MathWorks為自動(dòng)駕駛校園班車開發(fā)ADAS技術(shù)

每天，加拿大滑鐵盧大學(xué)內(nèi)的自動(dòng)駕駛班車 WATonoBus都會(huì)啟動(dòng)，行駛在圍繞校園的 2.7 公里環(huán)形路上。這款自動(dòng)班車面向?qū)W生、教職員工和游客。它是世界上最大的學(xué)術(shù)汽車實(shí)驗(yàn)室之一 —— 機(jī)電車輛系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室 (MVS) 的眾多創(chuàng)新工程之一。

MVS 實(shí)驗(yàn)室已成立超過 15 年，并與眾多組織和原始設(shè)備制造商 (OEM) 廣泛開展協(xié)作，包括行業(yè)巨頭通用汽車公司。

“我們通常有 40 到 50 名研究生、工程師、博士后和技術(shù)人員在工作，”滑鐵盧大學(xué)機(jī)械工程教授、MVS 實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人 Amir Khajepour 博士說道。

六年前，該實(shí)驗(yàn)室利用加拿大創(chuàng)新基金會(huì)的初始資金啟動(dòng)了自動(dòng)駕駛項(xiàng)目。從那時(shí)起，這一名為 WATonoBus 的項(xiàng)目就吸引了數(shù)十名學(xué)生參與，并逐漸發(fā)展成為開發(fā)各種自主移動(dòng)出行技術(shù)的平臺(tái)。

自動(dòng)駕駛班車 WATonoBus 在交叉路口停下來，禮讓一名在人行橫道上的男子在班車前通過。

分解問題

WATonoBus 項(xiàng)目旨在打造一個(gè)自主移動(dòng)出行研究和訓(xùn)練平臺(tái)。考慮到每年都有學(xué)生加入和離開 MVS 實(shí)驗(yàn)室的學(xué)術(shù)環(huán)境，我們希望該平臺(tái)需要的學(xué)習(xí)時(shí)間越短越好。這樣，這些研究生可以將大部分時(shí)間投入研發(fā)而不是學(xué)習(xí)平臺(tái)本身。

Khajepour 解釋道，“對(duì)我來說，最重要的事項(xiàng)之一是確保所構(gòu)建平臺(tái)的學(xué)習(xí)曲線不能太長(zhǎng)，因?yàn)閷W(xué)生們不斷加入和退出，變動(dòng)頻繁。我們的平臺(tái)需要具有明確定義的模塊。這有利于團(tuán)隊(duì)理解并持續(xù)以并行方式開發(fā)模塊?！?/p>

為了解決此問題，團(tuán)隊(duì)將 WATonoBus 項(xiàng)目分解為幾個(gè)關(guān)鍵模塊，每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)都貫徹簡(jiǎn)易性和可訪問性。第一步是為班車配備各種傳感器，包括攝像頭、激光雷達(dá)、雷達(dá)和 GPS。然后他們創(chuàng)建了一個(gè)感知模塊，用于處理來自班車傳感器的輸入，將它們?nèi)诤显谝黄穑⑻崛￡P(guān)鍵信息，如汽車、物品和人員的位置、速度和方向，以及道路和可行駛區(qū)域。

團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了其他模塊，分別負(fù)責(zé)決策、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、控制和健康監(jiān)測(cè)等。這些模塊是使用 MATLAB? 和 Simulink? 開發(fā)的。它們與其他模塊交互并執(zhí)行對(duì)班車自動(dòng)駕駛至關(guān)重要的任務(wù)。這些模塊的輸出是控制命令，例如加速度和速度水平、轉(zhuǎn)向角度和制動(dòng)。這些命令會(huì)發(fā)送給 WATonoBus 以供執(zhí)行。

“我們構(gòu)建了一個(gè)通用的高級(jí)軟件架構(gòu)，”Khajepour 說道?！案兄糠中枰罅?GPU 算力，因此我們使用了 NVIDIA? 處理器。但是，系統(tǒng)的其余部分都是在 Simulink 和 MATLAB 中開發(fā)的?！?/p>

