高級駕駛員輔助系統（ADAS）與自動駕駛汽車的研發不僅極富挑戰，且無先例可循。此技術的實現需傳感器技術、機器學習和人工智能方面不斷取得新的發展。用人工智能取代人類駕駛員面臨的首要問題就是機器感知。自動駕駛汽車的計算機不僅需要能夠識別其他車輛、行人、道路標志、道路標線、樹木、建筑物、紅綠燈以及我們在日常駕駛中遇到的很多其他事物，同時還需克服夜晚中的黑暗、雨雪天氣等惡劣駕駛條件下的識別問題。基于傳統規則的計算機算法幾乎不可能解決這個問題，需要使用神經網絡和機器學習方法。

通過這些方法，可以訓練計算機，而非對其進行編程。但是駕駛是一項錯綜復雜的任務，需要大量的訓練才能讓計算機像普通人一樣安全、可靠地駕駛。據估計，要確保ADAS 和自動駕駛汽車的安全性和可靠性，需要數10億英里的道路測式。這項看似不可能的任務只有借助工程仿真才能實現，運用仿真技術能夠以極低的成本準確快速地對數以千計的駕駛情境和設計參數進行虛擬測試。本文將介紹仿真技術在研發自動駕駛汽車和高級駕駛員輔助系統過程中發揮重要作用的六個具體方面 ，同時介紹ADAS和自動駕駛汽車仿真所需的工具。

01、駕駛情境系統仿真

利用全自動或半自動汽車的系統級行為模型進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、 驅動系統租車身，并被放置 在包含道路、建筑糊、行人以及路標的虛擬駕駛環境里。在這種仿真環境中，可以迅速評估數以干計的駕駛情境，以便測試汽車傳感器、 控制算法和驅動系統在相應條件下是否都按照預期進行工作。從本質上講，自動駕駛汽車技術與ADAS系統是控制環路，包含物理領域、傳感器、控制器和致動器這四個基本要素。當汽車在物理世界中行駛時，傳感器會感應車輛周圍的物體，控制器會根據所感應到的物體做出決策，而致動器會依照控制器的指令驅動汽車。

由四個要素構成的控制環路

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

自動駕駛控制環路的仿真

系統仿真步驟：

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

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

第三步：再傳遞傳感器信號，以進行信號處理、傳感器融合和實施控制算法。這些算法可決定是否通過加速或制動來改變汽車速度，以及是否通過轉動方向盤來改變汽車方向。

第四步：控制決策被傳遞給汽車致動器的虛擬模型，例如可控制汽車運動的制動、 轉向以及虛擬傳動系統。系統仿真中的車輛動力學模塊負責計算汽車的移動。它不僅可以考慮到濕滑路面條件等各種細節，而且還能準確地預測汽車的運動情況，從而使它在環境模型中具有舉足輕重的地位。經過這樣的流程，整個控制環路不斷重復，直至完成駕駛情境的仿真。

在這種駕駛情境的系統仿真中，能方便快速地對各種參數進行測試。例如，我們可以進行假設性研究，以了解汽車的某個傳感器發生意外故障時所造成的影響。此外，這種情境仿真對于軟件和算法的回歸測試來說非常有用。情境仿真無論在速度、成本還是精確度和自動化方面均具有極大優勢，使其當之無愧地成為重復執行定義回歸測試不可或缺的工具。ANSYS的仿真軟件平臺可將業界最佳工具連接在一起，用以執行自動駕駛汽車的高保真度情境系統仿真。

02、軟件與算法的建模及研發

與硬件研發一樣，仿真在軟件研發中也發揮著至關重要的作用在研發和測試信號處理例行程序、傳感器融合算法、物體識別功能、控制算法和人機界面（HMI)軟件時，利用基于模型的軟件研發技術可使軟件更加穩健、安全、不易出錯。由于ADAS和自動駕駛汽車系統本身就需要具備嚴格的安全性，汽車制造商和供應商越來越多地依照ISO 26262標準來設計汽革的主動和被動安全系統。因此ISO 26262標準在研發中也至關重要。基于模型的嵌入式軟件研發技術以及經過ISO 26262認證的代碼生成器能明顯加快嵌入式軟件的研發過程。一旦軟件模型經過驗證，就能確保所生成的代碼不會出現錯誤，從而能夠消除代碼的單元測試工作，將軟件研發的工作量減半。

ANSYS仿真平臺中的SCADE（安全關鍵型應用研發環境）軟件研發套件包含基于模型的軟件研發工具和KCG代碼生成器。KCG代碼生成器將包含狀態機和數據流的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 和自動駕駛系統顯著增加了汽車系統的復雜性。它們不僅可能會造成更多故障源，還會引起更多的故障級聯路徑。由于 ADAS 和自動駕駛系統從本質上需要極高的安全特性，因此任何故障很容易導致嚴重甚至致命的后果。這類復雜系統的功能安全性分析非常繁瑣，容易出錯 ，而且還極易出現漏洞和缺陷。因此 ， 自動化的功能安全性分析工具對于確保 ADAS 和自動駕駛系統的安全性必不可少。

