Tornando a direção autônoma acessível a todos com o Unity: Simulador de código aberto AWSIM da TIER IV

A TIER IV está trabalhando para tornar a direção autônoma acessível a todos, abrindo o desenvolvimento para melhorar a acessibilidade e a escalabilidade. Para apoiar a visão, a empresa desenvolveu o AWSIM, um simulador de código aberto criado com o Unity que ajuda as equipes a testar, validar e otimizar o Autoware — um software de código aberto para direção autônoma — em um ambiente mais realista e eficiente.

Nesta entrevista, Takatoki Makino, líder de desenvolvimento do AWSIM, explica por que a TIER IV escolheu o Unity, como a equipe criou um simulador voltado para a direção autônoma e como o AWSIM está ajudando a expandir o ecossistema Autoware, ao mesmo tempo em que reduz a dependência de testes caros no mundo real.

Pontos principais

• A TIER IV desenvolveu o AWSIM, um simulador de direção autônoma de código aberto criado com o Unity para oferecer um ambiente de simulação realista e compatível com o Autoware para testes e validação.
• O Unity possibilitou um desenvolvimento mais rápido, simulações de direção autônoma de alto desempenho e flexibilidade nos fluxos de trabalho baseados em Linux e centrados no Ubuntu utilizados pelas equipes da Autoware.
• O AWSIM diminui as barreiras à adoção da simulação, amplia o ecossistema da Autoware e reduz a dependência de testes físicos com veículos, que são caros e apresentam riscos.

As limitações das metodologias tradicionais

O desenvolvimento de software para direção autônoma requer ambientes de simulação capazes de validar com precisão o comportamento, o desempenho dos sensores e as interações do sistema em grande escala antes dos testes em estrada. Os testes em condições reais com veículos e em pistas especializadas são caros, demorados e envolvem riscos inerentes à segurança.

Mas quando a TIER IV avaliou os simuladores existentes em 2020, constatou que eles não haviam sido projetados para atender às necessidades de softwares de direção autônoma como o Autoware. Muitos dependiam de protocolos proprietários em vez de uma comunicação compatível com o ROS2, o que dificultava uma integração realista e aumentava o esforço necessário para alternar entre os ambientes de simulação e os de veículos reais.

As limitações técnicas geraram atritos adicionais. Alguns simuladores processavam os dados do LiDAR na CPU, o que reduzia a velocidade e a precisão, enquanto outros não possuíam recursos essenciais para os fluxos de trabalho de direção autônoma, incluindo o reconhecimento confiável de semáforos em cruzamentos complexos. Como resultado, a TIER IV não conseguiu encontrar nenhum simulador que oferecesse suporte a um processo completo de simulação Autoware, do início ao fim.

AWSIM como ambiente de referência

Em vez de juntar várias ferramentas incompletas, a TIER IV optou por desenvolver seu próprio simulador: AWSIM. O AWSIM é um simulador de direção autônoma de código aberto desenvolvido com o Unity e concebido como um ambiente de referência para o Autoware. Desenvolvido com o Unity, ele se integra perfeitamente ao Autoware e oferece suporte a um modelo de desenvolvimento mais aberto para o ecossistema mais amplo da direção autônoma.

A adoção do código aberto foi uma escolha estratégica. Ao tornar o AWSIM transparente e acessível, a TIER IV criou um ambiente no qual empresas, pesquisadores e desenvolvedores podem participar, contribuir e desenvolver com mais facilidade a partir de uma implementação de referência compartilhada.

O AWSIM também reduz a curva de aprendizado para as equipes que adotam o Autoware. As simulações de demonstração pré-integradas facilitam a conexão do simulador e o início da execução de fluxos de trabalho completos, sem o trabalho pesado de configuração normalmente necessário para ajustar sensores, mapas e cenários. Dessa forma, o AWSIM serve não apenas como um simulador, mas também como uma referência prática sobre como se pode construir ambientes de simulação compatíveis com o Autoware.

O Sr. Makino afirmou: “Daqui para frente, a AWSIM traçará um roteiro que servirá de referência para empresas e universidades envolvidas com direção autônoma que desejam desenvolver simuladores destinados à integração com o Autoware.” Espero que isso dê origem a diversas colaborações no futuro.”