這兩個(gè)模塊通過機(jī)器人操作系統(tǒng) (ROS) 進(jìn)行通信。此開源軟件框架為開發(fā)與現(xiàn)實(shí)世界交互的應(yīng)用(如機(jī)器人和自動(dòng)駕駛)提供了工具、庫(kù)和驅(qū)動(dòng)程序。ROS 在發(fā)布者-訂閱者系統(tǒng)上運(yùn)行，使系統(tǒng)中的不同節(jié)點(diǎn)能夠交換信息。

以 WATonoBus 為例，感知模塊將其結(jié)果和預(yù)測(cè)發(fā)布給 ROS。然后，決策和控制模塊訂閱這些 ROS 主題，以便在創(chuàng)建感知信息時(shí)接收該信息。一旦這些模塊處理了數(shù)據(jù)，它們就將其輸出發(fā)布回 ROS，然后 ROS 向班車控制作動(dòng)器發(fā)送底層命令。

使用仿真進(jìn)行訓(xùn)練

開發(fā)自動(dòng)駕駛汽車面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)是獲取數(shù)據(jù)來訓(xùn)練模型。收集真實(shí)數(shù)據(jù)不僅緩慢、成本高昂，還不時(shí)面臨安全和監(jiān)管問題。為了規(guī)避這些問題，工程師通常依賴仿真環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)駕駛汽車所使用的人工智能系統(tǒng)的大部分訓(xùn)練。

借助仿真，團(tuán)隊(duì)可以在各種場(chǎng)景中訓(xùn)練和測(cè)試模型，而無需在汽車上部署模型。仿真能夠降低成本，并提高訓(xùn)練自動(dòng)駕駛模型的速度。一旦模型準(zhǔn)備就緒，就將它們部署到車輛上，以便在實(shí)際道路上進(jìn)一步測(cè)試和微調(diào)。

Khajepour 說道，“我們并沒有首先在平臺(tái)本身(即班車)上運(yùn)行所有一切，而是使用了 MATLAB 和 Simulink 環(huán)境來生成這些場(chǎng)景。”

該團(tuán)隊(duì)使用 Automated Driving Toolbox? 中包含的駕駛場(chǎng)景設(shè)計(jì)器為其仿真環(huán)境創(chuàng)建了一個(gè)場(chǎng)景生成器。此工具支持工程師構(gòu)造各種環(huán)境、道路和交通參與者模型，以及安裝在汽車上的所有傳感器。仿真環(huán)境提供感知模塊在現(xiàn)實(shí)中可能遇到的汽車和物體的位置。

與主架構(gòu)一樣，這些信息發(fā)布給 ROS，并繼續(xù)傳遞給負(fù)責(zé)決策和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的模塊。然后，控制模塊的輸出返回到 ROS，并作為控制班車的命令傳回虛擬環(huán)境。

Khajepour 解釋道，“根據(jù)設(shè)計(jì)，我們的場(chǎng)景生成器能夠?qū)θ魏尾季值能囕v、行人以及所有情形(例如丁字路口或任何其他交通狀況)添加位置、速度和其他因素?！苯柚@種方法，團(tuán)隊(duì)能夠快速生成大量場(chǎng)景，包括很少發(fā)生但對(duì)測(cè)試自動(dòng)駕駛班車安全性至關(guān)重要的挑戰(zhàn)性場(chǎng)景，通常稱為“邊緣情形”。

團(tuán)隊(duì)在仿真中必須解決的一個(gè)問題是班車在不同場(chǎng)景下必須執(zhí)行的動(dòng)作序列，例如靠邊停車、打開車門、等待乘客上車等。為了解決這一問題，他們使用 Stateflow? 來設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)，以幫助他們針對(duì)這些復(fù)雜的多步操作進(jìn)行決策邏輯建模和仿真。

Simulink 使他們能夠使用模型預(yù)測(cè)控制和 PID 控制器仿真車輛動(dòng)態(tài)信息。

真實(shí)測(cè)試

WATonoBus 的模型開發(fā)是迭代過程。每次迭代都在仿真環(huán)境中開始。研究團(tuán)隊(duì)在仿真環(huán)境中使用 Simulink 和駕駛場(chǎng)景設(shè)計(jì)器在各種情況和邊緣情形下測(cè)試系統(tǒng)。一旦在仿真中證明該模型是穩(wěn)健的，就可以將其部署到汽車上并在現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行測(cè)試。

