自動駕駛汽車自動緊急避撞測試與評價方法研究*

田思波，何鋆，郭潤清，樊曉旭，童寶鋒

自動駕駛汽車自動緊急避撞測試與評價方法研究*

田思波，何鋆，郭潤清，樊曉旭，童寶鋒

（上海淞泓智能汽車科技有限公司，上海 201804）

自動駕駛汽車的測試與評價方法對于自動駕駛汽車的快速發(fā)展具有重要作用。安全是自動駕駛汽車發(fā)展的首要前提，自動緊急避撞是保障自動駕駛汽車行駛安全的重要功能。文章首先分析了自動緊急避撞功能的典型測試場景；其次，基于典型測試場景，研究了自動緊急避撞功能的測試與評價方法；最后，根據(jù)提出的測試與評價方法對自動駕駛汽車自動緊急避撞功能進(jìn)行了實(shí)際的案例分析。

自動駕駛汽車；自動緊急避撞；封閉道路；測試與評價

引言

近年來，中國智能網(wǎng)聯(lián)汽車在國家產(chǎn)業(yè)政策和新技術(shù)的推動下迅速發(fā)展。自動駕駛汽車的進(jìn)步不僅需要感知定位、決策規(guī)劃和控制執(zhí)行技術(shù)的不斷發(fā)展，還需要科學(xué)完整的測試驗(yàn)證和評價體系的支撐[1]。自動駕駛汽車的測試驗(yàn)證和評價方法主要分為三類：仿真模擬測試、封閉道路測試和公開測試道路。

安全是自動駕駛汽車技術(shù)發(fā)展的首要前提。目前中國多個城市開放了自動駕駛汽車公開道路測試。在封閉測試道路對自動駕駛汽車的基本功能按照一定的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試是保證自動駕駛汽車公開道路測試安全的必要條件。自動駕駛汽車自動緊急避撞功能是指在前方突然出現(xiàn)緊急制動、靜止或者低速行駛的車輛時能夠通過合理制動或者避讓從而避免與前方車輛發(fā)生碰撞。自動緊急避撞是保證自動駕駛汽車行駛安全的最基本的功能要求。

為了對自動駕駛汽車自動緊急避撞性能進(jìn)行合理的評價，本文首先研究了自動緊急避撞功能的典型基礎(chǔ)測試場景，在此基礎(chǔ)上對自動緊急避撞功能的測試和評價方法進(jìn)行了分析，最后運(yùn)用提出的測試和評價方法進(jìn)行了實(shí)際測試案例分析。本人的研究對象是自動駕駛乘用車，下文不再特殊說明。

1 自動緊急避撞功能測試場景分析

自動駕駛汽車自動緊急避撞功能主要是通過毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)和攝像頭等感知傳感器信息融合技術(shù)，對可能與前方車輛發(fā)生碰撞危險的駕駛場景進(jìn)行相應(yīng)的決策和執(zhí)行控制，從而通過合理制動或避讓來避免發(fā)生碰撞事故。

1.1 自動駕駛測試場景框架

要進(jìn)行科學(xué)合理的自動駕駛汽車測試與評價，首先要建立合理的自動駕駛測試場景。自動駕駛測試場景主要包含以下四個方面（如圖1所示）：1）戰(zhàn)術(shù)操縱行為是指相應(yīng)測試場景下需要執(zhí)行的駕駛?cè)蝿?wù)；2）設(shè)計運(yùn)行域（Operational Design Domain，ODD）是指自動駕駛系統(tǒng)功能定義的測試運(yùn)行范圍；3）事件探測及響應(yīng)是指相應(yīng)測試場景下自動駕駛系統(tǒng)需要探測的物體或者事件以及應(yīng)做出的響應(yīng)；4）失效模式是指相應(yīng)測試場景下自動駕駛系統(tǒng)測試失敗的可能表現(xiàn)形式。

圖1 自動駕駛測試場景框架

1.2 自動緊急避撞功能測試場景

本文研究的自動駕駛汽車自動緊急避撞功能，其要實(shí)現(xiàn)的是通過對前方車輛的探測，在行駛過程中避免緊急情況下與前車發(fā)生碰撞的駕駛?cè)蝿?wù)。