Cinco motivos pelos quais o Unity foi escolhido como ferramenta de desenvolvimento

Para desenvolver o AWSIM, a TIER IV precisava de uma plataforma de desenvolvimento capaz de suportar simulações de alta fidelidade, fluxos de trabalho complexos com sensores, integrações externas e iterações rápidas, desde a fase de protótipo até a produção. Após avaliar as opções, a equipe escolheu o Unity por cinco motivos principais:

1. Desenvolvimento e prototipagem mais rápidos

Os recursos integrados de física, renderização e gerenciamento de cenas do Unity ajudaram a TIER IV a se concentrar mais na implementação e menos na configuração básica. Segundo o Sr. Makino, o ambiente baseado em C# da Unity também facilitou iterações mais rápidas de P&D em experimentos com sensores e comportamento de veículos.

2. Um equilíbrio sólido entre recursos básicos e avançados

A TIER IV valorizou a combinação de ferramentas fundamentais maduras e a capacidade de extensão do Unity, incluindo tecnologias como a pilha de tecnologia orientada a dados (DOTS) e o SRP, que possibilitaram otimizações e personalizações mais avançadas.

3. Desempenho e flexibilidade em grande escala

A simulação de direção autônoma exige muito da renderização e do processamento de objetos. Unity proporcionou à equipe flexibilidade para otimizar a qualidade ou o desempenho e gerenciar com eficiência um grande número de objetos em movimento, como veículos e participantes do tráfego.

4. Um vasto ecossistema e um amplo leque de talentos

A ampla base de usuários do Unity, sua documentação, os recursos de suporte e sua adoção em áreas além dos jogos facilitaram para a TIER IV o acesso a conhecimento, a resolução de problemas e a contratação de profissionais com experiência no Unity.

5. Suporte multiplataforma para desenvolvimento aberto

Como o AWSIM é de código aberto, a acessibilidade é importante. O suporte do Unity ao Linux tornou-o uma excelente opção para o ambiente de desenvolvimento baseado no Ubuntu utilizado pelo Autoware e pelo AWSIM, incluindo pipelines de integração contínua e fluxos de trabalho em contêineres.

Os desafios dos simuladores de código aberto e de direção autônoma

A criação de um simulador de código aberto para direção autônoma trouxe um conjunto específico de desafios técnicos e operacionais para a TIER IV e para a comunidade Autoware em geral. Como o AWSIM estaria disponível ao público, a TIER IV teve que trabalhar dentro das restrições impostas por bibliotecas compatíveis com código aberto e recursos externos.

Para resolver essa questão, a TIER IV colaborou com a Robotec.ai, membro do grupo industrial Autoware Foundation, para desenvolver e utilizar bibliotecas como a ros2-for-unity e a Robotec-GPU-Lidar. Isso contribuiu para possibilitar o suporte nativo ao ROS2 no Unity e a simulação de LiDAR baseada em ray tracing usando o NVIDIA OptiX, transferindo o processamento do LiDAR da CPU para a GPU.

A equipe também teve que resolver requisitos de desenvolvimento específicos do Ubuntu. Como o Autoware roda no Ubuntu, o AWSIM precisava fazer o mesmo, mesmo quando o suporte a dispositivos externos era limitado ou não estava documentado. Em casos como os controladores de volante que não tinham suporte nativo no Ubuntu, a TIER IV desenvolveu drivers personalizados para preencher essa lacuna e manter a consistência das configurações de simulação Hardware-in-the-Loop (HILS).

Soluções para os principais desafios

Renderização com múltiplas câmeras

A simulação de direção autônoma impõe exigências de desempenho que vão além das aplicações 3D interativas comuns, pois cada quadro deve alimentar vários sensores de alta resolução em tempo real. Em alguns cenários do AWSIM, o TIER IV precisava operar oito ou mais câmeras simultaneamente, mantendo a precisão dos sensores — um requisito que tornava as técnicas de otimização padrão insuficientes por si só, sem um ajuste personalizado.

