基于人工智能技術的無人駕駛虛擬仿真測試平臺設計

李喜龍

（西安文理學院 機械與材料工程學院，西安 710061）

在人工智能技術飛速發展背景下，車輛逐漸向智能化發展[1-2]，新型的無人駕駛車輛被研發并逐漸走向市場，無人駕駛車輛可實現自動巡航、避障等，極大程度地解放了駕駛員的雙手，駕駛操作更加簡單和便捷。但無人駕駛車輛在投放市場之前，需要經過無數次的仿真測試，以保障無人駕駛車輛行駛性能[3-4]?，F已有很多學者設計無人駕駛虛擬仿真測試平臺：文獻[5]設計的無人駕駛卡車仿真測試平臺通過建立車輛動力學模型后，使用虛擬仿真軟件建立車輛行駛場景，在虛擬場景內對無人駕駛車輛進行仿真測試；文獻[6]提出無人駕駛車輛功能試驗平臺，通過虛擬仿真軟件模擬車輛運行時的方向盤、剎車等動作，實現無人駕駛車輛仿真測試。上述2種平臺在實際應用中雖均取得一定成果，但二者均存在測試結果精度不足情況，導致其應用效果不佳。人工智能技術目前在各個領域應用極為廣泛，其可實現目標控制、自然語言處理、識別等多種功能，基于人工智能技術的應用功能[7]，本文以其為基礎，設計基于人工智能技術的無人駕駛虛擬仿真測試平臺，為無人駕駛車輛測試提供一種有效途徑。

1 無人駕駛虛擬仿真測試平臺

1.1 仿真測試平臺總體架構

以人工智能技術中的VR 技術為基礎，設計無人駕駛虛擬仿真測試平臺，其總體架構如圖1 所示。無人駕駛虛擬仿真測試平臺由支撐模塊、無人駕駛車輛仿真模型、場景仿真虛擬終端和仿真驅動模塊組成，通過人工智能技術建立無人駕駛車輛仿真模型，通過操作控制器與車輛的換擋切片、方向盤、制動踏板以及剎車腳踏板相連，然后與場景仿真虛擬終端相連，場景仿真虛擬終端利用人工智能技術中的VR 技術建立無人駕駛車輛駕駛場景，并對其進行渲染后，通過對無人駕駛車輛行駛場景進行碰撞檢測后，通過無人駕駛決策控制單元發送控制信號，經過上述過程，完成無人駕駛車輛仿真測試。

圖1 無人駕駛虛擬仿真測試平臺總體架構Fig.1 Overall architecture of the driverless virtual simulation test platform

1.2 硬件平臺設計

為方便仿真無人駕駛車輛，按照真實無人駕駛車輛1∶2 比例設計無人駕駛車輛硬件平臺，結構如圖2 所示。該硬件平臺是建立虛擬無人駕駛車輛模型的基礎[8]。無人駕駛車輛的硬件平臺由實驗小車、攝像頭、激光雷達等硬件組成，其利用CAN 總線與激光雷達、工控機等硬件相連，激光雷達和GPS 接收器獲取實驗小車位置，并使用GPS 分析儀分析實驗小車位置后對其進行導航，通過攝像頭獲取車輛行駛的路況，利用工控機為用戶展示實驗小車行駛狀況以及導航結果。

圖2 無人駕駛車輛的硬件平臺結構Fig.2 Hardware platform structure of unmanned vehicle

1.3 操作控制器設計

操作控制器是無人駕駛虛擬仿真測試平臺無人駕駛車輛仿真模型的核心[9]，其是控制無人駕駛車輛傳動系統、轉向系統和制動系統的核心硬件，以i.MX6 型號的處理器作為控制硬件，設計操作控制器，結構如圖3 所示。

圖3 操作控制器結構Fig.3 Operation controller structure

1.4 車輛駕駛模擬器設計

無人駕駛車輛駕駛模擬器是實現其測試仿真的關鍵，通過在運行環境內驅動車輛駕駛模擬器[10]，方可驅動車輛仿真模型在使用人工智能技術建立的虛擬環境內運行，設計車輛駕駛模擬器，結構如圖4 所示。

圖4 車輛駕駛模擬器結構Fig.4 Structure of vehicle driving simulator

1.5 人工智能技術的無人駕駛車輛虛擬場景構建

以人工智能技術中的虛擬現實技術結合3DS MAX 技術建立無人駕駛車輛虛擬場景，將無人駕駛車輛的相關數據存儲到用戶PC 端內，整理保存成電子程序文件[11]，生成無人駕駛車輛虛擬場景，該過程的計算公式如下：

式中：F 表示匹配場景貼紙、動畫后的無人駕駛車輛虛擬場景；Fmax、Zv分別表示虛擬場景最大容量和指令驅動速度；Zc表示場景貼圖動畫驅動指令；Za表示Assets 程序驅動指令。

利用式（1）即可完成無人駕駛車輛行駛虛擬場景構建，為使無人駕駛車輛行駛虛擬場景更加逼真[12]，依據無人駕駛車輛虛擬仿真交互要求，在Unityu 3D 空間盒內創建車輛交互和場景渲染[13]，在該過程中需要將Wrap Mode 屬性設置為“Clamp”然后計算虛擬場景邊緣的銜接度，計算公式如下：

