高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）與自動(dòng)駕駛汽車的研發(fā)不僅極富挑戰(zhàn)，且無(wú)先例可循。此技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需傳感器技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能方面不斷取得新的發(fā)展。用人工智能取代人類駕駛員面臨的首要問(wèn)題就是機(jī)器感知。自動(dòng)駕駛汽車的計(jì)算機(jī)不僅需要能夠識(shí)別其他車輛、行人、道路標(biāo)志、道路標(biāo)線、樹(shù)木、建筑物、紅綠燈以及我們?cè)谌粘ｑ{駛中遇到的很多其他事物，同時(shí)還需克服夜晚中的黑暗、雨雪天氣等惡劣駕駛條件下的識(shí)別問(wèn)題?；趥鹘y(tǒng)規(guī)則的計(jì)算機(jī)算法幾乎不可能解決這個(gè)問(wèn)題，需要使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法。

通過(guò)這些方法，可以訓(xùn)練計(jì)算機(jī)，而非對(duì)其進(jìn)行編程。但是駕駛是一項(xiàng)錯(cuò)綜復(fù)雜的任務(wù)，需要大量的訓(xùn)練才能讓計(jì)算機(jī)像普通人一樣安全、可靠地駕駛。據(jù)估計(jì)，要確保ADAS 和自動(dòng)駕駛汽車的安全性和可靠性，需要數(shù)10億英里的道路測(cè)式。這項(xiàng)看似不可能的任務(wù)只有借助工程仿真才能實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用仿真技術(shù)能夠以極低的成本準(zhǔn)確快速地對(duì)數(shù)以千計(jì)的駕駛情境和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行虛擬測(cè)試。本文將介紹仿真技術(shù)在研發(fā)自動(dòng)駕駛汽車和高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)過(guò)程中發(fā)揮重要作用的六個(gè)具體方面 ，同時(shí)介紹ADAS和自動(dòng)駕駛汽車仿真所需的工具。

01、駕駛情境系統(tǒng)仿真

利用全自動(dòng)或半自動(dòng)汽車的系統(tǒng)級(jí)行為模型進(jìn)行綜合全面的駕駛情境仿真。這類車輛模型包含所有傳感器、 控制系統(tǒng)、 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)租車身，并被放置 在包含道路、建筑糊、行人以及路標(biāo)的虛擬駕駛環(huán)境里。在這種仿真環(huán)境中，可以迅速評(píng)估數(shù)以干計(jì)的駕駛情境，以便測(cè)試汽車傳感器、 控制算法和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在相應(yīng)條件下是否都按照預(yù)期進(jìn)行工作。從本質(zhì)上講，自動(dòng)駕駛汽車技術(shù)與ADAS系統(tǒng)是控制環(huán)路，包含物理領(lǐng)域、傳感器、控制器和致動(dòng)器這四個(gè)基本要素。當(dāng)汽車在物理世界中行駛時(shí)，傳感器會(huì)感應(yīng)車輛周圍的物體，控制器會(huì)根據(jù)所感應(yīng)到的物體做出決策，而致動(dòng)器會(huì)依照控制器的指令驅(qū)動(dòng)汽車。

由四個(gè)要素構(gòu)成的控制環(huán)路

在仿真完整的駕駛情境時(shí)，例如汽車駛近交叉路口，尋找交叉車流，等待交叉車流暢通，直到安全時(shí)再通過(guò)交叉路口，這種情況就需要進(jìn)行系統(tǒng)仿真。

自動(dòng)駕駛控制環(huán)路的仿真

系統(tǒng)仿真步驟：

第一步：建立由虛擬道路、 建筑物、 行人和其他車輛等構(gòu)成的環(huán)境模型，而有待研究的汽車（指自動(dòng)駕駛汽車）則在這個(gè)虛擬世界中行駛。

第二步：需要對(duì)自動(dòng)駕駛汽車上的傳感器進(jìn)行建模。汽車上的雷達(dá)、超聲波傳感器、攝像頭和其他傳感器會(huì)觀察自動(dòng)駕駛汽車周圍的虛擬世界，并生成仿真的傳感器信號(hào)。