根據(jù)自動駕駛測試場景框架，可以搭建自動駕駛汽車自動緊急避撞功能的典型邏輯測試場景。邏輯測試場景的設(shè)計思路主要是基于目標(biāo)車輛的不同駕駛行為可能導(dǎo)致的危險等級，共設(shè)計了三個典型邏輯測試場景，滿足目前自動駕駛技術(shù)發(fā)展階段的驗(yàn)證需求。

1.2.1前方有靜止車輛

自車在沿直線車道勻速行駛時，遇到前方靜止目標(biāo)車輛（如圖2所示），自車應(yīng)能夠緊急制動從而避免與前方靜止目標(biāo)車輛發(fā)生碰撞。

圖2 自車勻速行駛，前方目標(biāo)車靜止

該測試場景對應(yīng)的邏輯參數(shù)如表1所示，其中，重疊率是指目標(biāo)車輛橫向偏移的車身位置相對于自車車寬的比率，目標(biāo)車輛和自車的中軸線重合時，重疊率定義為100%，下同。

表1 測試場景邏輯參數(shù)

1.2.2前方有勻速制動車輛

自車跟隨目標(biāo)車輛在直線車道勻速行駛，當(dāng)前方目標(biāo)車輛以恒定減速度緊急制動停車（如圖3所示），自車應(yīng)能夠檢測到前車的緊急制動行為并通過緊急制動避免發(fā)生碰撞危險。

圖3 自車勻速行駛，前方目標(biāo)車勻速制動

該測試場景對應(yīng)的邏輯參數(shù)如表2所示，其中，車頭時距（Time to Headway，THW）是用時間表示在同一路徑上行駛的兩車之間的距離，通過兩車之間的縱向距離除以自車速度計算，下同。

表2 測試場景邏輯參數(shù)

1.2.3跟車行駛，前方車輛遇到靜止車輛后切出

自車跟隨目標(biāo)車1沿直線車道勻速行駛，當(dāng)目標(biāo)車1遇到前方靜止目標(biāo)車2后突然切出本車道至相鄰車道（如圖4所示），在目標(biāo)車1切出本車道后，自車應(yīng)能夠檢測到前方靜止目標(biāo)車2，并通過緊急制動避免發(fā)生碰撞危險。

圖4 自車跟隨目標(biāo)車1行駛，目標(biāo)車1遇到目標(biāo)車2后切出

表3 測試場景邏輯參數(shù)

該測試場景對應(yīng)的邏輯參數(shù)如表3所示，其中，目標(biāo)車1切出時THW是指目標(biāo)車1切出時和目標(biāo)車2的車頭時距。

2 自動緊急避撞功能測試與評價方法

2.1 封閉道路測試與評價方法分析

目前自動駕駛汽車的測試與評價的方法主要分為三大類（如圖5所示）：（1）建模與仿真測試；（2）封閉道路測試；（3）公開道路測試。基于當(dāng)前自動駕駛技術(shù)發(fā)展階段，封閉道路測試在自動駕駛測試與評價體系中占有重要地位。

圖5 自動駕駛測試與評價體系

相對于建模與仿真測試和公開道路測試，封閉道路測試的主要優(yōu)勢如下：

（1）可控性高：可以靈活設(shè)置不同的測試變量，包括運(yùn)行環(huán)境與障礙物，以滿足不同自動駕駛功能的驗(yàn)證需求。

（2）保真度高：場地測試所涉及的環(huán)境條件、障礙物目標(biāo)、系統(tǒng)功能等與真實(shí)情況關(guān)聯(lián)性高，能夠切實(shí)反映車輛在實(shí)際交通場景下的行為表現(xiàn)。

