面對前車制動場景的自動駕駛汽車測試參數(shù)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(gòu)建前車制動場景下前后車運動學(xué)模型，設(shè)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(jìn)行驗證。結(jié)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(shù)邊界。

關(guān)鍵詞 參數(shù)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(xiàn)標(biāo)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(fā)或推出具備L2或L3級的量產(chǎn)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(fā)了多次事故。因此自動駕駛汽車在完成量產(chǎn)上市前，需要對車輛自動駕駛能力進(jìn)行相關(guān)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(jìn)行。

當(dāng)前研究中，大多數(shù)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(shù)據(jù)集中樣本運動參數(shù)，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(guān)測試用例;夏瀾[3]等基于中國大型實車路試數(shù)據(jù)庫，針對危險工況進(jìn)行研究，得到具有典型特征的危險場景。

根據(jù)上述研究生成的場景測試用例，數(shù)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(jié)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(xiàn)有測試場景的測試用例數(shù)量進(jìn)行壓縮，達(dá)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(shù)進(jìn)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(shù)，最后通過試驗驗證邊界參數(shù)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(chǎn)品在開發(fā)過程中有三個階段：概念階段、系統(tǒng)開發(fā)階段和測試階段。隨著產(chǎn)品階段的發(fā)展，產(chǎn)品的定義逐漸明確，產(chǎn)品的安全性指標(biāo)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(jìn)行項目定義、危害分析和風(fēng)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(guān)系。場景的表達(dá)形式應(yīng)該是一致的，用來描述場景的詞匯應(yīng)該是定義好的專用術(shù)語，可以來源于實際的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，場景的細(xì)節(jié)內(nèi)容取決于實際的開發(fā)階段。

邏輯場景是基于狀態(tài)空間變量對功能場景的進(jìn)一步描述。通過狀態(tài)空間描述兩個實體之間的關(guān)系，例如本車和前車。邏輯場景可以用于在項目開發(fā)階段生成需求。由于邏輯場景通過狀態(tài)空間來描述實體和實體之間的關(guān)系，因此需要對狀態(tài)空間的參數(shù)范圍進(jìn)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(tài)空間的參數(shù)范圍，不同參數(shù)之間的關(guān)系可以通過一定的公式或數(shù)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(shù)據(jù)，必須從邏輯場景中的連續(xù)參數(shù)范圍中選擇離散參數(shù)值，通過不同的測試方法（如模擬或場地測試），確定用于執(zhí)行基于場景的測試用例所需的所有參數(shù)，形成具體場景。具體場景作為被測系統(tǒng)的一致輸入?yún)?shù)，用于驗證系統(tǒng)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(huán)境中一類運行過程的抽象描述，測試用例是相應(yīng)測試場景的可執(zhí)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(biāo)車輛保持相同速度勻速行駛狀態(tài)下，目標(biāo)車輛在試驗車輛前方一定距離內(nèi)以對應(yīng)減速度進(jìn)行制動，試驗車輛隨之減速避撞。

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

2 制動場景參數(shù)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(guī)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(biāo)車輛進(jìn)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(fēng)險評估階段：試驗車輛根據(jù)目標(biāo)車輛減速度以及兩車相對距離變化判斷是否應(yīng)該減速的階段，該階段試驗車輛保持勻速行駛狀態(tài)。

（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(tài)。

（3）減速階段：試驗車輛進(jìn)行減速避撞階段。駕駛員會逐步釋放加速踏板，腳轉(zhuǎn)移到制動踏板（車輛近似保持勻速行駛狀態(tài)），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(shù)學(xué)建模

（1）試驗車輛運動模型。

1）試驗車輛勻速行駛模型。根據(jù)制動場景邏輯模型，試驗車輛在目標(biāo)車輛減速后，風(fēng)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(nèi)運動狀態(tài)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(jù)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(nèi)，逐步達(dá)到最大制動減速度，并在最大減速度下進(jìn)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(dāng)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(biāo)車輛運動模型。前車制動場景中，目標(biāo)車輛運動過程可以看作目標(biāo)車輛由當(dāng)前速度下按照目標(biāo)減速度減速至剎停的過程。則有目標(biāo)車輛運動距離D3：

D3= （3）

（3）跟車距離模型。目標(biāo)車輛制動開始前，試驗車輛勻速跟車階段，試驗車輛與目標(biāo)車輛之間跟車距離按照試驗車輛當(dāng)前車速時矩THW=2 s的距離進(jìn)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(jù)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(xué)參數(shù)，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(biāo)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(jìn)行計算，得到速度-目標(biāo)車輛極限減速度關(guān)系圖，如圖2所示。

其中，選取典型跟車速度參數(shù)，得到不同速度下目標(biāo)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(jié)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(guān)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(shè)定前車制動相關(guān)參數(shù)及動作;Maneuver模塊設(shè)定試驗車輛初始速度以及駕駛員模型，使車輛按照預(yù)期跟車距離及制動反應(yīng)時間進(jìn)行避撞。

3.1.2 試驗結(jié)果

使用test manager模塊按照測試用例定義不同的穩(wěn)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自動化測試。得到如圖3所示測試結(jié)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(nèi)進(jìn)一步進(jìn)行驗證：

根據(jù)極限測試用例集，設(shè)計相應(yīng)的封閉場地試驗，測試在當(dāng)前測試用例下駕駛員是否能夠避免與前車發(fā)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(jìn)行。目標(biāo)車輛采用可以精確控制制動減速度的GST軟目標(biāo)臺車。試驗車輛裝配一套自動駕駛機(jī)器人，能夠與目標(biāo)車輛進(jìn)行同步并根據(jù)目標(biāo)車輛運動狀態(tài)保持穩(wěn)定跟車狀態(tài)。

試驗過程中，試驗車輛首先通過自動駕駛機(jī)器人精確控制車速及行進(jìn)方向，保持與目標(biāo)車輛的穩(wěn)定跟車狀態(tài)，當(dāng)測試車輛與目標(biāo)臺車行進(jìn)至試驗區(qū)域時，目標(biāo)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?fàn)顟B(tài)。

目標(biāo)車開始制動時，駕駛員可通過按下駕駛機(jī)器人接管按鈕對試驗車輛進(jìn)行接管，并完成減速制動以盡可能避免與目標(biāo)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(yīng)的階段。

3.2.2 試驗結(jié)果

依次按照測試用例表格中的測試用例進(jìn)行測試，得到如表2所示結(jié)果。

3.3 試驗結(jié)論

通過使用駕駛員模型仿真及優(yōu)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(jìn)行驗證測試。根據(jù)試驗結(jié)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(fā)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(tài)，其余速度的測試用例下均發(fā)生碰撞，吻合模型得到的速度-目標(biāo)車輛極限減速度曲線。

因此，根據(jù)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(jié)

該文針對封閉場地前車制動場景，使用數(shù)學(xué)建模的方法對場景進(jìn)行構(gòu)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(shù)值的合理性。相較常規(guī)測試用例生成方法，通過參數(shù)邊界篩選得到的前車制動測試用例集，數(shù)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(xiàn)

[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(shù)，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(xué)，2019.

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