第三步：再傳遞傳感器信號(hào)，以進(jìn)行信號(hào)處理、傳感器融合和實(shí)施控制算法。這些算法可決定是否通過(guò)加速或制動(dòng)來(lái)改變汽車速度，以及是否通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤來(lái)改變汽車方向。

第四步：控制決策被傳遞給汽車致動(dòng)器的虛擬模型，例如可控制汽車運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)、 轉(zhuǎn)向以及虛擬傳動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)仿真中的車輛動(dòng)力學(xué)模塊負(fù)責(zé)計(jì)算汽車的移動(dòng)。它不僅可以考慮到濕滑路面條件等各種細(xì)節(jié)，而且還能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)汽車的運(yùn)動(dòng)情況，從而使它在環(huán)境模型中具有舉足輕重的地位。經(jīng)過(guò)這樣的流程，整個(gè)控制環(huán)路不斷重復(fù)，直至完成駕駛情境的仿真。

在這種駕駛情境的系統(tǒng)仿真中，能方便快速地對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。例如，我們可以進(jìn)行假設(shè)性研究，以了解汽車的某個(gè)傳感器發(fā)生意外故障時(shí)所造成的影響。此外，這種情境仿真對(duì)于軟件和算法的回歸測(cè)試來(lái)說(shuō)非常有用。情境仿真無(wú)論在速度、成本還是精確度和自動(dòng)化方面均具有極大優(yōu)勢(shì)，使其當(dāng)之無(wú)愧地成為重復(fù)執(zhí)行定義回歸測(cè)試不可或缺的工具。ANSYS的仿真軟件平臺(tái)可將業(yè)界最佳工具連接在一起，用以執(zhí)行自動(dòng)駕駛汽車的高保真度情境系統(tǒng)仿真。

02、軟件與算法的建模及研發(fā)

與硬件研發(fā)一樣，仿真在軟件研發(fā)中也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用在研發(fā)和測(cè)試信號(hào)處理例行程序、傳感器融合算法、物體識(shí)別功能、控制算法和人機(jī)界面（HMI)軟件時(shí)，利用基于模型的軟件研發(fā)技術(shù)可使軟件更加穩(wěn)健、安全、不易出錯(cuò)。由于ADAS和自動(dòng)駕駛汽車系統(tǒng)本身就需要具備嚴(yán)格的安全性，汽車制造商和供應(yīng)商越來(lái)越多地依照ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)汽革的主動(dòng)和被動(dòng)安全系統(tǒng)。因此ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)在研發(fā)中也至關(guān)重要。基于模型的嵌入式軟件研發(fā)技術(shù)以及經(jīng)過(guò)ISO 26262認(rèn)證的代碼生成器能明顯加快嵌入式軟件的研發(fā)過(guò)程。一旦軟件模型經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，就能確保所生成的代碼不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而能夠消除代碼的單元測(cè)試工作，將軟件研發(fā)的工作量減半。

ANSYS仿真平臺(tái)中的SCADE（安全關(guān)鍵型應(yīng)用研發(fā)環(huán)境）軟件研發(fā)套件包含基于模型的軟件研發(fā)工具和KCG代碼生成器。KCG代碼生成器將包含狀態(tài)機(jī)和數(shù)據(jù)流的SCADE軟件模型作為輸入信息，即可輸出等效的C代碼。

03、功能安全性分析

ADAS 和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)顯著增加了汽車系統(tǒng)的復(fù)雜性。它們不僅可能會(huì)造成更多故障源，還會(huì)引起更多的故障級(jí)聯(lián)路徑。由于 ADAS 和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)從本質(zhì)上需要極高的安全特性，因此任何故障很容易導(dǎo)致嚴(yán)重甚至致命的后果。這類復(fù)雜系統(tǒng)的功能安全性分析非常繁瑣，容易出錯(cuò) ，而且還極易出現(xiàn)漏洞和缺陷。因此 ， 自動(dòng)化的功能安全性分析工具對(duì)于確保 ADAS 和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的安全性必不可少。

