A validação virtual está se tornando cada vez mais importante, por exemplo, para testes durante o desenvolvimento e validação de sistemas de assistência ao motorista ou funções de direção conectadas. O pré-requisito para isso são as chamadas cenas ou modelos de pista que a Porsche Engineering gera para os clientes usando sua própria cadeia de ferramentas de ponta a ponta. Isso envolve um processo complexo para o qual os dados de mapa convencionais não são de forma alguma suficientes.
Antes do novo Porsche Cayenne ser apresentado em abril do ano passado, o protótipo já havia percorrido quatro milhões de quilômetros de teste. Mas isso era apenas em estradas reais e terrenos off-road, sem incluir as test drives virtuais em simulação.
Hoje em dia, mais de 1.000 quilômetros são percorridos no computador para cada quilômetro de teste na vida real. Os engenheiros geram um gêmeo digital do veículo e, em seguida, o testam em test drives virtuais em um ambiente de simulação em um banco de testes sintético ou híbrido (SiL, HiL, ViL) – principalmente em situações que raramente ocorrem na vida real ou são muito perigosas para testar em condições reais. Como o controle de cruzeiro reage, por exemplo, quando há um javali esperando no final de uma curva?
Para a validação de sistemas de assistência ao motorista e funções de condução altamente automatizadas, torna-se indispensável testar esses chamados 'casos extremos' em inúmeras variantes e diferentes níveis de criticidade. Isso, por sua vez, torna outro recurso cada vez mais importante: estradas e ambientes virtuais.
“Cada função que precisa ser validada por uma simulação requer um modelo de rota – um gêmeo digital da estrada e do ambiente”, explica Tille Karoline Rupp, Gerente Sênior de Simulação na Porsche Engineering. No passado, essas cenas ou modelos de pista eram frequentemente gerados manualmente, mas esse método é insuficiente para atender à demanda crescente – afinal, muitos bilhões de quilômetros de teste terão que ser percorridos no caminho para o carro autônomo. “Um alto grau de automação é crucial”, diz Rupp. A Porsche Engineering desenvolveu sua própria cadeia de ferramentas de ponta a ponta para gerar pistas de teste virtuais a partir de uma variedade de dados brutos – quase sem intervenção manual.
Tille Karoline Rupp, Gerente Sênior de Simulação na Porsche Engineering
Um exemplo de material fonte para a geração de cenas são mapas de alta resolução de fornecedores ou testes reais que a Porsche Engineering realiza com seus veículos de teste JUPITER (Joint User Personalized Integrated Testing and Engineering Resource). Dados de mapas de serviços públicos, como o Google Maps, não são adequados para a geração de cenas ou modelagem de pistas. "Às vezes, vamos até o nível de milímetros e precisamos de informações sobre a largura das pistas e das estradas, bem como inclinações transversais tridimensionais," diz Tobias Watzl, Engenheiro de Desenvolvimento e responsável pela modelagem de pistas.
Como a base de dados difere de país para país, a presença local é, às vezes, crucial. Na China, por exemplo, requisitos legais especiais se aplicam à coleta de dados de estradas geo-referenciados. Graças às suas equipes em Xangai e Pequim, a Porsche Engineering pode assumir a responsabilidade por escopos de projeto individuais no local, sempre em cooperação com os especialistas de outras localidades.
Construção Passo a Passo do Modelo de Pista.
No primeiro passo, um modelo lógico da estrada é derivado dos dados do mapa. Ele descreve o seu curso de acordo com as diretrizes de construção de estradas, utilizando funções matemáticas—principalmente equações polinomiais.
O modelo lógico da estrada é armazenado como um arquivo Asam OpenDRIVE®, um formato gerido e atualizado pela organização de padronização Asam e.V. (Associação para Padronização de Sistemas de Automação e Medição).
"Às vezes, chegamos ao nível de milímetros e precisamos de informações sobre a largura da pista e da estrada, além de inclinações transversais tridimensionais."
Tobias Watzl, Engenheiro de Desenvolvimento na Porsche Engineering
No segundo passo, é gerado um modelo tridimensional da estrada - uma representação visual que não só pode ser visualizada na tela, mas também pode interagir com modelos de sensores. Esta pista de teste virtual pode ser modificada de qualquer maneira necessária, adicionando acessos ou circuitos infinitos.
Cenas genéricas sem um equivalente na realidade também são adaptadas à função de condução a ser testada. Se o objetivo é um algoritmo de reconhecimento de placas de trânsito, por exemplo, vários sinais diferentes são colocados ao longo da estrada.
Tobias Watzl, Engenheiro de Desenvolvimento na Porsche Engineering
Alternativamente, os engenheiros também podem modelar estradas reais, como a autoestrada A8 de Stuttgart a Munique. Cenas georreferenciadas são necessárias, por exemplo, se a função a ser testada usar um mapa interno. Inicialmente, o modelo 3D representa apenas a estrada. No entanto, para otimizar funções baseadas em câmera, como detecção de faixa, o modelo virtual da pista deve parecer como na realidade.
Para isso, ele recebe um ambiente virtual. Para esse fim, a Porsche Engineering integrou o software gráfico 3D Houdini em sua linha de produção, que também é usado na indústria cinematográfica. Isso permite gerar árvores ou edifícios que parecem realistas ao longo da estrada. As informações sobre onde estão localizados quais objetos ao longo da estrada são extraídas de fontes como o serviço de mapas abertos OpenStreetMap (OSM).
