ADAS研发与测试的模拟仿真技术 - 吉林大学
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traffic
轮胎
radar
Modeling on Driving Environment and Environmental Sensing
模拟与仿真是应对挑战的关键技术
天气建模
驾驶员
人-车-环境
环境
车
行驶交通建模
交通
天气
道路
模拟与仿真是应对挑战的关键技术
基于雷达和视觉传感模拟的 主动避撞控制系统模拟
*CarSim是国际上公认的顶级车辆动力学仿真软件
仿真工况：车速80km/h
-40
0
1
2
3
4
5 Time [s]
6
7
8
9
10
方向盘转角输入
15 Carsim Panosim 10
0.4 0.3 0.2 Carsim Panosim
5
Lateral Acceleration [g]
Yaw Rate [deg/s]
测速测距 高光模拟
车道线识别 目标识别
PanoCam：像机安装与参数匹配
车载像机模拟
像机安装
像机参数匹配
像机包络线
PanoCam：像机安装与参数匹配
车载像机模拟
虚拟照相
虚拟摄像 视频回放
PanoSim：雷达模拟
FMCW/FSK
RCS估算
雷达模拟
激光雷达
PanoSim：雷达模拟
雷达模拟
PanoSim：无线通信与网络模拟
Requirement-Driven Processes
以需求为驱动的开发流程
现代汽车技术研发先进方法、理念和流程
基于先进的研发理念
基于数学模型的开发平台
Math-Based Platforms
Model-Based Approaches
基于模型的开发方法
Requirement-Driven Processes
转向系统 模型
回 正 力 矩 转 向 命 令 油门 转 速
力
车身动力学 模型
运 动 状 态
速度
运动
空气动 力学模型
发动机 模型
力 矩
力
驾 驶 员
制 动 命 令
档位 离合
传动系统 模型
运动 转向角 力矩 力矩 运动状态
悬架系统 模型
力 运 动 状 态
位移
道路路面 模型
路面状态
制动系统 模型
车轮动 力学模型
路基 DMB WLAN 5.8GHz 旅馆
房屋
车队行驶 IVC 车辆与路边设 施通信 RVC 车间通信 IVC 公园 (WLAN or 3G or WIFI) 便携设备与车辆 通信
PanoSim：无线通信与网络模拟
静态模型与动态模型的混合建模方法
细 行驶环境
电磁波信号
天气条件，道路状况，汽车参数，天线配置，周边环境等
汽车功能、技术和产品的 研发、测试和验证
一体化仿真平台
PanoSim：应用领域
汽车智能辅助驾驶系统开发 汽车底盘和整车性能开发 汽车动力性能开发
自动泊车 自适应巡航系统 驾驶员人机交互
制动、转向和悬架 动力学、舒适性、操控稳定性 发动机、变速箱、传动系 动力性、燃油经济性、排放 防锁死和防滑制动控制 车辆稳定性控制等
自动生成MDL模型
高效实时数值计算
PanoSim：画图与动画后处理工具
PanoPlot
PanoAnim
模型验证
PanoSim：高精度车辆动力学模型
40
双移线工况（与CarSim对比高度一致）
Steering Wheel Angle [deg]
30 20 10 0 -10 -20 -30
Carsim Panosim
（道路、交通、环境、天气等）
虚拟行驶环境
（ABS/ESP/ACC, 避撞、泊车等）
虚拟行驶工况
（雷达、像机、GPS/地图、无线通信等）
模拟环境传感
（车、行人、障碍物等）
模拟交通参与物
汽车智能辅助驾驶与主动安全
PanoSim：应用领域
概念 设计 原型样 机设计 原型样 机定型
整车系统与 性能匹配 子系统 测试与验证 系统功能 集成与验证
虚拟道路建造
道路纹理与车道线模拟
交通标识模拟
PanoSim (FieldBuilder) ：汽车行驶环境模拟
交通流模拟
光照模拟
道路与车道模拟
PanoSim：像机模拟
鱼眼与广角像机验证
鱼眼与广角像机模拟
PanoSim：像机模拟
模糊模拟
色差模拟
PanoSim：像机模拟
暗角模拟
畸变模拟
PanoSim：像机模拟
基于精确物理建模和高效数值仿真兼顾的原则，利用先进的虚拟现实技术
支持在高效、高精度的数字仿真环境下汽车动力学与性能、汽车电子控制