ANSYS仿真平臺(tái)包含的Medini Analyze可有效實(shí)施功能安全性分析的核心工作，并且能夠方便地將它們集成到產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中。Medini Analyze依照ISO26262中針對(duì)軟件控制的安全相關(guān)功能和硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行安全性分析與設(shè)計(jì),并且根據(jù)SAE J1739標(biāo)準(zhǔn)和VDA質(zhì)量手冊(cè)中的產(chǎn)晶設(shè)計(jì)和相關(guān)過(guò)程執(zhí)行質(zhì)量分析。它將架構(gòu)和功能設(shè)計(jì)與質(zhì)量、可靠性和功能安全性分析方法相結(jié)合，可用于執(zhí)行駕駛情境分析、 危險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)分析、故障樹(shù)分析（FTA)、故障模都服燥分析（FMEA）、概率分析罪日硬件故固國(guó)盼析。Medini Analyze提供完整的端到端故障追溯功能、自定義文檔生成功能以及支持詳細(xì)比較與合并的團(tuán)隊(duì)協(xié)作工具。

04、傳感器性能仿真

傳感器是自動(dòng)駕駛汽車中需要研發(fā)的重要新組件。仿真技術(shù)可利用高保真度的物理分析來(lái)預(yù)測(cè)傳感器（例如雷達(dá)、V2X天線和超聲波傳感器）的性能。

例如，仿真技術(shù)能預(yù)測(cè)特定駕駛情境下的雷達(dá)方向圖和增益，無(wú)需成本高昂且耗時(shí)的物理測(cè)試。此外，當(dāng)雷達(dá)被安裝到汽車以及在雨雪天工作時(shí) ， 仿真技術(shù)還能對(duì)其性能變化進(jìn)行計(jì)算，可以準(zhǔn)確了解真實(shí)情況下的雷達(dá)工作情況，而所需的成本和時(shí)間僅為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的一小部分。

ANSYS仿真平臺(tái)包含一個(gè)電磁場(chǎng)求解器（HFSS一高規(guī)結(jié)構(gòu)仿真器）和一個(gè)射線跟蹤求解器（SBR+)這些求解器可用于執(zhí)行汽車?yán)走_(dá)的高保真度仿真。仿真技術(shù)能夠加速雷達(dá)的研發(fā)，主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

(a） 隔離的雷達(dá)仿真：在自由空間中對(duì)雷達(dá)天編日天線罩進(jìn)行的仿真。在這類仿真中執(zhí)行快速參數(shù)研究，以優(yōu)化天糊口天線罩的 幾何與材料設(shè)計(jì)。

(a）雷達(dá)天線方向圄的仿真（b）天線罩對(duì)雷達(dá)天線方向圄的影響

(b） 對(duì)己安裝雷達(dá)進(jìn)行的仿真：對(duì)安裝到汽車上的雷達(dá)進(jìn)行仿真，以確定因汽車格柵或保險(xiǎn)杠阻擋而導(dǎo)致的雷達(dá)性能劣化問(wèn)題。

(a）自由空間內(nèi)的雷達(dá)方向國(guó)（b）在相同的雷達(dá)被安裝到汽車格柵之后真方向國(guó)發(fā)生的變化

(c） 對(duì)處于真實(shí)環(huán)境中的雷達(dá)進(jìn)行的仿真：在包含真芭車輛、建筑物、 行人、樹(shù)木的大型真實(shí)環(huán)境中天才雷達(dá)的性能進(jìn)相旗．鑒于雷左 翩天線國(guó)捕入信號(hào)，國(guó)果真虔陋仿真劊罔居雷主自脫虛 擬環(huán)境中 ”觀察” 到的情況來(lái)計(jì)算雷達(dá)接收天線上的輸出信號(hào)。

交通情境中雷達(dá)工作的高保真度物理仿真。雷達(dá)被安裝在左側(cè)的自動(dòng)駕駛汽車上。彩色的方向國(guó)用于發(fā)射，灰色的方向國(guó)用于接收。

(d）對(duì)駕駛情境中的雷達(dá)進(jìn)行的仿真：使用高保真度雷達(dá)仿真的降階模型（ROM）能夠創(chuàng)建出快速執(zhí)行的高精度雷達(dá)模型，并將其應(yīng)用到駕駛情境仿真中。

相同的仿真工具還可用來(lái)研發(fā)和布局 V2X 通信天線，并確保真實(shí)情境中的信號(hào)完整性，如當(dāng)真芭車輛或建筑糊阻擋了兩輛車之間的信號(hào)路徑時(shí)。

