王成康, 黃李波

(同濟(jì)大學(xué)，上海 201804)

0 引 言

智能駕駛技術(shù)包括感知、決策、規(guī)劃、控制等模塊，目前在智能駕駛中常采用瀑布式的流程，即感知模塊的結(jié)果作為決策模塊的輸入，決策模塊的結(jié)果作為規(guī)劃控制的輸入，因此智能車感知與決策的能力十分重要。很多感知、決策模塊的算法基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)，這類算法的效果高度依賴于訓(xùn)練數(shù)據(jù)的豐富程度。目前，大部分駕駛數(shù)據(jù)主要通過(guò)駕駛員駕駛裝有各類傳感器的車輛在實(shí)際道路中采集。實(shí)車采集數(shù)據(jù)需要耗費(fèi)大量的時(shí)間與精力，并且在采集過(guò)程中受限于天氣、安全性等多種人為不可控因素。此外，實(shí)車采集數(shù)據(jù)存在極端場(chǎng)景數(shù)據(jù)缺失，數(shù)據(jù)標(biāo)注工作繁重等缺點(diǎn)。從虛擬的仿真環(huán)境中采集帶標(biāo)簽的數(shù)據(jù)被證明是真實(shí)道路數(shù)據(jù)補(bǔ)充的一種可行手段。基于開(kāi)源智能駕駛仿真平臺(tái)CARLA搭建了駕駛員在環(huán)的駕駛仿真平臺(tái)。為了提高駕駛仿真平臺(tái)的擬真度，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向盤力反饋與轉(zhuǎn)向燈功能。提出的駕駛仿真平臺(tái)可以被用于駕駛數(shù)據(jù)采集、駕駛行為分析等領(lǐng)域。

1 駕駛仿真平臺(tái)介紹

1.1 CARLA軟件介紹

CARLA[1]是由西班牙巴塞羅那自治大學(xué)計(jì)算機(jī)視覺(jué)中心指導(dǎo)開(kāi)發(fā)的開(kāi)源模擬器，用于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、訓(xùn)練和驗(yàn)證等多個(gè)環(huán)節(jié)。CARLA的渲染系統(tǒng)采用虛幻引擎，可以擬真地表現(xiàn)出光照、陰影，實(shí)現(xiàn)不同的天氣狀態(tài)。通過(guò)采用主從式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，CARLA支持多個(gè)用戶在同一個(gè)虛擬世界中同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在場(chǎng)景方面，CARLA提供了為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)開(kāi)發(fā)創(chuàng)建的開(kāi)源數(shù)字資源(包括城市地圖、建筑物、交通信號(hào)燈等)，同時(shí)CARLA開(kāi)放了豐富的API接口幫助用戶自定義仿真環(huán)境中的動(dòng)態(tài)元素(例如行人、自行車、卡車等)行為。此外，用戶可以使用MATLAB工具箱RoadRunner地圖編輯器創(chuàng)建個(gè)性化場(chǎng)景地圖并導(dǎo)入CARLA實(shí)現(xiàn)自定義的道路結(jié)構(gòu)。在傳感器方面，CARLA提供了包括攝像頭、雷達(dá)、激光雷達(dá)、GPS等在內(nèi)的多種傳感器模型，用戶在使用時(shí)可以自定義傳感器的部分參數(shù)，例如激光雷達(dá)的線數(shù)、最大探測(cè)距離，雷達(dá)的視場(chǎng)角等。CARLA底層由C++實(shí)現(xiàn)，上層提供了豐富的Python接口，為用戶的二次開(kāi)發(fā)、聯(lián)合仿真提供了良好的基礎(chǔ)條件。

目前CARLA在智能駕駛領(lǐng)域主要存在三方面應(yīng)用，分別是生成帶標(biāo)簽數(shù)據(jù)用以訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)算法[2]，為深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)提供訓(xùn)練環(huán)境[1]和智能駕駛算法驗(yàn)證與測(cè)試[3]。

圖1 CARLA 虛擬場(chǎng)景示意圖

駕駛模擬仿真平臺(tái)采用的CARLA版本為0.9.10，所用的渲染引擎為UE4-4.22，在64位Ubuntu16.04系統(tǒng)上完成部署。

1.2 硬件介紹

1.2.1 G920駕駛操縱設(shè)備介紹

所使用的駕駛設(shè)備采用Logitech G920駕駛操縱設(shè)備。整套設(shè)備包括具有雙電機(jī)反饋力的方向盤，油門、制動(dòng)、離合踏板。方向盤上布置了兩個(gè)方向軸，9個(gè)不同的按鈕以及左右兩個(gè)換擋撥片。圖2為G920結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 G920駕駛操縱設(shè)備

1.2.2 計(jì)算硬件介紹

CARLA采用UE4作為內(nèi)核，在仿真過(guò)程中需要對(duì)駕駛場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，對(duì)于計(jì)算機(jī)的GPU性能有較高要求。采用的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)配置如下表所示。