用户界面全部图形化，操作简便、直观、清晰，支持纯软件仿真、实时硬 支持在实验室和虚拟环境下对汽车的高效、安全和数字化开发，旨在极大
地降低汽车研发成本、缩短开发周期、提高研发质量和安全性，是现代汽 车先进技术和产品开发所必备工具
20 Carsim Panosim
0
Steering Wheel Angle [deg]
-20
100
Y Coordinate [m]
0 1 2 3 4 5 Time [s] 6 7 8 9 10
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-80
-200
-100
-300
-120
0
50 X Coordinate [m]
100
报告提纲
一、汽车智能化模拟仿真技术的背景
二、汽车智能化模拟仿真的关键技术
三、模拟仿真软件展示：PanoSim
新一代汽车模拟仿真平台（PanoSim） 简介
集车辆动力学、三维行驶环境、交通和车载环境传感模型等等于一体的大
型汽车模拟仿真软件平台，包括Simulink模型自动生成、图形与动画后处 理工具等。 逼真地建造及模拟汽车驾驶的各种环境和工况，包括对道路及道路纹理、 车道线、交通标识与设施、天气、夜景等汽车行驶环境的建模与编辑 系统、智能辅助驾驶与主动安全系统、环境传感与感知、无人驾驶等技术 和产品的研发、测试和验证。 件在环仿真和驾驶员在环仿真
以需求为驱动的开发流程 先进的开发理念与流程
基于先进的研发平台
Pure Simulation
离线纯仿真平台
RT-SIL/HIL Simulation
实时、软硬件在环仿真平台
DIL with 3D Environment
驾驶员在环三维场景仿真
In-Vehicle Test
实验车试验/标定/验证
汽车模拟与仿真技术正不断发展
抽 象 粒 度 等 级
物理信道层
数据帧
反射、绕射和散射
网络传输层
数据包
路由更新策略 通信方式 通信半径等 对网络指标的敏感性 发包模式等
应用服务层 粗
应用数据
车载自组网通信系统模型
PanoSim：汽车虚拟测试与验证
主动避撞
自适应巡航
自动泊车
PanoSim：与Matlab/Simulink无缝连接
试验周期长、成本高，安全无法保障是汽车智能化技术研发 、测试和验证的关键技术瓶颈
智能汽车
车路协同
行人避撞
为什么模拟与仿真？ 技术需求
复杂道路结构 雪天
试验行驶环境不可预测、难以复制、缺乏灵活性、不可自动 化等是研发汽车智能化技术的另一瓶颈
雨天
晚上
恶劣行驶工况
大雾天气
为什么模拟与仿真？ 成本需求
为什么模拟与仿真？ 技术需求
研发 设计
汽车技术及产品 前期研发
虚拟数字化
汽车技术及产品 设计 汽车技术及产品 测试与验证
半虚拟数字化
测试 制造
汽车产品 批量生产
实物化
为什么模拟与仿真？ 技术趋势
汽车产品的竞争关键在于技术的竞争，而工具链是决定
技术理念、方法和流程的关键 --- Charles F. Kettering,
力 路形
运动 载荷
轮胎动 力学模型
摩擦 系数
VehicleBuilder
高精度车辆动力学模型
PanoSim (FieldBuilder) ：汽车行驶环境模拟
汽车三维行驶场景模拟
PanoSim (FieldBuilder) ：汽车行驶环境模拟
天气模拟
PanoSim (FieldBuilder) ：汽车行驶环境模拟
吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室
张素民
1
报告提纲
一、汽车智能化模拟仿真技术的背景
二、汽车智能化模拟仿真的关键技术
三、模拟仿真软件展示：PanoSim
汽车智能化的关键技术与挑战
人-车-环境闭环控制系统：多传感输入、多控制输出复杂人机共驾系统
行驶环境
传感感知
行驶环境 传感
低成本约束和复杂环境下的快速、准确、可靠的环 数据融合 车辆 执行器 人机 境传感感知技术 汽车状态 传感 共驾 和谐、友好、直观的人机协同、交互和共驾技术 安全、可靠、高效、灵活且低成本的测试验证技术
0.1 0 -0.1 -0.2
0
-5
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-0.3 -0.4