（3）可復(fù)制性強(qiáng)：可以在不同的測試場地執(zhí)行同樣的試驗(yàn)。

（4）可重復(fù)性高：可以采用完全相同的試驗(yàn)條件與設(shè)置，進(jìn)行多次試驗(yàn)。

2.2 自動緊急避撞基本性能要求

當(dāng)前階段，自動駕駛汽車的自動緊急避撞功能應(yīng)滿足以下兩點(diǎn)基本性能要求：

（1）測試車輛應(yīng)能夠及時探測到與前方車輛發(fā)生碰撞的危險緊急狀況，并應(yīng)能夠通過緊急制動避免發(fā)生碰撞事故。

（2）測試車輛在緊急制動時應(yīng)能夠開啟制動燈，并不發(fā)生側(cè)滑等危險動作。

2.3 自動緊急避撞測試與評價方法

前文1.2節(jié)中提出了自動駕駛汽車自動緊急避撞功能的測試場景，而每個測試場景都需要相應(yīng)的測試與評價指標(biāo)。下面將闡述如何對相應(yīng)測試場景的測試結(jié)果進(jìn)行評價。

本文對自動駕駛汽車自動緊急避撞功能提出了兩個評價指標(biāo)：通過評價指標(biāo)和性能評價指標(biāo)。

2.3.1通過評價指標(biāo)

通過評價指標(biāo)是指自動駕駛測試車輛通過自動緊急避撞功能具體測試場景測試需要滿足的最低要求，通過評價指標(biāo)一般為定性評價指標(biāo)。

對于本文提出的自動緊急避撞功能的三個邏輯測試場景，對應(yīng)的通過評價指標(biāo)是一致的，即自動駕駛測試車輛應(yīng)能夠通過緊急制動避免與前方車輛發(fā)生碰撞。

2.3.2性能評價指標(biāo)

性能評價指標(biāo)是指通過具體參數(shù)指標(biāo)對自動駕駛汽車自動緊急避撞功能進(jìn)行評價，包括動力學(xué)性能，舒適性等。

本文采用的自動緊急避撞功能的性能評價參數(shù)如表4所示，其中，加速度（a）是指測試車輛探測到危險車輛后進(jìn)行緊急制動的減速度；開始制動相對距離（d）是指測試車輛探測到危險車輛后開始采取制動措施時與目標(biāo)車的相對縱向距離；制動停車相對距離（d）是指測試車輛探測到危險車輛后采取相應(yīng)制動措施停車后與目標(biāo)車的相對縱向距離。性能評價參數(shù)是通過專用測試設(shè)備在相應(yīng)測試過程中采集得到。

表4 自動緊急避撞功能性能評價參數(shù)表

采用通過評價指標(biāo)和性能評價指標(biāo)兩個指標(biāo)可以對自動駕駛汽車自動緊急制避撞功能進(jìn)行較為全面客觀的測試與評價。

3 自動緊急避撞功能測試案例分析

本文以某款自動駕駛乘用車作為測試對象，對自動緊急避撞功能進(jìn)行具體的測試案例分析

3.1 測試環(huán)境及設(shè)備要求

3.1.1測試環(huán)境條件

測試場地為干燥、平坦的直線道路進(jìn)行，測試時間為白天，測試天氣晴朗，滿足測試所需要的通信環(huán)境。

3.1.2測試設(shè)備及精度要求

測試設(shè)備：RT 3000、ABD機(jī)器人、靜止氣球車、移動軟目標(biāo)車（GST）等。

測試精度要求：a）速度精度：±1km/h，b）加速度精度：± 0.5m/s2，c）距離精度：± 0.1m。

3.2 測試實(shí)施流程

本文研究的某自動駕駛乘用車采用的具體測試案例，是從1.2節(jié)中的三個邏輯測試場景中分別選擇了一個具體測試場景，具體測試執(zhí)行參數(shù)見表5。

表5 測試場景執(zhí)行參數(shù)

下面以前方有靜止車輛測試場景為例，對自動駕駛汽車自動緊急避撞功能的測試流程進(jìn)行一個說明。試驗(yàn)執(zhí)行階段的車輛操作主要分為兩個部分（如圖6所示）：一是狀態(tài)調(diào)整階段，使測試車輛和目標(biāo)車輛達(dá)到試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)車速；二是性能評估階段，評估自動緊急避撞功能的性能表現(xiàn)。整個測試過程需要采集測試車輛的速度、加速度和相對距離等參數(shù)，每個測試場景重復(fù)測試30次，實(shí)際測試過程圖示如圖7所示。

