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ANSYS SPEOS & VRXPERIENCE-基于物理特性的智能駕駛傳感器高精度仿真

        作為智能駕駛系統的重要組成部分,傳感器為感知系統提供原始數據,其性能對整個智能駕駛系統的功能和性能有直接且重要的影響。
 
        為提高智能駕駛系統開發的效率和效果,會采用仿真的方式對方案進行驗證和優化,涉及全數字仿真、半實物仿真等。為使仿真結果盡可能真實地反映實際情況,需要對攝像頭、激光雷達、毫米波雷達等傳感器進行高精度的建模仿真。
 
        針對此類應用,經緯恒潤聯合ANSYS公司,提供包括光學及視覺模擬軟件SPEOS和光學虛擬現實仿真軟件VRXPERIENCE的智能駕駛傳感器高精度仿真解決方案,依據對象的真實物理屬性進行傳感器和場景的高精度仿真。
 

產品介紹

        ANSYS SPEOS & VRXPERIENCE解決方案在智能駕駛領域可應用于攝像頭、激光雷達、毫米波雷達傳感器的建模仿真,涉及像素網格投影、成像仿真、圖像后處理接口、機器視覺、ADAS部件級仿真、實時燈光仿真、動態前照燈性能評估、傳感器性能評估等??梢栽谥邱{系統研制早期,基于真實物理屬性進行不同天氣、時間、路況、光學傳感器安裝位置、安裝數量、傳感器設計方案、材料設計方案、照明設計方案等條件下的仿真模擬,對不同設計方案進行驗證,節約樣件和測試成本,縮短研發周期。
 
•  ANSYS SPEOS
        ANSYS SPEOS與SpaceClaim、CATIA V5、UG、CREO等主流CAD軟件平臺相結合,能夠實現從結構設計到光學設計的無縫銜接,以OMS設備的準確光學屬性測量結果作為軟件的輸入,基于材料的真實物理屬性進行傳感器及現實場景仿真,模擬結果可直接與實物照片進行對比。
 
        SPEOS可以通過數字化建模為攝像頭和激光雷達傳感器提供測試環境,快速直觀地將駕駛環境中攝像頭和激光雷達的成像結果模擬出來。結合CAD平臺,可以根據攝像頭和激光雷達的三維造型、物理屬性、約束條件,仿真傳感器系統采集的數據,用于驗證攝像頭和激光雷達結構對成像的影響,探測器晶片對成像質量的影響,如CCD的光譜敏感性、動態范圍、白平衡、像素大小與分布等對攝像頭成像產生的影響,可以在早期設計階段方便地評估不同設計方案在感知性能方面的區別。
 
光學傳感器監測系統模擬仿真分析
 
激光雷達傳感器模擬仿真分析
 
        SPEOS可以通過流明、出光角度和光譜等對LED等光源的光形進行定義,并通過車燈的CAD結構設計、照明布局位置,光學材質等對光的傳播路徑進行定義,通過仿真給出空間內光強分布等,并可通過人眼視覺模型給出亮度分布等。
 
車燈仿真結果
 
•  ANSYS VRXPERIENCE
        ANSYS VRXPERIENCE是一個整合多個功能的虛擬現實仿真平臺,包括虛擬駕駛仿真平臺、實時物理仿真平臺、人機交互平臺、虛擬現實平臺、感知質量仿真與審核平臺、聲音設計分析與評價平臺,幫助用戶體驗和評估產品性能,驗證新技術,加快設計和決策。
 
VRXPERIENCE虛擬現實仿真平臺
 
        ANSYS VRXPERIENCE中,和智能駕駛傳感器仿真強相關的模塊如下:
 
        ANSYS VRXPERIENCE Sensor:基于物理特性的傳感器仿真模塊,用于在虛擬駕駛環境中評估攝像頭、激光雷達和毫米波雷達的性能對感知系統、智能駕駛系統功能和性能的影響。通過模擬傳感器捕捉到的周圍環境圖像,測試傳感器位置及參數的合理性,為圖像算法提供數據輸入,實現極端環境的虛擬測試等。
 
        攝像頭模型能夠兼容標準和魚眼兩類攝像頭類型,可以對兩類攝像頭的物理參數進行詳細定義 :
    ♦  鏡頭參數,如鏡片材料、 焦距、焦距對應波長、光闌大小、光闌形狀等
    ♦  圖像傳感器參數,如分辨率、幾何尺寸、曝光時間、像素填充系數等
    ♦  處理器參數,如縮減位深(Bit Depth Reduction)、衍射偽影(Diffraction Spikes)等
    ♦  攝像頭位置,如高度、深度、偏移、俯仰角、偏移角
    ♦  風擋參數,如入射角、 縱向曲率半徑 、折射率、厚度等
 
        基于以上物理參數對攝像頭進行建模,并考慮環境光源和材料表面光學屬性的影響,在動態駕駛仿真過程中能夠實時輸出與攝像頭成像高度一致的原始圖像數據,并包含因攝像頭性能、外部光照和曝光策略而在成像中出現的色散、畸變、噪點、高亮溢出等現象。
 
