面對前車制動場景的自動駕駛汽車測試參數邊界研究

李鴻飛 張誠

摘要 為縮短封閉場地測試試驗周期，提高試驗效率，定義了封閉場地場景極限測試用例概念，以封閉場地中前車制動場景為例，構建前車制動場景下前后車運動學模型，設計極限場景計算得到前車最大減速度，以此為閾值生成前車制動場景下的極限測試用例，并通過仿真及封閉場地測試對其進行驗證。結果表明：按此方法生成的測試用例，能夠代表該場景下的測試參數邊界。

關鍵詞 參數邊界;前車制動;封閉場地測試;自動駕駛

中圖分類號 U463.6 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）03-0093-03

0 前言

目前各大汽車廠商都在研發或推出具備L2或L3級的量產自動駕駛汽車，但L2或L3級自動駕駛汽車或多或少存在一些問題，因感知、控制不足等原因引發了多次事故。因此自動駕駛汽車在完成量產上市前，需要對車輛自動駕駛能力進行相關的測試評價，測試評價自動駕駛車輛，可以通過仿真測試、封閉場地測試、開放道路測試等方式進行。

當前研究中，大多數自動駕駛測試場景研究都針對場景及用例的生成方法，周文帥、朱宇[1]等分析數據集中樣本運動參數，建立場景模型，采用蒙特卡洛法生成測試用例;修海林[2]等也使用蒙特卡洛法，生成自動駕駛組合場景及相關測試用例;夏瀾[3]等基于中國大型實車路試數據庫，針對危險工況進行研究，得到具有典型特征的危險場景。

根據上述研究生成的場景測試用例，數量極其龐大。而對于封閉場地測試，因場地和試驗車輛限制，對被測車輛的測試往往需要串行測試。在相同測試場景下，又包含了多個不同速度節點下的不同測試用例，因此在封閉場地中完成被測車輛的測試評價，需要大量的時間和人力成本。該文以自動駕駛汽車測試中常見的前車制動場景為例，通過確定該場景下的理論計算邊界，對現有測試場景的測試用例數量進行壓縮，達到縮短封閉場地測試試驗周期的目的。

該文重點對自動駕駛測試中前車制動場景的測試邊界參數進行研究：建立前車制動場景車輛運動模型，利用模型分析并計算得到極限避撞參數，最后通過試驗驗證邊界參數的合理性。

1 自動駕駛測試場景及用例

1.1 自動駕駛測試場景概念

自動駕駛產品在開發過程中有三個階段：概念階段、系統開發階段和測試階段。隨著產品階段的發展，產品的定義逐漸明確，產品的安全性指標的取值范圍越來越小，測試場景的抽象程度不斷降低。通過比較這三個階段的不同場景的抽象程度，將場景分為三個級別：功能場景、邏輯場景、具體場景。

功能場景是場景中最抽象的階段。在概念階段功能場景用來進行項目定義、危害分析和風險評估。功能場景是語義級別的操作場景，通過語言場景符號來描述實體和實體之間的關系。場景的表達形式應該是一致的，用來描述場景的詞匯應該是定義好的專用術語，可以來源于實際的標準和法規，場景的細節內容取決于實際的開發階段。

邏輯場景是基于狀態空間變量對功能場景的進一步描述。通過狀態空間描述兩個實體之間的關系，例如本車和前車。邏輯場景可以用于在項目開發階段生成需求。由于邏輯場景通過狀態空間來描述實體和實體之間的關系，因此需要對狀態空間的參數范圍進行確定，此時一般采用概率分布的方式，通過收集到的信息來確定狀態空間的參數范圍，不同參數之間的關系可以通過一定的公式或數值來確定。因此邏輯場景包括了能夠場景中能滿足解決問題需求的所有要素。

測試階段，為了生成測試用例的輸入數據，必須從邏輯場景中的連續參數范圍中選擇離散參數值，通過不同的測試方法（如模擬或場地測試），確定用于執行基于場景的測試用例所需的所有參數，形成具體場景。具體場景作為被測系統的一致輸入參數，用于驗證系統功能。

1.2 自動駕駛測試用例

在自動駕駛汽車測試中，場景是對真實交通環境中一類運行過程的抽象描述，測試用例是相應測試場景的可執行實例。一個完整的測試用例描述包含測試用例所屬測試場景描述和測試用例要素信息。

前車制動場景中，具體場景可以描述為：試驗車輛在與目標車輛保持相同速度勻速行駛狀態下，目標車輛在試驗車輛前方一定距離內以對應減速度進行制動，試驗車輛隨之減速避撞。

以試驗車輛及目標車輛初始速度、目標車輛制動減速度作為該場景下參數變量，不同初始速度與目標車輛不同減速度進行組合形成制動場景下的不同測試用例。

2 制動場景參數邊界研究

2.1 制動場景模型

2.1.1 制動場景邏輯模型

試驗車輛（后車）制動模型，采用ALKS法規熟練駕駛員性能模型模擬車輛制動過程。該模型下，試驗車輛在檢測到目標車輛進行制動后，試驗車輛從感知到制動避撞的過程可分為3個階段：

（1）風險評估階段：試驗車輛根據目標車輛減速度以及兩車相對距離變化判斷是否應該減速的階段，該階段試驗車輛保持勻速行駛狀態。

（2）決策延遲階段：試驗車輛完成評估并開始決策的階段，該階段下試驗車輛同樣保持勻速行駛狀態。

（3）減速階段：試驗車輛進行減速避撞階段。駕駛員會逐步釋放加速踏板，腳轉移到制動踏板（車輛近似保持勻速行駛狀態），并逐漸增大制動踏板行程直到最大（車輛開始減速）。