Usando Unity, a equipe desenvolveu um conjunto de otimizações específicas para lidar com essa carga. Entre elas estavam a renderização escalonada entre câmeras para reduzir picos, controles de escala temporal para alocar mais recursos por quadro, otimização de recursos e flexibilidade do pipeline de renderização dentro de um único projeto para equilibrar precisão e taxa de quadros.

Simulação com hardware em loop

A TIER IV também utilizou ferramentas como o sistema de tarefas do Unity e o PhysX para melhorar o desempenho em tempo real na simulação de veículos, tráfego e pedestres. Para dar suporte à simulação hardware-in-the-loop, a equipe foi além, analisando pacotes brutos de sensores e reproduzindo resultados equivalentes no Unity, de modo a poder testar com ECUs e configurações de sensores de câmera no circuito antes da implantação em veículos de teste.

Desenvolvimento de funções utilizando bibliotecas

A TIER IV ampliou ainda mais o Unity por meio de bibliotecas personalizadas e desenvolvidas em parceria. A equipe desenvolveu uma funcionalidade de LiDAR com ray tracing utilizando o NVIDIA OptiX, integrou-a ao Unity como um plug-in nativo e a utilizou para gerar mapas de nuvem de pontos para os fluxos de trabalho de autoposicionamento do Autoware. Eles também utilizaram o VFX Graph para simular efeitos climáticos, como chuva e neve, incluindo o ruído visual que essas condições introduzem nos dados da câmera e do LiDAR.

Com a biblioteca ros2-for-unity, a TIER IV conseguiu trabalhar de forma mais direta com o DDS e as configurações relacionadas ao ROS2 dentro do Unity, ajudando a unificar a gestão do tempo em toda a pilha de simulação e a reproduzir padrões de comunicação de baixa latência mais próximos daqueles utilizados em veículos reais nas estradas.

Os desenvolvimentos do AWSIM contribuem para melhorias no Autoware

O AWSIM agregou valor tanto ao ecossistema externo da Autoware quanto aos fluxos de trabalho internos de desenvolvimento da TIER IV. Antes do seu lançamento, a realização de simulações exigia um profundo conhecimento tanto do Autoware quanto do próprio simulador, o que criava uma grande barreira à entrada de novos participantes. O AWSIM reduziu essa barreira, facilitando aos desenvolvedores o início e a execução de simulações por meio de tutoriais e fluxos de trabalho pré-integrados que mostram pipelines completos do Autoware.

Essa acessibilidade contribuiu para ampliar a adoção. O AWSIM também tem sido utilizado nas eliminatórias do AI Challenge, organizado pela Sociedade de Engenheiros Automotivos do Japão, apresentando o ecossistema Autoware a centenas de participantes todos os anos e ajudando a acelerar o crescimento da comunidade em torno da direção autônoma de código aberto.

Internamente, o AWSIM aumentou a eficiência do desenvolvimento ao permitir uma avaliação completa antes dos lançamentos do Autoware e ao reduzir a dependência de veículos físicos para a validação inicial e a depuração, especialmente no caso de funções baseadas em câmeras, como manutenção de faixa e reconhecimento de semáforos.

O impacto do AWSIM vai além da eficiência nos testes internos, estendendo-se à validação mais ampla do setor. Em 2025, o projeto foi declarado vencedor do Prêmio de Inovação do Setor na 17ª edição do Unity Awards, reforçando o sucesso da TIER IV em impulsionar o setor de veículos autônomos por meio de simulações acessíveis e de código aberto.

O futuro do AWSIM

Olhando para o futuro, a TIER IV planeja continuar promovendo o AWSIM como referência em simuladores de Digital Twins para projetos da Autoware. Um dos principais objetivos é utilizar reproduções altamente precisas de locais de testes de prova de conceito para gerar dezenas de milhares de quilômetros de dados de condução, permitindo uma avaliação em maior escala sem depender exclusivamente de testes com veículos reais.

Para o TIER IV, isso significa mais do que apenas melhorar a qualidade da simulação. Isso contribui para uma visão mais ampla: fortalecer a confiabilidade da Autoware, ampliar sua comunidade global e aproximar-se de um ecossistema aberto de direção autônoma com alcance mundial para desenvolvedores, pesquisadores e parceiros do setor.