基于物理特性的攝像頭仿真
 
        激光雷達模型兼容旋轉式和固態Flash類型,可以對兩類激光雷達的物理參數進行詳細的定義:
    ♦  環境參數,如大氣消光系數
    ♦  脈沖發射器參數,如光束發散角、脈沖線數、最遠探測距離、脈沖發散角等
    ♦  接收器光學組件參數,如最大反射次數、光闌大小、視場角等
    ♦  接收器電學組件參數,如最大截止電流、響應度等
    ♦  接收器預處理參數,如采樣頻率、比特數等
    ♦  裝車位置,如高度、深度、偏移、俯仰角、偏移角
 
        基于上述物理參數的建模以及對場景環境光源的考慮和材料表面光學屬性的影響,在動態駕駛仿真過程中,可實時輸出原始波形數據、強度譜數據和點云的空間位置數據,可以幫助設計人員評估外部環境光和材料表面不同色深、材質對雷達探測結果的影響。
 
基于物理特性的激光雷達仿真
 
        毫米波雷達模型支持單模和多模,可對以下物理參數進行詳細定義:
    ♦  天線參數,如發射功率、實際增益、安裝位置等
    ♦  波形參數,如采樣窗口類型、中心頻率等
    ♦  調頻連續波形參數,如波形的頻率帶寬、采樣率等
    ♦  脈沖多普勒系統參數,如波形的頻率帶寬、頻率樣本數等
    ♦  性能波形參數,如距離分辨率、最大失真范圍、最大失真速度等
 
基于物理特性的毫米波雷達仿真
 
        傳感器需要與外部環境發生交互,物理場的計算需要耦合環境與傳感器模型進行聯合仿真,實現基于物理特性的傳感器高精度仿真需要有對應的3D物理環境仿真的能力。ANSYS提供用于環境物理場模擬的3D場景仿真環境,攝像頭、激光雷達和毫米波雷達傳感器模型都集成在該平臺內。為進行光線和電磁波在空間中的傳播和物體的反射、折射的仿真,在構建三維環境的幾何模型之外,還需要對物體表面材料屬性進行定義。仿真環境提供常用材料屬性庫,也支持通過ANSYS的OMS硬件設備,對用戶所需仿真的場景材料進行測量,并將所得材料表面光學屬性BSDF函數附在前述場景建模的所屬材質表面。
 
        ANSYS VRXPERIENCE Headlamp:車燈路面光型仿真模塊,可以導入SPEOS計算獲得的光分布結果,結合3D場景,對環境的光強分布進行仿真,提供豐富的色度、光度學分析工具,包含等照度線、等照度區域等信息,并通過光強分布IES文件和光譜Spectrum文件對自然光源、路燈光源等進行定義,為夜間環境智能駕駛系統仿真提供高精度的環境模型。
 
  
ANSYS VRXPERIENCE Headlamp
 
        ANSYS VRXPERIENCE Driving Simulator:動態駕駛模擬解決方案,可以仿真實時場景、車輛以及交通環境,支持道路、車輛的創建和編輯,提供閉環仿真運行的平臺,結合Headlamp和Sensor,可以針對夜間場景、需要考慮傳感器物理特性影響的場景、需要對感知系統性能進行驗證的場景,提供全數字、半實物的驗證環境。
 

ANSYS VRXPERIENCE Driving Simulator
 
應用案例
•  日本某供應商,需要進行ADAS傳感器分析,希望采用真車多次重復測試的方式保證系統質量,技術和項目進度均不能滿足要求。借助于ANSYS SPEOS & VRXPERIENCE,通過建立復雜的場景,并結合基于物理特性的攝像頭和激光雷達模型,對傳感系統進行多次測試,降低了項目周期和費用。
 
ADAS傳感器分析-日本某供應商
 
•  美國某OEM,在L2、L3的功能安全分析中,需要綜合考慮傳感器位置和性能,并進行傳感器數據融合測試,“視景系統+動力學+控制聯合仿真”方案無法滿足技術和項目周期需求。借助于SPEOS進行頭燈光學高精度仿真,基于VRXPERIENCE Sensor的傳感器仿真對系統性能進行了驗證,并深化了對系統特性的認知。
 
ADAS軟件虛擬測試-美國某OEM
 
•  日本某OEM,在ADAS系統測試中,已有的HIL測試系統無法提供車燈仿真和攝像頭的物理模型,基于路試進行夜間場景的驗證,項目進度較慢。借助于SPEOS進行車燈仿真,并將結果輸入到VRXPERIENCE Headlamp中,結合基于物理特性的攝像頭模型,形成了針對夜間場景的HIL測試系統,減少了路試,每年節約費用約100萬美元。
 
•  歐洲某供應商,因為目前市面上仿真工具大多只能進行基礎場景測試,無法覆蓋邊緣場景,在L3/L4的功能測試中,耗費大量人力物力進行路試。借助于SPEOS & VRXPERIENCE,通過傳感器高精度仿真減少了路試。
 
ADAS軟件虛擬測試-歐洲某供應商
 
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