圖7 前方遇到靜止車輛測試過程圖示

3.3 測試結(jié)果分析

下面對該自動駕駛車輛的三個具體測試場景的測試結(jié)果進(jìn)行分析，主要針對2.3.2節(jié)中提到的性能評價指標(biāo)。

3.3.1前方有靜止車輛測試結(jié)果分析

圖8 測試車輛和靜止目標(biāo)車的相對距離曲線

圖9 測試車輛的制動加速度曲線

在此測試場景下，該自動駕駛車輛感知到前方靜止目標(biāo)車后開始采取制動動作，直到減速至停車。試驗(yàn)重復(fù)30次，開始制動時和制動停車后與靜止目標(biāo)車的相對縱向距離統(tǒng)計曲線如圖8所示。從圖8可以看出，測試車輛開始制動時的相對距離在42m左右波動，標(biāo)準(zhǔn)差為2.44，而制動停車后的相對距離在4.7m左右波動，標(biāo)準(zhǔn)差為0.23，根據(jù)相對距離曲線的波動程度可以分析出，測試車輛感知和決策系統(tǒng)對于靜止目標(biāo)車的距離檢測和制動決策相對穩(wěn)定，系統(tǒng)可靠性較高。圖9為測試車輛的制動加速度曲線，從加速度曲線可以看出，測試車輛開始制動時采取的初始加速度相對較大，且加速度變化率很大，影響乘坐舒適性。

3.3.2前方有勻速制動車輛測試結(jié)果分析

在此測試場景下，該自動駕駛車輛感知到前方目標(biāo)車制動操作后開始采取制動動作，直到減速至停車。試驗(yàn)重復(fù)30次，開始制動時和制動停車后與前方目標(biāo)車的相對縱向距離統(tǒng)計曲線如圖10所示。從圖10可以看出，測試車輛開始制動時的相對距離在40m左右波動，標(biāo)準(zhǔn)差為5.07，而制動停車后的相對距離在3.9m左右波動，標(biāo)準(zhǔn)差為1.73，根據(jù)相對距離曲線的波動程度可以分析出，測試車輛感知和決策系統(tǒng)對于前方勻速制動車輛的意圖檢測和制動決策穩(wěn)定性相對較差，需要進(jìn)一步提高對運(yùn)動車輛意圖檢測的能力。圖11為測試車輛的制動加速度曲線，從加速度曲線可以看出，測試車輛開始制動時采取的初始加速度相對較大，最大加速度達(dá)到-5.8 m/s2，而前車的制動加速度為-4m/s2，分析主要原因有：1）對于前方運(yùn)動車輛的制動意圖響應(yīng)相對較慢，使測試車輛有效制動距離減少；2）采用的安全決策算法相對較保守。

圖10 測試車輛和目標(biāo)車的相對距離曲線

圖11 測試車輛的制動加速度曲線

3.3.3前方車輛遇到靜止車輛后切出測試結(jié)果分析

在此測試場景下，跟隨的目標(biāo)車輛切出到相鄰車道后，該自動駕駛車輛感知到前方的靜止目標(biāo)車后開始采取制動動作，直到減速至停車。試驗(yàn)重復(fù)30次，開始制動時和制動停車后與前方靜止目標(biāo)車的相對縱向距離統(tǒng)計曲線如圖12所示。從圖12可以看出，測試車輛開始制動時的相對距離在46m左右波動，標(biāo)準(zhǔn)差為15.9，而制動停車后的相對距離在4m左右波動，標(biāo)準(zhǔn)差為0.69，根據(jù)測試車輛開始制動時相對距離曲線的波動程度可以分析出，在該復(fù)雜測試場景下，測試車輛感知和決策系統(tǒng)對于前方突然出現(xiàn)的靜止目標(biāo)車的意圖檢測和制動決策穩(wěn)定性相對較差，從感知到靜止目標(biāo)車到采取制動措施的每次測試的相對距離變化較大，但是從制動停車后的相對距離波動可以看出，該測試車輛對控制目標(biāo)的執(zhí)行結(jié)果是相對較好。圖13為測試車輛的制動加速度曲線，從加速度曲線可以看出，測試車輛的制動加速度從開始制動到減速停車的波動相對較大，結(jié)合實(shí)際的乘坐主觀評價，可以判斷該測試車輛對突然出現(xiàn)的靜止車輛從決策上較為猶豫。