整個過程如圖1所示。

2.1.2 制動場景數學建模

（1）試驗車輛運動模型。

1）試驗車輛勻速行駛模型。根據制動場景邏輯模型，試驗車輛在目標車輛減速后，風險評估、決策延遲、減速制動前半部分，試驗車輛在該階段時間t1內運動狀態可以看作勻速行駛運動，則有試驗車輛勻速行駛距離D1為：

D1=v*t1 （1）

2）試驗車輛減速制動模型。根據制動場景邏輯模型，試驗車輛在減速制動制動踏板增大過程中，試驗車輛減速度會在一定時間t2內，逐步達到最大制動減速度，并在最大減速度下進行制動剎停。由于減速度增加時間極短，該文將此階段車輛運動當作以最大減速度減速制動的過程。因此可計算得到減速制動距離D2為：

D2= （2）

（2）目標車輛運動模型。前車制動場景中，目標車輛運動過程可以看作目標車輛由當前速度下按照目標減速度減速至剎停的過程。則有目標車輛運動距離D3：

D3= （3）

（3）跟車距離模型。目標車輛制動開始前，試驗車輛勻速跟車階段，試驗車輛與目標車輛之間跟車距離按照試驗車輛當前車速時矩THW=2 s的距離進行計算。則有跟車距離S：

S=v*THW （4）

2.2 極限測試用例計算

根據制動場景模型，以試驗車輛剛好避撞為條件，則可以得到等式：

D1+D2=S+D3 （5）

代入試驗車輛運動學參數，有：

v*t1+? = +v*THW （6）

其中，以勻速行駛階段下不同速度為變量，確定在不同速度下，目標車輛制動減速度的極限，作為制動場景下的極限測試用例。

2.3 測試場景測試用例生成

輸入速度范圍[0，120]，代入極限測試用例計算模型進行計算，得到速度-目標車輛極限減速度關系圖，如圖2所示。

其中，選取典型跟車速度參數，得到不同速度下目標車輛制動減速度的極限測試用例集，制動減速度沿曲線上下取整，測試用例集如表1所示。

3 試驗驗證及結果分析

3.1 仿真驗證試驗

3.1.1 試驗場景搭建

使用carmaker仿真軟件搭建前車制動場景，按表1中測試用例搭建相關仿真測試場景：Scenario/Road模塊中搭建一條2 000 m長的單向長直道;Traffic模塊按照測試用例設定前車制動相關參數及動作;Maneuver模塊設定試驗車輛初始速度以及駕駛員模型，使車輛按照預期跟車距離及制動反應時間進行避撞。

3.1.2 試驗結果

使用test manager模塊按照測試用例定義不同的穩定跟車速度、前車制動減速度以及不同速度下跟車距離，以是否碰撞為通過標準進行自動化測試。得到如圖3所示測試結果。

3.2 封閉場地驗證試驗

3.2.1 試驗場景搭建

考慮到仿真模擬過于理想，在封閉場地內進一步進行驗證：

根據極限測試用例集，設計相應的封閉場地試驗，測試在當前測試用例下駕駛員是否能夠避免與前車發生碰撞。

試驗場地選取一條雙車道且車道線清晰的長直道測試跑道進行。目標車輛采用可以精確控制制動減速度的GST軟目標臺車。試驗車輛裝配一套自動駕駛機器人，能夠與目標車輛進行同步并根據目標車輛運動狀態保持穩定跟車狀態。

試驗過程中，試驗車輛首先通過自動駕駛機器人精確控制車速及行進方向，保持與目標車輛的穩定跟車狀態，當測試車輛與目標臺車行進至試驗區域時，目標車輛按照測試用例中給定的制動減速度開始制動直至靜止狀態。

目標車開始制動時，駕駛員可通過按下駕駛機器人接管按鈕對試驗車輛進行接管，并完成減速制動以盡可能避免與目標車輛碰撞。其中，按下按鈕到踩制動踏板之前的階段，可以模擬模型中勻速行駛反應的階段。

3.2.2 試驗結果

依次按照測試用例表格中的測試用例進行測試，得到如表2所示結果。

3.3 試驗結論

通過使用駕駛員模型仿真及優秀駕駛員封閉場地測試的形式對前車制動場景極限用例進行驗證測試。根據試驗結果，在不同速度跟車距離時矩THW=2 s的場景下，仿真及封閉場地測試在前車制動減速度較小測試用例下均能夠避免碰撞;對于制動減速度相對較大的場景，仿真軟件全部發生碰撞，封閉場地在40 km/h、80 km/h測試用例下處于臨界碰撞狀態，其余速度的測試用例下均發生碰撞，吻合模型得到的速度-目標車輛極限減速度曲線。

因此，根據以上分析，選取較小減速度，得到自動駕駛封閉場地測試前車制動場景下的測試用例。

4 總結

該文針對封閉場地前車制動場景，使用數學建模的方法對場景進行構建，得到該場景下速度-前車最大制動減速度曲線及測試用例，通過仿真及封閉場地測試的形式對測試用例開展試驗，驗證了測試用例數值的合理性。相較常規測試用例生成方法，通過參數邊界篩選得到的前車制動測試用例集，數量更少且更具代表性，對簡化自動駕駛封閉場地測試周期有一定的積極意義。

參考文獻

[1]周文帥，朱宇，趙祥模，等.面向高速公路車輛切入場景的自動駕駛測試用例生成方法[J].汽車技術，2021（1）：11-18.

[2]修海林.有條件自動駕駛汽車測試與綜合評價研究[D].重慶：重慶大學，2019.

[3]夏瀾，朱西產，馬志雄.切入型危險工況下自動緊急制動系統的測試場景[C].Infats Proceedings of the 14th International Forum of Automotive Traffic Safety.China：湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，2018：184-197.