融合算法。目前AEB也是已經(jīng)開始作為一個歐盟的標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)制安裝在貨車上面，在國內(nèi)也是很快會成為下一個需要強(qiáng)制安裝的對象。
在系統(tǒng)原理上，傳感器融合的算法是從兩類傳感器采集到周圍的環(huán)境感知數(shù)據(jù)。第一類傳感器是毫米波雷達(dá)，第二類傳感器是攝像頭的圖像數(shù)據(jù)，Mathworks針對這兩個傳感器采集到周圍車輛目標(biāo)檢測的結(jié)果去進(jìn)行一個融合，然后獲得周圍環(huán)境的一個準(zhǔn)確感知。
需要通過搭載了雷達(dá)傳感器和視覺傳感器的實(shí)驗車輛進(jìn)行大量公路的實(shí)驗，然后區(qū)別采集到傳感器第一手原始的數(shù)據(jù)，把這些數(shù)據(jù)使用數(shù)存儲下來。傳統(tǒng)上來說，如果設(shè)計了一個新的算法，進(jìn)行了一輪新的迭代，需要從頭進(jìn)行路試，然后把新的算法再進(jìn)行整個100多萬公里的公路測試，但是顯然這個效率是非常低的，所以Mathworks采用一種重復(fù)仿真的工作流程，這中間最關(guān)鍵的核心環(huán)節(jié)就是仿真，也就是采集到了150萬公里的實(shí)車數(shù)據(jù)之后，不需要再去進(jìn)行公路測試了，可以把這些數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)庫里面去，使用設(shè)計算法去運(yùn)行這些數(shù)據(jù)。Mathworks通過仿真的環(huán)節(jié)進(jìn)行一個虛擬的測試，可以進(jìn)行快速的迭代，每修改一輪算法之后只需要在服務(wù)器上面運(yùn)行仿真的環(huán)境，然后在這個仿真的環(huán)境里面測試算法就可以了。
Scania統(tǒng)計的結(jié)果是：每運(yùn)行一次150萬公里的仿真需要的時間是12個小時，只需要12個小時就可以替代150萬公里的公路測試，這是一個非常高效率的行為。
MATLAB在整個傳感器融合算法的開發(fā)過程中提供了一個完整可視化開發(fā)的環(huán)境，以及一個圓形算法。MATLAB提供的功能包括：視頻的播放、視頻上的一些疊加顯示，包括目標(biāo)框的識別、車道線的識別以及右邊鳥瞰圖的繪圖，把這些部分組合起來就可以獲得一個圖形化的傳感器融合的開發(fā)界面，同時Mathworks提供了MATLAB Coder，這是是從MATLAB代碼轉(zhuǎn)換成C或者是C++嵌入式代碼的一個工具。直接使用MATLAB Coder就可以將其轉(zhuǎn)換為C或者C++代碼。得到C代碼以后，就可以把這些算法用于計算機(jī)或者一些嵌入式系統(tǒng)，只要獲得了C或者C++代碼就可以很容易進(jìn)行移植工作。
Mathworks和Voyage的應(yīng)用案例
Voyage是美國一個比較新興的自動駕駛公司。Voyage在2017年公開了一些自動駕駛出租車運(yùn)行的信息。Voyage是怎樣使用MATLAB 和Simulink來開發(fā)他們的車輛縱向控制的呢？
首先Voyage用Simulink進(jìn)行縱向模型控制器的仿真。然后生成一個ROS節(jié)點(diǎn)，和ROS這類系統(tǒng)是有一個比較好的互通性，因為Mathworks提供了相應(yīng)的支持，可以生成C++代碼，用于生成ROS的節(jié)點(diǎn)，同時生成的ROS節(jié)點(diǎn)，用戶可以把它集成到ROS開源軟件的框架里面去。框架里面還有其它的組件，包括感知與規(guī)劃算法在內(nèi)，可以很方便的把其中一部分功能用MATLAB和SIMULINK去補(bǔ)，通過模型開發(fā)，然后再進(jìn)行代碼生成。
Voyage的一個硬件負(fù)責(zé)人說：“我們一直在尋找一種快速原型產(chǎn)品的開發(fā)方式，我們發(fā)現(xiàn)用SIMULINK進(jìn)行控制器的開發(fā)和代碼生成，同時使用MATLAB實(shí)現(xiàn)開發(fā)任務(wù)的自動化，可以幫助我們進(jìn)行快速的迭代，能夠大大提高我們整個產(chǎn)品的開發(fā)效率。”
Voyage很快速的從MATLAB當(dāng)中提供一個參考事例的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真，并且生成控制器的C++代碼，在三天之內(nèi)就集成到了實(shí)車上進(jìn)行測試。其實(shí)它存在非常多的問題，實(shí)在功能上，對它需求的定義也不是很完善，需要在實(shí)車上進(jìn)行大量的實(shí)驗，去完善控制器的設(shè)計需求。