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5 Time [s]
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横摆角速度
侧向加速度
PanoSim：高精度车辆动力学模型
鱼钩仿真工况（与CarSim对比高度一致）
仿真工况：车速80km/h。方向盘转角和路径如下
300 Carsim Panosim 200
V2V与V2X模拟
基于地理位置信 息多跳路由技术 的IVC和RVC通信 WLAN 5GHz 应用于道路交通 安全的IVC和RVC 通信 便携式互联 网 蜂窝网 停车场 热点 无线电发射塔 大厦 无线电发射塔 卫星 DMB GPS 基于802.11、 GSM、UMTS、 IR、IPv6等无线 通信技术的交通 系统和互联网服 务（包括IVC和 RVC通信） 应用于交通流量 控制的IVC和RVC 通信 便携式互联 网 蜂窝网
Roll Angle [deg]
横摆角速度 侧倾角
0.4 0.2 0 -0.2 -0.4
Yaw Rate [deg/s]
0
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-30
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5 Time [s]
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基于模拟仿真技术的虚拟研发是 节省研发成本的关键途径，也是 当今世界技术研发的主流趋势 $500
$5,000
相对成本
$50
$5
需求定义
模拟仿真
产品原型
产品开发
为什么模拟与仿真？技术切实可行 模拟仿真技术不仅必要、而且可能/可行
随着计算机、电子技术的成熟，数学模型的精确性和数值求 解能力的不断提高：数学模型也越来越接近真实的物理世界： 车辆动力学模拟 环境模拟（道路、交通与天气等） 环境传感模拟（虚拟相机、雷达和无线通信等） 驾驶员模拟 试验可重复、可灵活设置、可自动化 易于分析、理解，和发现系统内在关联 安全！!
PanoSim：6大模块、N多功能
实验设置主界面 车辆编辑器 画图与动画工具 场景编辑器 像机雷达安装器 模型自动生成工具
车辆动力学模拟 道路与场景模拟
雷达与像机模拟 无线通信模拟
交通与设施模拟 天气与光照模拟
PanoSim：应用领域
汽车性能设计、开发与验证
汽车行驶环境感知系统开发
视觉传感与模式识别 雷达探测与障碍物 传感数据融合 主动避撞 车道纠偏
汽车电控系统设计与开发
汽车主动安全系统开发 下一代智能交通系统
车车协同、车路协同 智能交通管理系统 无人驾驶
PanoSim (VehicleBuilder)：车辆模拟
运动状态 空气阻力
轨迹规划
控制器 控制策略
智能决策
规划决策
ADAS研发：为什么模拟与仿真？
涉及人-车-环境闭环系统（交通、天气和道路） 传统的研发、测试和验证方法和手段已不能适应 传统的汽车模拟仿真技术和工具已不能满足要求
驾驶员
人-车-环境
环境
交通
车
天气
道路
为什么模拟与仿真？ 技术需求
车车协同 车辆避撞
Modeling on Battery and Electric Motors, onboard communication
驾驶员
电化学 电磁学 电机学等
车辆多刚体 动力学
力学/机械学 计算机图学 weather road 图像处理 信号处理 电磁波 camera wireless 无线通信等
150
方向盘转角输入
目标路径与实际路径对比
PanoSim：高精度车辆动力学模型
鱼钩仿真工况（与CarSim对比高度一致）
30 Carsim Panosim 20
0.8 0.6 Carsim Panosim
侧向加速度
10
Lateral Acceleration [g]
1
来自百度文库
Longitudinal velocity [km/h]
great American inventor, engineer & businessman
工具
“ 工欲善其事必先利其器 ”--- 孔子《论语·魏灵公》
Time cover 1933
自上世纪90年代起，模拟仿真和数字虚拟化技术已经成为了
汽车研发过程的关键手段和核心技术
