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，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。”

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。“感知部分需要大量 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。”

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)可以在各種場景中訓(xùn)練和測試模型，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)境來生成這些場景。”

該團(tuán)隊(duì)使用 Automated Driving Toolbox? 中包含的駕駛場景設(shè)計(jì)器為其仿真環(huán)境創(chuàng)建了一個(gè)場景生成器。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。”借助這種方法，團(tuán)隊(duì)能夠快速生成大量場景，包括很少發(fā)生但對(duì)測試自動(dòng)駕駛班車安全性至關(guān)重要的挑戰(zhàn)性場景，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)測控制和 PID 控制器仿真車輛動(dòng)態(tài)信息。

真實(shí)測試

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 和駕駛場景設(shè)計(jì)器在各種情況和邊緣情形下測試系統(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)行測試。”

環(huán)形路全長 2.7 公里，連接所有大學(xué)院系、泊車場和其他設(shè)施，是一個(gè)綜合試驗(yàn)場。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。“在加拿大面臨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。”

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景。然后這些場景在仿真中重現(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)營載客 WATonoBus 的監(jiān)管批準(zhǔn)，這是一個(gè)重要的里程碑。現(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)站位停靠，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 測試平臺(tái)上，看看我的工作是否可以提高班車的性能。”