No entento, modelar uma estrada digital fotorrealista e seu ambiente é muito demorado. "Se todos os dados de entrada estiverem corretos, são necessárias cerca de uma hora de tempo de computação para cerca de dez quilômetros", diz Watzl. Isso requer um equilíbrio por parte dos engenheiros: o modelo de pista precisa de detalhes suficientes para poder validar de forma confiável a função de direção respectiva, porém não pode ser muito grande, pois isso provavelmente exigiria muito poder de computação. Para garantir que a simulação seja executada sem problemas, objetos distantes ou irrelevantes são removidos ou modelados de forma altamente simplificada.
Ferramenta Automatizada.
A maior automação possível é crucial para modelagem eficiente de pistas. A equipe internacional da Porsche Engineering desenvolveu sua própria cadeia de ferramentas automatizada: todos os passos, desde as descrições lógicas da estrada até o modelo 3D final com ambiente, são executados automaticamente. Isso requer uma riqueza de inteligência digital: assumindo que o modelo lógico da estrada não mostra nenhuma inclinação, mas há 70 metros documentados nos dados de elevação do solo, o algoritmo precisa reconhecer que há um túnel nesse ponto e adicionar o túnel correspondente ao modelo 3D.
"Precisamos de requisitos de qualidade definidos em conjunto para poder combinar as melhores ferramentas disponíveis em uma cadeia de ferramentas confiável."
Marcel Langer, Product Owner de Simulação e Testes na Cariad
Além disso, a garantia de qualidade e o uso dos dados em vários ambientes de simulação sem grandes modificações também são elementos-chave. "Verificamos semanticamente os dados quanto à dirigibilidade, importabilidade e conformidade com o padrão", enfatiza Rupp. Por exemplo, saltos na geometria da estrada que podem ocorrer devido a erros de medição devem ser identificados automaticamente.
Além dos testes de dirigibilidade nos respectivos ambientes de simulação, é utilizado uma ferramenta de verificação de qualidade da Cariad. Esta ferramenta verifica se um arquivo Asam OpenDRIVE® está em conformidade com o padrão e pode ser usado sem limitações no ambiente de simulação desejado.
Marcel Langer, proprietário de produto para simulação e testes da Cariad
Junto com a Cariad e a Asam, a Porsche Engineering lançou uma iniciativa que visa possibilitar a interoperabilidade de padrões e a capacidade de avaliar sua qualidade. No projeto resultante Asam Quality Checker, um framework de revisão será desenvolvido em 2024 juntamente com outros parceiros de projeto, como uma base importante para melhorar a interoperabilidade de padrões. "Soluções escaláveis de simulação só podem existir com padrões que sejam interpretados e implementados de forma uniforme", enfatizam Marius Dupuis, CEO da Asam, e CTO Ben Engel. "Sem padrões, o mundo é indescritível." Esta avaliação é confirmada pelos usuários: "Além dos padrões, precisamos de requisitos de qualidade definidos em conjunto para poder combinar as melhores ferramentas disponíveis e desenvolver ou configurar uma cadeia de ferramentas confiável", diz Marcel Langer, Product Owner Simulation and Testing na Cariad.
Quando se trata de adaptar o modelo ao ambiente de simulação, a Porsche Engineering pode utilizar suas fortalezas.
"Nós conhecemos os requisitos das simulações em detalhes porque os desenvolvemos internamente e os utilizamos com sucesso em projetos de clientes", como Rupp destaca. Um exemplo são os sistemas hardware-in-the-loop (HiL), que permitem testar a função de uma unidade de controle real em um veículo virtual com o ambiente correspondente e o tráfego circundante. Isso reduz a necessidade de testes reais. A Porsche Engineering emprega um grande número desses sistemas HiL.
Avançando com Clima e Inteligência Artificial.
À medida que avançamos em direção à condução altamente automatizada, as pistas de teste virtuais precisarão se tornar mais extensas e detalhadas no futuro. "Ainda há muito potencial", diz Watzl. Aqui está um exemplo: No momento, é sempre verão no mundo virtual — as estradas estão limpas e secas. "No futuro, poderia ser introduzida uma variante de inverno, com montes de neve ao lado da estrada que cobrem as marcações de faixa", diz Watzl. É importante que não apenas montes de neve, mas também, por exemplo, montes de folhas ou poças sejam visualmente exibidos. Além disso, suas propriedades físicas também devem ser reproduzidas corretamente.
Afinal, há uma diferença crucial entre a detecção ótica e física dos sensores — e, portanto, também uma diferença na forma como os sistemas de assistência ao motorista reagirá. Para aumentar ainda mais o nível de detalhe, a Porsche Engineering planeja aplicar sua expertise interna em inteligência artificial. "A inteligência artificial pode analisar automaticamente imagens de satélite e fornecer informações sobre a paisagem ou edifícios", diz Rupp como exemplo. Além disso, a tecnologia pode ser usada para extrair automaticamente elementos como sinais de trânsito de gravações de vídeo. Isso poderia acelerar significativamente a adaptação de um modelo de rota para outro país.
Do real para o realístico.
Dois componentes da geração de cenários: A geração de cenários é uma representação de um cenário que geralmente existe na realidade (vista aérea à esquerda). Ela consiste em dois componentes que se correspondem em termos de geometria e conteúdo: primeiro, uma descrição lógico-matemática da rede viária e dos objetos (à direita) e um modelo 3D da área dirigível e dos arredores (no centro). A geração de cenários é um componente essencial para validação virtual e testes de suporte ao desenvolvimento em bancadas de teste sintéticas e híbridas (SiL, HiL, ViL).
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