世界主要汽车制造企业基于虚拟仿真平台对传统汽车技术、功 能和产品的研发的比重已经高达70%以上-- *Automotive Wikipedia
轮胎
radar
Modeling on Driving Environment and Environmental Sensing
模拟与仿真是应对挑战的关键技术
天气建模
驾驶员
人-车-环境
环境
车
行驶交通建模
交通
天气
道路
模拟与仿真是应对挑战的关键技术
基于雷达和视觉传感模拟的 主动避撞控制系统模拟
*CarSim是国际上公认的顶级车辆动力学仿真软件
仿真工况：车速80km/h
-40
0
1
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5 Time [s]
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方向盘转角输入
15 Carsim Panosim 10
0.4 0.3 0.2 Carsim Panosim
5
Lateral Acceleration [g]
Yaw Rate [deg/s]
测速测距 高光模拟
车道线识别 目标识别
PanoCam：像机安装与参数匹配
车载像机模拟
像机安装
像机参数匹配
像机包络线
PanoCam：像机安装与参数匹配
车载像机模拟
虚拟照相
虚拟摄像 视频回放
PanoSim：雷达模拟
FMCW/FSK
RCS估算
雷达模拟
激光雷达
PanoSim：雷达模拟
雷达模拟
PanoSim：无线通信与网络模拟
Requirement-Driven Processes
以需求为驱动的开发流程
现代汽车技术研发先进方法、理念和流程
基于先进的研发理念
基于数学模型的开发平台
Math-Based Platforms
Model-Based Approaches
基于模型的开发方法
Requirement-Driven Processes
转向系统 模型
回 正 力 矩 转 向 命 令 油门 转 速
力
车身动力学 模型
运 动 状 态
速度
运动
空气动 力学模型
发动机 模型
力 矩
力
驾 驶 员
制 动 命 令
档位 离合
传动系统 模型
运动 转向角 力矩 力矩 运动状态
悬架系统 模型
力 运 动 状 态
位移
道路路面 模型
路面状态
制动系统 模型
车轮动 力学模型
路基 DMB WLAN 5.8GHz 旅馆
房屋
车队行驶 IVC 车辆与路边设 施通信 RVC 车间通信 IVC 公园 (WLAN or 3G or WIFI) 便携设备与车辆 通信
PanoSim：无线通信与网络模拟
静态模型与动态模型的混合建模方法
细 行驶环境
电磁波信号
天气条件，道路状况，汽车参数，天线配置，周边环境等
汽车功能、技术和产品的 研发、测试和验证
一体化仿真平台
PanoSim：应用领域
汽车智能辅助驾驶系统开发 汽车底盘和整车性能开发 汽车动力性能开发
自动泊车 自适应巡航系统 驾驶员人机交互
制动、转向和悬架 动力学、舒适性、操控稳定性 发动机、变速箱、传动系 动力性、燃油经济性、排放 防锁死和防滑制动控制 车辆稳定性控制等
自动生成MDL模型
高效实时数值计算
PanoSim：画图与动画后处理工具
PanoPlot
PanoAnim
模型验证
PanoSim：高精度车辆动力学模型
40
双移线工况（与CarSim对比高度一致）
Steering Wheel Angle [deg]
30 20 10 0 -10 -20 -30
Carsim Panosim
（道路、交通、环境、天气等）
虚拟行驶环境
（ABS/ESP/ACC, 避撞、泊车等）
虚拟行驶工况
（雷达、像机、GPS/地图、无线通信等）
模拟环境传感
（车、行人、障碍物等）
模拟交通参与物
汽车智能辅助驾驶与主动安全
PanoSim：应用领域
概念 设计 原型样 机设计 原型样 机定型
整车系统与 性能匹配 子系统 测试与验证 系统功能 集成与验证
虚拟道路建造
道路纹理与车道线模拟
交通标识模拟
PanoSim (FieldBuilder) ：汽车行驶环境模拟
交通流模拟
光照模拟
道路与车道模拟
PanoSim：像机模拟
鱼眼与广角像机验证
鱼眼与广角像机模拟
PanoSim：像机模拟
模糊模拟
色差模拟
PanoSim：像机模拟
暗角模拟
畸变模拟