對起停這兩個狀態(tài)分別做設(shè)計，分別設(shè)一個獨(dú)立的控制算法，然后組合起來，形成一個完整的縱向控制器，Voyage在實(shí)車測試的時候，發(fā)現(xiàn)了這些新需求，針對這些新的需求完善設(shè)計，去修改控制器。反復(fù)加入了這類需求之后，Voyage再去修改SIMULINK，和SIMULINK里的算法設(shè)計。最后去完成模型預(yù)測控制的參數(shù)迭代，以及一些邊界約束條件迭代等等，使得整個控制器的性能越來越好，就可以往產(chǎn)品化的方向繼續(xù)努力。
Mathworks提供一系列仿真自動駕駛功能的參考程序
目前絕大多數(shù)已有的汽車產(chǎn)品處于L1-L2階段，在歐盟的標(biāo)準(zhǔn)里面，2020年是L1普及甚至成為強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)的階段。L2在一些車輛上已經(jīng)實(shí)裝了，現(xiàn)在有些產(chǎn)品已經(jīng)有了L2的功能，比如說TGA、交通擁堵輔助這類功能就是典型L2的功能。
L3以上的技術(shù)目前為止并不成熟，Mathworks的demo也在不斷優(yōu)化完善中，目前提供了一個簡單的仿真框架，就是使用雷達(dá)和視覺傳感器，傳感器融合模型預(yù)測控制等等模塊進(jìn)行系統(tǒng)閉環(huán)仿真的MATLAB。這個框架當(dāng)中包含了控制器、傳感器模型，可以在這個基礎(chǔ)上快速進(jìn)行原型系統(tǒng)的仿真?？梢酝ㄟ^SIMULINK當(dāng)中一些樸實(shí)無華的功能去對仿真過程當(dāng)中的信號進(jìn)行分析。
控制器包括兩塊內(nèi)容：第一塊是傳感器融合與目標(biāo)跟蹤；第二塊是右邊ACC控制算法。使用模型預(yù)測控制可以把這部分分別生成C++代碼。對于車輛建模，車輛屬于被控對象，需要用到車輛動力學(xué)模型，所以Mathworks也推出了車輛動力學(xué)模塊庫，同時也支持3D顯示，仿真過程可以通過3D畫面顯示出來。
同時Mathworks也支持批量的自動化測試，因為個自動駕駛功能的測試需要用到大量場景，甚至是幾十萬上百萬公里的測試場景。Mathworks提供了一個駕駛場景設(shè)計器可以去畫一些簡單的測試場景，也提供了一些預(yù)制的駕駛場景，AEB、ACC等等的測試場景，Mathworks也支持Open driver道路文件的導(dǎo)入，用戶可以去導(dǎo)入一些已有的道路去進(jìn)行場景設(shè)計，去進(jìn)行仿真。
還可以使用SIMULINK Test去運(yùn)行自動化的批量測試，載入測試運(yùn)行測試，分析結(jié)果，所有的這些動作都是自動化的，最后可以生成一份測試報告，在測試報告中可以分析哪些測試通過，哪些測試不通過。
最后如果還想把圖像算法或者是激光雷達(dá)算法等集成到整個閉環(huán)的仿真當(dāng)中，Mathworks還提供了一種是可以和“虛幻”引擎的3D道路場景進(jìn)行協(xié)同和仿真的方法。MATLAB通過插件可以使用虛幻編輯器去創(chuàng)造一些自定義的場景，并與SIMULINK進(jìn)行協(xié)同和仿真。
“虛幻”引擎這一類的場景設(shè)計工具，有著相對豐富的資源和素材。同樣Mathworks的三維游戲引擎也可以用來去進(jìn)行雷達(dá)傳感器或者激光雷達(dá)傳感器的建模，整個系統(tǒng)仿真環(huán)境也可以把它放到硬件在環(huán)、甚至是車輛在環(huán)仿真里面去。因為Mathworks的車輛模型傳感器模型都是可以生成C或者是C++代碼的，可以分到仿真機(jī)這種實(shí)時計算機(jī)里面去運(yùn)行。
“虛幻”引擎可以在桌面上運(yùn)行，把嵌入式控制器連接起來就可以形成一個硬件在環(huán)仿真的環(huán)境。在傳統(tǒng)上，MATLAB和SIMULINK本身提供了一套基于模型設(shè)計的微開發(fā)流程完整的工具鏈。
在整個需求定義模型設(shè)計完成之后，還要做相應(yīng)的軟件設(shè)計和代碼生成，Mathworks擁有Simulink Coder這類基于模型的驗證工具，包括代碼驗證工具、進(jìn)行實(shí)時仿真測試的工具等等，這些工具都可以幫助用戶進(jìn)行一個實(shí)際產(chǎn)品的開發(fā)。
Mathworks最后都是面向嵌入式的處理器或者嵌入式的系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)。同時Mathworks也提供了大量的經(jīng)過認(rèn)證的工具，幫助用戶滿足功能安全標(biāo)準(zhǔn)。
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