在此轉(zhuǎn)換過程中，工程師會(huì)使用 Embedded Coder? 將其 MATLAB 軟件轉(zhuǎn)換為可在車載計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的可執(zhí)行軟件包。在汽車上安裝軟件后，他們將在可以完全控制交通和物體的特殊環(huán)境中對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)試。這使他們能夠發(fā)現(xiàn)仿真訓(xùn)練中可能遺漏的任何問題。

Khajepour 說道，“通常，我們?cè)谇皫纵喺鎸?shí)測(cè)試中會(huì)遇到一些困難。我們返回仿真環(huán)境，調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并將其重新部署到班車上。一旦我們對(duì)其表現(xiàn)抱有信心，我們就在大學(xué)的校園環(huán)形路上對(duì)其進(jìn)行測(cè)試?！?/p>

環(huán)形路全長(zhǎng) 2.7 公里，連接所有大學(xué)院系、泊車場(chǎng)和其他設(shè)施，是一個(gè)綜合試驗(yàn)場(chǎng)。行人、騎車人、車輛和路況的混合出現(xiàn)反映了城市環(huán)境的復(fù)雜性。

“環(huán)形路很好地體現(xiàn)了城市環(huán)境，”Khajepour 說道?！霸诩幽么竺媾R的困難之一是確保您能在變化多端的天氣條件下正常運(yùn)行?！?/p>

一旦該模型部署在環(huán)形路上的 WATonoBus 班車上，在安全駕駛員的監(jiān)視下，該團(tuán)隊(duì)將識(shí)別 WATonoBus 難以處理的新情況和場(chǎng)景。然后這些場(chǎng)景在仿真中重現(xiàn)，循環(huán)迭代重新開始。目前，團(tuán)隊(duì)已使用這種迭代方法發(fā)布了兩個(gè)主要軟件版本，并用這種方法修改其模型和硬件。

向公眾開放

Khajepour 博士和他的團(tuán)隊(duì)獲得了在環(huán)形路上運(yùn)營(yíng)載客 WATonoBus 的監(jiān)管批準(zhǔn)，這是一個(gè)重要的里程碑?，F(xiàn)在，自動(dòng)班車每天都向公眾開放。

Khajepour 說道，“我們每天運(yùn)行大約小時(shí)來收集數(shù)據(jù)，看看各部分的配合情況。”

WATonoBus 在其運(yùn)行軌跡中的五個(gè)站位?？?，在校園周圍的關(guān)鍵站位接送乘客。自推出以來，該班車很受有校園內(nèi)出行需求的學(xué)生的歡迎。

除了其主要功能之外，WATonoBus 已發(fā)展成為創(chuàng)新平臺(tái)，促進(jìn)了各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出在公共道路上自動(dòng)駕駛的范圍。

“我們將在 WATonoBus 上學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用于其他應(yīng)用，包括自主地下采礦、醫(yī)療設(shè)施中的自主移動(dòng)出行、自動(dòng)化配送中心和農(nóng)場(chǎng)作業(yè)，”Khajepour 分享道。

該團(tuán)隊(duì)還為 WATonoBus 開發(fā)了移動(dòng) App，可以顯示班車在環(huán)形路上的位置并提供班車時(shí)刻表。此 App 將作為收集學(xué)生和其他乘客反饋的寶貴工具，幫助團(tuán)隊(duì)確定班車及其軟件有哪些地方需要改進(jìn)。

WATonoBus 項(xiàng)目也是許多學(xué)生論文工作的實(shí)踐測(cè)試平臺(tái)。一名參與該項(xiàng)目的博士生說道，“我正在決策模塊中研究確定性處理。最終，我希望我的論文工作將部署到 WATonoBus 測(cè)試平臺(tái)上，看看我的工作是否可以提高班車的性能?！?/p>