ANSYS仿真平臺包含的Medini Analyze可有效實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品的研發過程中。Medini Analyze依照ISO26262中針對軟件控制的安全相關功能和硬件系統的標準執行安全性分析與設計,并且根據SAE J1739標準和VDA質量手冊中的產晶設計和相關過程執行質量分析。它將架構和功能設計與質量、可靠性和功能安全性分析方法相結合，可用于執行駕駛情境分析、 危險和風險分析、故障樹分析（FTA)、故障模都服燥分析（FMEA）、概率分析罪日硬件故固國盼析。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比較與合并的團隊協作工具。

04、傳感器性能仿真

傳感器是自動駕駛汽車中需要研發的重要新組件。仿真技術可利用高保真度的物理分析來預測傳感器（例如雷達、V2X天線和超聲波傳感器）的性能。

例如，仿真技術能預測特定駕駛情境下的雷達方向圖和增益，無需成本高昂且耗時的物理測試。此外，當雷達被安裝到汽車以及在雨雪天工作時 ， 仿真技術還能對其性能變化進行計算，可以準確了解真實情況下的雷達工作情況，而所需的成本和時間僅為現場測試的一小部分。

ANSYS仿真平臺包含一個電磁場求解器（HFSS一高規結構仿真器）和一個射線跟蹤求解器（SBR+)這些求解器可用于執行汽車雷達的高保真度仿真。仿真技術能夠加速雷達的研發，主要體現在以下四個方面：

(a） 隔離的雷達仿真：在自由空間中對雷達天編日天線罩進行的仿真。在這類仿真中執行快速參數研究，以優化天糊口天線罩的 幾何與材料設計。

(a）雷達天線方向圄的仿真（b）天線罩對雷達天線方向圄的影響

(b） 對己安裝雷達進行的仿真：對安裝到汽車上的雷達進行仿真，以確定因汽車格柵或保險杠阻擋而導致的雷達性能劣化問題。

(a）自由空間內的雷達方向國（b）在相同的雷達被安裝到汽車格柵之后真方向國發生的變化

(c） 對處于真實環境中的雷達進行的仿真：在包含真芭車輛、建筑物、 行人、樹木的大型真實環境中天才雷達的性能進相旗．鑒于雷左 翩天線國捕入信號，國果真虔陋仿真劊罔居雷主自脫虛 擬環境中 ”觀察” 到的情況來計算雷達接收天線上的輸出信號。

交通情境中雷達工作的高保真度物理仿真。雷達被安裝在左側的自動駕駛汽車上。彩色的方向國用于發射，灰色的方向國用于接收。

(d）對駕駛情境中的雷達進行的仿真：使用高保真度雷達仿真的降階模型（ROM）能夠創建出快速執行的高精度雷達模型，并將其應用到駕駛情境仿真中。

相同的仿真工具還可用來研發和布局 V2X 通信天線，并確保真實情境中的信號完整性，如當真芭車輛或建筑糊阻擋了兩輛車之間的信號路徑時。

車輛與車輛之間的通信仿真。當第三輛車加入時，兩輛車上天線的搞合程度會顯著降低。

ANSYS仿真平臺還包括用來對超聲波傳感器進行仿真的聲學求解器。下圖中的實例顯示的是，當汽車朝著柱形桿倒車時，利用高保真度聲波計算來仿真安裝在汽車模型后面轉角位置的超聲波傳感器的響應。

對安裝在汽車模型后保險杠上的超聲波傳感器進行的聲學仿真

05、電子硬件仿真

與現在的汽車相比，自動駕駛汽車的電子硬件要多很多，如雷達、激光雷達、攝像頭、其他傳感器 、V2X 通信系統以及信號負血系細專感器融合板、人工智能計算機、 控制器、 致動器以及HMI（人機屏面）。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、 振動和機械負荷，而且不會在汽車使用壽命期內出現故障．仿真能夠顯著地加快設計測試的速度，并提供深刻的物理洞察力，使工程師能夠優化電子組件并實現魯棒性設計。

ANSYS 仿真平臺可提供 Icepak、SIwave 和 Mechanical等專用工具，用于分析電子封裝、電路板、外殼到系統中的各種物理現象，如功率優化、電源完整性、靜電放電（ESD）、電磁干擾／電磁兼窯（EMI/EMC）、熱和結梅可靠性等。例如，下圖所示的是印刷電路板（PCB）的多物理場仿真，可用于改善其電氣、熱和機械可靠性，并首先對電路板組件中的供電進行直流仿真。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。

此外，熱仿真還有助于確定 PCB 及組件的不同冷卻方案，例如是選擇風扇還是在重要部件上安裝熱沉。此外，利用溫度場進行機械的熱-應力仿真，可用于評估電路板及組件熱變形，并預測溫度周期變化時焊點的熱疲勞。這些仿真能夠確定連接位置、 加固件、 組件布局、 夾緊負荷以及其它方面，以減少電路板的熱-機械應為疲勞。

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）機械應力分布進行的仿真

06、半導體仿真

ADAS和自動駕駛汽車系統要求在汽車上實時進行海量的信號處理與計算．因此，半導體企業正在研發性能更好，同時又能在能耗、結構、熱可靠性及器件尺寸間實現平衡的半導體。半導體設備的幾何結構不斷減小，尤其是在新興3DIC、 FinFET 和堆疊晶片架構中更是如此，因此與之相關的物理問題就產生了功耗與可靠性方面的設計挑戰。仿真和建模工具可幫助芯片設計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。通過仿真可以發現并解決關鍵的物理問題，如電遷移、 熱效應及靜電放電等。