圖12 測試車輛和靜止目標(biāo)車的相對距離曲線

圖13 測試車輛的制動加速度曲線

3.3.4測試結(jié)果綜合評價

根據(jù)測試車輛在三個具體測試場景中的結(jié)果表現(xiàn)來看，測試車輛均能夠滿足自動緊急避撞功能測試場景的通過評價指標(biāo)，成功完成了相應(yīng)的自動駕駛?cè)蝿?wù)。但是從性能評價指標(biāo)的角度來看，測試車輛針對不同測試場景的表現(xiàn)差別較大，針對簡單場景的表現(xiàn)相對穩(wěn)定，針對復(fù)雜場景的感知和決策能力有待進(jìn)一步的提升，同時，整體來看乘坐舒適性較差。其性能表現(xiàn)符合當(dāng)然自動駕駛汽車的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。

4 結(jié)論

自動駕駛汽車自動緊急避撞功能能夠避免自動駕駛汽車在緊急情況下發(fā)生碰撞事故，對于保障自動駕駛的安全具有重要作用。本文建立了自動緊急避撞功能的典型測試場景；基于典型測試場景，提出了自動緊急避撞功能的測試與評價方法，包括兩個關(guān)鍵指標(biāo)：通過評價指標(biāo)和性能評價指標(biāo)；基于提出的測試與評價方法對某自動駕駛汽車自動緊急避撞功能進(jìn)行了實(shí)際的案例分析。本文提出的測試與評價方法對于自動駕駛汽車的測試與評價具有指導(dǎo)和借鑒意義。

[1] 李克強(qiáng),戴一凡,李升波,等.智能網(wǎng)聯(lián)汽車( ICV ) 技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報, 2017, 8(1): 1-14.

[2] 范志翔,孫巍,潘漢中,等.自動駕駛汽車測試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與思考[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化, 2017(10): 47-48.

[3] 劉建平,鄭望曉,鄭陽.AEB系統(tǒng)性能與碰撞時間關(guān)聯(lián)性研究[J]. 汽車技術(shù),2018(8): 51-53.

[4] Menzel T, Bagschik G , Maurer M . Scenarios for Development, Test and Validation of Automated Vehicles[C]//IEEE Intelligent Vehicles Symposium. Changsu, China: IEEE, 2018.

[5] J3016. Taxonomy and Definitions for Terms Related to On-Road Motor Vehicle Automated Driving Systems[S]. Society of Automo -tive Engineers (SAE), 2016.

Test and Evaluation Method Research on Automatic Emergency CollisionAvoidance of Autonomous Vehicles*

Tian Sibo, He Yi, Guo Runqing, Hu Xiaoxu, Tong Baofeng

（Shanghai SH Intelligent Automotive Technology Co., Ltd., Shanghai 201804 )

The test and evaluation methods of autonomous vehicle play an important role in the rapid development of autonomous vehicle. Safety is the first prerequisite for the development of autonomous vehicle, automatic emergency collision avoidance is an important function to ensure the safety of autonomous vehicle. Firstly, the typical test scenarios of automatic emergency collision avoidance function are analyzed. Secondly, the test and evaluation methods of automatic emergency collision avoidance function are studied based on the typical test scenarios. Finally, an actual case analysis on the automatic emergency collision avoidance function of autonomous vehicle is carried out according to the proposed test and evaluation methods.

Autonomous vehicle; Automatic emergency collision avoidance; Closed track; Test and evaluation

U471.15

A

1671-7988(2019)14-42-05

U471.15

A

1671-7988(2019)14-42-05

田思波，碩士研究生，就職于上海淞泓智能汽車科技有限公司，研究方向：智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試評價與標(biāo)準(zhǔn)研究。

基金項(xiàng)目：上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會人工智能創(chuàng)新發(fā)展專項(xiàng)資金（2018-RGZN-01015）資助。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.014