PanoSim：像机模拟
基于精确物理建模和高效数值仿真兼顾的原则，利用先进的虚拟现实技术
支持在高效、高精度的数字仿真环境下汽车动力学与性能、汽车电子控制
用户界面全部图形化，操作简便、直观、清晰，支持纯软件仿真、实时硬 支持在实验室和虚拟环境下对汽车的高效、安全和数字化开发，旨在极大
地降低汽车研发成本、缩短开发周期、提高研发质量和安全性，是现代汽 车先进技术和产品开发所必备工具
20 Carsim Panosim
0
Steering Wheel Angle [deg]
-20
100
Y Coordinate [m]
0 1 2 3 4 5 Time [s] 6 7 8 9 10
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-200
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-300
-120
0
50 X Coordinate [m]
100
报告提纲
一、汽车智能化模拟仿真技术的背景
二、汽车智能化模拟仿真的关键技术
三、模拟仿真软件展示：PanoSim
新一代汽车模拟仿真平台（PanoSim） 简介
集车辆动力学、三维行驶环境、交通和车载环境传感模型等等于一体的大
型汽车模拟仿真软件平台，包括Simulink模型自动生成、图形与动画后处 理工具等。 逼真地建造及模拟汽车驾驶的各种环境和工况，包括对道路及道路纹理、 车道线、交通标识与设施、天气、夜景等汽车行驶环境的建模与编辑 系统、智能辅助驾驶与主动安全系统、环境传感与感知、无人驾驶等技术 和产品的研发、测试和验证。 件在环仿真和驾驶员在环仿真
以需求为驱动的开发流程 先进的开发理念与流程
基于先进的研发平台
Pure Simulation
离线纯仿真平台
RT-SIL/HIL Simulation
实时、软硬件在环仿真平台
DIL with 3D Environment
驾驶员在环三维场景仿真
In-Vehicle Test
实验车试验/标定/验证
汽车模拟与仿真技术正不断发展
抽 象 粒 度 等 级
物理信道层
数据帧
反射、绕射和散射
网络传输层
数据包
路由更新策略 通信方式 通信半径等 对网络指标的敏感性 发包模式等
应用服务层 粗
应用数据
车载自组网通信系统模型
PanoSim：汽车虚拟测试与验证
主动避撞
自适应巡航
自动泊车
PanoSim：与Matlab/Simulink无缝连接
试验周期长、成本高，安全无法保障是汽车智能化技术研发 、测试和验证的关键技术瓶颈
智能汽车
车路协同
行人避撞
为什么模拟与仿真？ 技术需求
复杂道路结构 雪天
试验行驶环境不可预测、难以复制、缺乏灵活性、不可自动 化等是研发汽车智能化技术的另一瓶颈
雨天
晚上
恶劣行驶工况
大雾天气
为什么模拟与仿真？ 成本需求
为什么模拟与仿真？ 技术需求
研发 设计
汽车技术及产品 前期研发
虚拟数字化
汽车技术及产品 设计 汽车技术及产品 测试与验证
半虚拟数字化
测试 制造
汽车产品 批量生产
实物化
为什么模拟与仿真？ 技术趋势
汽车产品的竞争关键在于技术的竞争，而工具链是决定
技术理念、方法和流程的关键 --- Charles F. Kettering,
力 路形
运动 载荷
轮胎动 力学模型
摩擦 系数
VehicleBuilder
高精度车辆动力学模型
PanoSim (FieldBuilder) ：汽车行驶环境模拟
汽车三维行驶场景模拟
PanoSim (FieldBuilder) ：汽车行驶环境模拟
天气模拟
PanoSim (FieldBuilder) ：汽车行驶环境模拟
吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室
张素民
1
报告提纲
一、汽车智能化模拟仿真技术的背景
二、汽车智能化模拟仿真的关键技术
三、模拟仿真软件展示：PanoSim
汽车智能化的关键技术与挑战
人-车-环境闭环控制系统：多传感输入、多控制输出复杂人机共驾系统
行驶环境
传感感知
行驶环境 传感
低成本约束和复杂环境下的快速、准确、可靠的环 数据融合 车辆 执行器 人机 境传感感知技术 汽车状态 传感 共驾 和谐、友好、直观的人机协同、交互和共驾技术 安全、可靠、高效、灵活且低成本的测试验证技术
