ADAS及自動駕駛虛擬測試模擬技術

第1章　ADAS/AD 測試與驗證技術                                 1
　1.1　ADAS 研究現狀                                                             1
　　1.1.1　ADAS 概述                                                             1
　　1.1.2　ADAS 技術研究與應用現狀                                               2
　1.2　自動駕駛研究現狀                                                           4
　　1.2.1　發展自動駕駛汽車的必要性                                               4
　　1.2.2　國外自動駕駛汽車研究現狀                                               6
　　1.2.3　國內自動駕駛汽車研究現狀                                               7
　1.3　ADAS 和自動駕駛模擬測試技術                                               7

第2章　虛擬測試平臺MOMU 架構                                 11
　2.1　現有虛擬測試平臺                                                         11
　　2.1.1　基於PreScan 的AEB 縱向碰撞演算法模擬平臺                             12
　　2.1.2　基於Eclipse 的車輪自我調整巡航控制模擬平臺                             13
　　2.1.3　基於NIPXI 的車道偏離警告模擬平臺                                     13
　　2.1.4　現有模擬測試平臺的優缺點分析                                         14
　2.2　Matlab-OpenModelica-Unity (MOMU)虛擬測試平臺                         15
　2.3　適用於ADAS 的MOMU 平臺資料流程                                         18
　2.4　適用於自動駕駛的MOMU 平臺資料流程                                       19

第3章　基於OpenModelica 的車輛動力學模型                     20
　3.1　車輛動力學建模方法研究現狀                                               20
　3.2　Modelica 在車輛動力學建模中的應用                                         21
　3.3　多領域統一模組化語言Modelica                                              22
　　3.3.1　Modelica 建模的基本步驟                                               22
　　3.3.2　基於Modelica 語言的建模                                             24
　　3.3.3　標準模型庫和模擬工具                                                 27
　3.4　電動汽車動力系統的建模機制                                               29
　3.5　電動汽車動力模組建模                                                     30
　　3.5.1　車用電動機分類及特點                                                 31
　　3.5.2　電動機的工作原理及建模                                               32
　3.6　電動汽車傳動模組建模                                                     35
　　3.6.1　機械元件庫及機械介面                                                 35
　　3.6.2　動力傳動建模                                                         35
　　3.6.3　動力學建模                                                           36
　　3.6.4　車身建模                                                             38
　　3.6.5　制動系統建模                                                         39
　　3.6.6　懸架建模                                                             40
　　3.6.7　輪胎建模                                                             40
　　3.6.8　電動汽車整車模型                                                     41
　3.7　電動汽車模擬與計算                                                       42
　　3.7.1　電機模型模擬                                                         42
　　3.7.2　輪胎模型模擬                                                         43
　　3.7.3　速度階躍輸入模擬                                                     44
　　3.7.4　典型工況模擬                                                         46

第4章　基於Unity 的模擬環境搭建                               50
　4.1　Unity 軟體介紹及安裝                                                     50
　　4.1.1　Unity 背景簡介                                                       50
　　4.1.2　Unity 下載安裝                                                       51
　4.2　Unity 入門                                                               52
　　4.2.1　開始面板                                                             52
　　4.2.2　關鍵功能                                                             53
　　4.2.3　遊戲物體控制腳本編寫                                                 54
　4.3　Roll-a-Ball 遊戲創建示例                                                   56
　　4.3.1　設置遊戲                                                             56
　　4.3.2　物體移動控制                                                         59
　　4.3.3　視角跟隨設置                                                         62
　　4.3.4　添加可收集物體                                                       62
　　4.3.5　新建UI 顯示計數                                                       65
　　4.3.6　生成遊戲                                                             67
…………….

隨著人工智慧的加速發展和汽車雷達等感測器的快速完善，高級輔助駕駛系統（Advanced Driving Assistant System，ADAS）功能越來越強大，自動駕駛（Autonomous Driving，AD）汽車量產的日子也越來越近。很多傳統車企都在投入大量的人力物力，從自動駕駛Level1逐步完善ADAS功能，最終實現自動駕駛Level5。部分互聯網公司甚至直接進行Level5的自動駕駛研究。毫無疑問，未來自動駕駛汽車將大幅減少道路交通事故，緩解交通擁堵，並使地球成為更加綠色的生活場所。但是在更高級的自動駕駛汽車大規模量產推廣之前，其可靠性必須要得到驗證。雖然實車實路的驗證是最具有說服力的方式，但是其測試週期長、成本昂貴限制了自動駕駛汽車的研發進度。所以穀歌、特斯拉、豐田等大型公司都建立了自己的虛擬測試平臺，加速訓練和驗證自己的自動駕駛汽車，節省路試和研發的時間。

本書以通俗易懂的語言、形象的圖解展示了一個基於Matlab-Open Modelica-Unity（MOMU）的多軟體聯合虛擬模擬平臺。本書基於組成虛擬模擬平臺的各軟體功能，詳細介紹了模擬平臺各部分的搭建過程，以及相應的建模原理，將基本概念融入平臺搭建過程，並精心設計了開發實例，加深讀者的印象，提升讀者的感性認識和認知水準。

本書共分為8章。第1章介紹了ADAS和自動駕駛技術發展背景及現狀，重點分析相關測試與驗證技術，提出研發虛擬測試平臺的必要性。第2章提出了一種先進的多軟體聯合虛擬測試平臺——MOMU，介紹了平臺的主要組成、各部分的功能以及平臺的優點。第3章以建立一個電動汽車車輛動力學模型為主線，介紹了Open Modelica車輛動力學模型的關鍵模組和建模流程，並解釋了相關的理論基礎，方便讀者加深對模型的理解。第4章介紹了Unity的背景和關鍵場景建模技術，並以一個遊戲的建模案例使讀者熟悉Unity建模方法。第5章詳細介紹了搭建一個自動緊急制動系統控制策略的全過程，為之後的聯合模擬提供了必要的基礎。第6章以自動緊急制動系統為例介紹了ADAS模擬平臺的搭建，主要包含平臺間的資訊交流實現和結果展示。第7章介紹了Unity用於機器學習的官方外掛程式ML-Agents，主要包含外掛程式的安裝以及Python運行環境的安裝，附加的官方實例向讀者直觀地展示了ML-Agents的操作和相關功能，並驗證了外掛程式以及運行環境的安裝正確性，同時設計了一個簡單的訓練示例，詳細地展示了訓練環境的搭建過程。第8章介紹了自動駕駛虛擬測試模擬實例完成的全過程，並對模擬結果進行了必要的資料提取與分析。

本書由同濟大學宋珂、魏斌和湖南中車時代電動汽車股份有限公司朱田編寫，並設計開發了書中實例。全書由宋珂組織統稿，Unity Technologie公司龔敏彥負責審閱。

在本書編寫過程中得到了Unity公司、Math Works公司和非營利組織Open Source Modelica Consortium的支援。

本書適合具有一定ADAS控制建模、車輛動力學建模和機器學習程式設計基礎的讀者閱讀。可作為高等院校本科生、研究生學習ADAS和自動駕駛虛擬測試模擬技術的參考教材，也可作為汽車測試工程師學習參考的資料。

本書中所有內容都經過Unity、Open Source Modelica Consortium和Math Works公司相關專家的審閱，且本書實例經過筆者親自測試驗證。由於水準有限，書中難免出現疏漏或者不當之處，誠望讀者批評和指正。



編著者