表1 使用的計(jì)算機(jī)配置

1.3 駕駛仿真平臺(tái)搭建

CARLA采用主從式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。服務(wù)器端負(fù)責(zé)處理仿真環(huán)境信息，客戶端用于接收和發(fā)送車輛控制信號(hào)。在CARLA仿真軟件的基礎(chǔ)上搭建了駕駛設(shè)備與顯示設(shè)備，同時(shí)完成了轉(zhuǎn)向盤力反饋功能與轉(zhuǎn)向燈控制功能。構(gòu)建的駕駛仿真平臺(tái)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 駕駛仿真平臺(tái)架構(gòu)

2 力矩反饋與轉(zhuǎn)向燈功能開(kāi)發(fā)

為了實(shí)現(xiàn)更為真實(shí)的駕駛環(huán)境，在CARLA的基礎(chǔ)上對(duì)駕駛仿真平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)內(nèi)容包括G920轉(zhuǎn)向盤反饋力矩設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向燈功能開(kāi)發(fā)。

2.1 力矩反饋功能設(shè)計(jì)

根據(jù)趙林鋒等人[4]所提供的方向盤轉(zhuǎn)矩模型設(shè)計(jì)駕駛仿真平臺(tái)中G920轉(zhuǎn)矩力反饋系統(tǒng)。他們的研究表明，轉(zhuǎn)向盤反饋力矩與車輛行駛速度、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度之間存在密切關(guān)系。當(dāng)車輛在低速環(huán)境下行駛時(shí)，車輛的側(cè)向加速度較小，駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的變化較為敏感；當(dāng)車輛以中速行駛時(shí)，駕駛員對(duì)側(cè)向加速度和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角均較為敏感；當(dāng)車輛以高速行駛時(shí)，駕駛員對(duì)側(cè)向加速度更為敏感。由此設(shè)計(jì)了一套在不同行駛速度區(qū)段下不同的轉(zhuǎn)向盤反饋力矩模型。

最終采用的反饋力矩模型如下。

Tfb=k(v)×Tfbl+(1-k(v))×Tfbh

Tfbl=(0.0162v+1.73)×(1-exp(-0.01×θsw))

Tfbh=(0.0163v+0.966)×(1-exp(0.857ay))

式中Tfb代表轉(zhuǎn)向盤反饋力矩，Tfbh表示高速時(shí)的反饋力矩，Tfbl表示低速時(shí)的反饋力矩，力矩單位為N·m;v為車速，單位為km/h；Qsw為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，單位為m/s2；ay為側(cè)向加速度，單位為m/s2。將低速場(chǎng)景與高速場(chǎng)景的閾值分別設(shè)置為20km/h與60km。由上述公式得到的反饋力矩分布情況可見(jiàn)圖4。

2.2 按鍵功能設(shè)計(jì)

根據(jù)真實(shí)車輛的轉(zhuǎn)向燈操縱方式對(duì)駕駛仿真平臺(tái)的轉(zhuǎn)向燈操縱方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，目的在于提高模擬仿真平臺(tái)的擬真性。在大部分乘用車中，轉(zhuǎn)向燈通常由方向盤背后的轉(zhuǎn)向燈操縱桿進(jìn)行控制，部分賽車的轉(zhuǎn)向燈操縱設(shè)備位于方向盤上。所使用的駕駛模擬設(shè)備不存在轉(zhuǎn)向燈操縱桿對(duì)應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)，因此采用按鈕的方式控制轉(zhuǎn)向車燈狀態(tài)。在設(shè)計(jì)的駕駛仿真平臺(tái)上，使用G920轉(zhuǎn)向盤(圖2)上的4和8按鈕代表左轉(zhuǎn)向燈與右轉(zhuǎn)向燈。

圖4 低速、高速場(chǎng)景下反饋力矩變化圖

設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向燈控制邏輯如下。在仿真場(chǎng)景開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)向燈均默認(rèn)處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)在仿真過(guò)程中捕捉到按鈕4被按下時(shí)，打開(kāi)左轉(zhuǎn)向燈，再次捕捉到按鈕4被按下時(shí)，關(guān)閉左轉(zhuǎn)向燈。右轉(zhuǎn)向燈采用與左轉(zhuǎn)向燈相同的控制邏輯。

圖5 轉(zhuǎn)向燈控制邏輯

3 結(jié) 語(yǔ)

提出的駕駛仿真平臺(tái)充分利用了CARLA仿真軟件真實(shí)的渲染效果和豐富的應(yīng)用接口。二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的力矩反饋模型與轉(zhuǎn)向燈功能進(jìn)一步提升了駕駛仿真平臺(tái)的擬真性。最終完成的駕駛仿真平臺(tái)在駕駛員視覺(jué)感受、觸覺(jué)感受方面取了較高的還原度。提出的駕駛仿真平臺(tái)將來(lái)可用于駕駛員駕駛行為分析、駕駛數(shù)據(jù)采集、道路交通事故重現(xiàn)等領(lǐng)域。

駕駛仿真平臺(tái)將來(lái)可在以下方面進(jìn)行優(yōu)化。軟件方面，可以提升交通流真實(shí)程度，加入不同風(fēng)格的虛擬駕駛員模型。硬件方面，可以優(yōu)化駕駛座艙與儀表顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更為真實(shí)的駕駛環(huán)境。