車輛與車輛之間的通信仿真。當(dāng)?shù)谌v車加入時(shí)，兩輛車上天線的搞合程度會(huì)顯著降低。

ANSYS仿真平臺(tái)還包括用來(lái)對(duì)超聲波傳感器進(jìn)行仿真的聲學(xué)求解器。下圖中的實(shí)例顯示的是，當(dāng)汽車朝著柱形桿倒車時(shí)，利用高保真度聲波計(jì)算來(lái)仿真安裝在汽車模型后面轉(zhuǎn)角位置的超聲波傳感器的響應(yīng)。

對(duì)安裝在汽車模型后保險(xiǎn)杠上的超聲波傳感器進(jìn)行的聲學(xué)仿真

05、電子硬件仿真

與現(xiàn)在的汽車相比，自動(dòng)駕駛汽車的電子硬件要多很多，如雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭、其他傳感器 、V2X 通信系統(tǒng)以及信號(hào)負(fù)血系細(xì)專感器融合板、人工智能計(jì)算機(jī)、 控制器、 致動(dòng)器以及HMI（人機(jī)屏面）。其中很多都是重要的安全部件，其硬件必須要能夠承受電氣、 熱、 振動(dòng)和機(jī)械負(fù)荷，而且不會(huì)在汽車使用壽命期內(nèi)出現(xiàn)故障．仿真能夠顯著地加快設(shè)計(jì)測(cè)試的速度，并提供深刻的物理洞察力，使工程師能夠優(yōu)化電子組件并實(shí)現(xiàn)魯棒性設(shè)計(jì)。

ANSYS 仿真平臺(tái)可提供 Icepak、SIwave 和 Mechanical等專用工具，用于分析電子封裝、電路板、外殼到系統(tǒng)中的各種物理現(xiàn)象，如功率優(yōu)化、電源完整性、靜電放電（ESD）、電磁干擾／電磁兼窯（EMI/EMC）、熱和結(jié)梅可靠性等。例如，下圖所示的是印刷電路板（PCB）的多物理場(chǎng)仿真，可用于改善其電氣、熱和機(jī)械可靠性，并首先對(duì)電路板組件中的供電進(jìn)行直流仿真。PCB 可提供電路板上所有金屬層的功耗信息，該信息隨后可用于熱仿真。熱仿真可用于確定電路板和組件溫度是否在允許范圍內(nèi)。

此外，熱仿真還有助于確定 PCB 及組件的不同冷卻方案，例如是選擇風(fēng)扇還是在重要部件上安裝熱沉。此外，利用溫度場(chǎng)進(jìn)行機(jī)械的熱-應(yīng)力仿真，可用于評(píng)估電路板及組件熱變形，并預(yù)測(cè)溫度周期變化時(shí)焊點(diǎn)的熱疲勞。這些仿真能夠確定連接位置、 加固件、 組件布局、 夾緊負(fù)荷以及其它方面，以減少電路板的熱-機(jī)械應(yīng)為疲勞。

印刷電路板（PCB）上電子器件（a）可靠性、 PCB板（b）功率圖（c）溫度分布(d）機(jī)械應(yīng)力分布進(jìn)行的仿真

06、半導(dǎo)體仿真

ADAS和自動(dòng)駕駛汽車系統(tǒng)要求在汽車上實(shí)時(shí)進(jìn)行海量的信號(hào)處理與計(jì)算．因此，半導(dǎo)體企業(yè)正在研發(fā)性能更好，同時(shí)又能在能耗、結(jié)構(gòu)、熱可靠性及器件尺寸間實(shí)現(xiàn)平衡的半導(dǎo)體。半導(dǎo)體設(shè)備的幾何結(jié)構(gòu)不斷減小，尤其是在新興3DIC、 FinFET 和堆疊晶片架構(gòu)中更是如此，因此與之相關(guān)的物理問(wèn)題就產(chǎn)生了功耗與可靠性方面的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。仿真和建模工具可幫助芯片設(shè)計(jì)人員提高精確度和性能，從而降低電源噪聲并改善IC的可靠性。通過(guò)仿真可以發(fā)現(xiàn)并解決關(guān)鍵的物理問(wèn)題，如電遷移、 熱效應(yīng)及靜電放電等。