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横摆角速度
侧向加速度
PanoSim：高精度车辆动力学模型
鱼钩仿真工况（与CarSim对比高度一致）
仿真工况：车速80km/h。方向盘转角和路径如下
300 Carsim Panosim 200
V2V与V2X模拟
基于地理位置信 息多跳路由技术 的IVC和RVC通信 WLAN 5GHz 应用于道路交通 安全的IVC和RVC 通信 便携式互联 网 蜂窝网 停车场 热点 无线电发射塔 大厦 无线电发射塔 卫星 DMB GPS 基于802.11、 GSM、UMTS、 IR、IPv6等无线 通信技术的交通 系统和互联网服 务（包括IVC和 RVC通信） 应用于交通流量 控制的IVC和RVC 通信 便携式互联 网 蜂窝网
Roll Angle [deg]
横摆角速度 侧倾角
0.4 0.2 0 -0.2 -0.4
Yaw Rate [deg/s]
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基于模拟仿真技术的虚拟研发是 节省研发成本的关键途径，也是 当今世界技术研发的主流趋势 $500
$5,000
相对成本
$50
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需求定义
模拟仿真
产品原型
产品开发
为什么模拟与仿真？技术切实可行 模拟仿真技术不仅必要、而且可能/可行
随着计算机、电子技术的成熟，数学模型的精确性和数值求 解能力的不断提高：数学模型也越来越接近真实的物理世界： 车辆动力学模拟 环境模拟（道路、交通与天气等） 环境传感模拟（虚拟相机、雷达和无线通信等） 驾驶员模拟 试验可重复、可灵活设置、可自动化 易于分析、理解，和发现系统内在关联 安全！!
PanoSim：6大模块、N多功能
实验设置主界面 车辆编辑器 画图与动画工具 场景编辑器 像机雷达安装器 模型自动生成工具
车辆动力学模拟 道路与场景模拟
雷达与像机模拟 无线通信模拟
交通与设施模拟 天气与光照模拟
PanoSim：应用领域
汽车性能设计、开发与验证
汽车行驶环境感知系统开发
视觉传感与模式识别 雷达探测与障碍物 传感数据融合 主动避撞 车道纠偏
汽车电控系统设计与开发
汽车主动安全系统开发 下一代智能交通系统
车车协同、车路协同 智能交通管理系统 无人驾驶
PanoSim (VehicleBuilder)：车辆模拟
运动状态 空气阻力
轨迹规划
控制器 控制策略
智能决策
规划决策
ADAS研发：为什么模拟与仿真？
涉及人-车-环境闭环系统（交通、天气和道路） 传统的研发、测试和验证方法和手段已不能适应 传统的汽车模拟仿真技术和工具已不能满足要求
驾驶员
人-车-环境
环境
交通
车
天气
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为什么模拟与仿真？ 技术需求
车车协同 车辆避撞
Modeling on Battery and Electric Motors, onboard communication
驾驶员
电化学 电磁学 电机学等
车辆多刚体 动力学
力学/机械学 计算机图学 weather road 图像处理 信号处理 电磁波 camera wireless 无线通信等
150
方向盘转角输入
目标路径与实际路径对比
PanoSim：高精度车辆动力学模型
鱼钩仿真工况（与CarSim对比高度一致）
30 Carsim Panosim 20
0.8 0.6 Carsim Panosim
侧向加速度
10
Lateral Acceleration [g]
1
来自百度文库
Longitudinal velocity [km/h]
great American inventor, engineer & businessman
工具
“ 工欲善其事必先利其器 ”--- 孔子《论语·魏灵公》
Time cover 1933
自上世纪90年代起，模拟仿真和数字虚拟化技术已经成为了
汽车研发过程的关键手段和核心技术
世界主要汽车制造企业基于虚拟仿真平台对传统汽车技术、功 能和产品的研发的比重已经高达70%以上-- *Automotive Wikipedia