式中：Hf表示虛擬場景邊緣銜接度；φ 表示繪制工具；A、γ 分別表示紋理邊緣信息和渲染引擎渠道；K表示渲染素材和車輛行駛虛擬場景的交互性。

計算完無人駕駛車輛行駛虛擬場景邊緣銜接度后[14]，對場景仿真進行深度渲染，其表達公式如下：

式中：P 表示無人駕駛車輛行駛虛擬場景仿真深度渲染指令；t 表示渲染執行時間；d、w 分別表示渲染層次和深度。

為保障用戶可以實時感知無人駕駛車輛行駛時的虛擬執行和操控信息，將無人駕駛車輛行駛虛擬場景與通信覆蓋網絡相連[15]，并連接用戶端的操作程序和實景程序，用戶可通過PC 端實時掌握無人駕駛車輛在虛擬環境中的駕駛信息，該過程的表達公式如下：

式中：η 表示無人駕駛車輛在虛擬環境中的執行與操控信息反饋過程；ψ 表示車輛虛擬仿真動力學模型；G 表示無人駕駛車輛的阻力；θ 表示車輛與虛擬環境中路面夾角。

1.6 基于人工智能技術的無人駕駛決策控制設計

為避免剎車和油門的沖突問題，利用actor 神經網絡模型的單獨輸出? 描述踩剎車和油門的控制項，利用激活函數判斷，當? 大于0.5 時說明當前無人駕駛車輛在虛擬環境中的動作為踩油門，反之則表示踩剎車，則二者通過神經網絡模型輸出的表達公式如下：

式中：Accel、Brake 分別表示油門和剎車動作。

設置無人駕駛車輛方向盤的數值范圍為-1～1之間，則方向盤控制輸出表達公式如下：

式中：Steering 表示方向盤控制輸出結果；ea、e-a分別表示方向盤數值上限和下限。

通過式（5）～式（7）結果，控制無人駕駛車輛在虛擬環境中的動作。

2 性能測試與分析

以無人駕駛車輛作為實驗對象，使用本文平臺建立其仿真模型，并構建其仿真測試虛擬環境，運行本文平臺對該無人駕駛車輛進行仿真測試，驗證本文方法實際應用效果。

先驗證本文平臺建立無人駕駛車輛和仿真測試虛擬環境能力，給出本文平臺建立的無人駕駛車輛在仿真測試虛擬環境中的畫面，分析本文平臺性能，結果如圖5 所示。分析圖5 可知，利用本文平臺可有效構建車輛行駛虛擬環境，并使構建的無人駕駛車輛仿真模型與該虛擬環境互通，使無人駕駛車輛仿真模型在虛擬仿真環境中行駛。其車輛仿真模型和虛擬仿真測試環境較為逼真，道路路況也可自行設置，可設置對向車道來車、紅綠燈等行駛狀況，說明本文平臺具備測試無人駕駛車輛的仿真能力。

圖5 虛擬測試環境與無人駕駛車輛Fig.5 Virtual test environment and driverless vehicle

無人駕駛車輛駕駛模擬是對其進行測試的基礎，驗證本文平臺車輛駕駛模擬器功能，測試無人駕駛車輛在仿真測試環境中不同動作是否均能完成，測試結果如圖6 所示。分析圖6 可知，向無人駕駛車輛下發不同動作指令，本文平臺的車輛駕駛模擬器負責控制無人駕駛車輛動作，在下發指令為300次時，本文平臺控制的無人駕駛車輛起步、倒車等動作次數均為300 次。

圖6 車輛駕駛模擬器功能測試結果Fig.6 Functional test results of vehicle driving simulator

測試本文平臺對無人駕駛車輛仿真測試時，對無人駕駛車輛的無人駕駛決策控制能力，以安全車距和車輛行駛速度作為衡量指標，測試本文方法在虛擬仿真環境中對無人駕駛車輛的駕駛決策控制能力，結果如圖7 所示。綜合分析圖7 可知，利用本文平臺對無人駕駛車輛進行仿真測試時，通過無人駕駛決策控制車輛行駛，在無人駕駛車輛行駛速度不同時，控制的車輛安全距離也不同，但車輛行駛速度相同時，車輛速度始終保持在一定距離區間內。

圖7 無人駕駛決策控制測試結果Fig.7 Test results of unmanned decision control

進一步驗證本文方法對無人駕駛車輛的仿真測試能力，在虛擬仿真環境內設置2 種工況，分別為靜止障礙物工況和移動障礙物工況，測試在該2種工況下，利用本文平臺對無人駕駛車輛的仿真測試能力，結果如表1 所示。分析表1 可知，本文平臺可有效對無人駕駛車輛進行仿真測試，從仿真測試結果中得知無人駕駛車輛在不同工況時的最低車速、最大加速度、換道時間等多個動作參數數值。

表1 無人駕駛車輛仿真測試結果Tab.1 Results of driverless vehicle simulation test

驗證本文平臺測試無人駕駛車輛參數的精度，以橫擺角速度作為衡量指標，測試本文平臺測試的無人駕駛車輛橫擺角速度和其實際橫擺角速度差異，測試結果如圖8所示。分析圖8 可知，利用本文平臺對無人駕駛車輛進行仿真測試時，得到的車輛橫擺角曲線與設計車輛橫擺角曲線重合度較高，該結果說明本文平臺仿真測試無人駕駛車輛動作參數精度較高。

圖8 無人駕駛車輛橫擺角Fig.8 Yaw angle of driverless vehicle

3 結語

本文設計基于人工智能技術的無人駕駛虛擬仿真測試平臺，利用人工智能技術中的VR 技術建立無人駕駛車輛仿真模型和構建虛擬測試環境。對本文平臺進行充分驗證得知，本文平臺可在不同工況下對無人駕駛車輛進行仿真測試，獲得其行駛過程中的動作參數，為無人駕駛車輛性能分析提供有效的數據支持。