自动驾驶汽车自动紧急避撞测试与评价方法研究*

田思波，何鋆，郭润清，樊晓旭，童宝锋

自动驾驶汽车自动紧急避撞测试与评价方法研究*

田思波，何鋆，郭润清，樊晓旭，童宝锋

（上海淞泓智能汽车科技有限公司，上海 201804）

自动驾驶汽车的测试与评价方法对于自动驾驶汽车的快速发展具有重要作用。安全是自动驾驶汽车发展的首要前提，自动紧急避撞是保障自动驾驶汽车行驶安全的重要功能。文章首先分析了自动紧急避撞功能的典型测试场景；其次，基于典型测试场景，研究了自动紧急避撞功能的测试与评价方法；最后，根据提出的测试与评价方法对自动驾驶汽车自动紧急避撞功能进行了实际的案例分析。

自动驾驶汽车；自动紧急避撞；封闭道路；测试与评价

引言

近年来，中国智能网联汽车在国家产业政策和新技术的推动下迅速发展。自动驾驶汽车的进步不仅需要感知定位、决策规划和控制执行技术的不断发展，还需要科学完整的测试验证和评价体系的支撑[1]。自动驾驶汽车的测试验证和评价方法主要分为三类：仿真模拟测试、封闭道路测试和公开测试道路。

安全是自动驾驶汽车技术发展的首要前提。目前中国多个城市开放了自动驾驶汽车公开道路测试。在封闭测试道路对自动驾驶汽车的基本功能按照一定的规范和标准进行测试是保证自动驾驶汽车公开道路测试安全的必要条件。自动驾驶汽车自动紧急避撞功能是指在前方突然出现紧急制动、静止或者低速行驶的车辆时能够通过合理制动或者避让从而避免与前方车辆发生碰撞。自动紧急避撞是保证自动驾驶汽车行驶安全的最基本的功能要求。

为了对自动驾驶汽车自动紧急避撞性能进行合理的评价，本文首先研究了自动紧急避撞功能的典型基础测试场景，在此基础上对自动紧急避撞功能的测试和评价方法进行了分析，最后运用提出的测试和评价方法进行了实际测试案例分析。本人的研究对象是自动驾驶乘用车，下文不再特殊说明。

1 自动紧急避撞功能测试场景分析

自动驾驶汽车自动紧急避撞功能主要是通过毫米波雷达、激光雷达和摄像头等感知传感器信息融合技术，对可能与前方车辆发生碰撞危险的驾驶场景进行相应的决策和执行控制，从而通过合理制动或避让来避免发生碰撞事故。

1.1 自动驾驶测试场景框架

要进行科学合理的自动驾驶汽车测试与评价，首先要建立合理的自动驾驶测试场景。自动驾驶测试场景主要包含以下四个方面（如图1所示）：1）战术操纵行为是指相应测试场景下需要执行的驾驶任务；2）设计运行域（Operational Design Domain，ODD）是指自动驾驶系统功能定义的测试运行范围；3）事件探测及响应是指相应测试场景下自动驾驶系统需要探测的物体或者事件以及应做出的响应；4）失效模式是指相应测试场景下自动驾驶系统测试失败的可能表现形式。

图1 自动驾驶测试场景框架

1.2 自动紧急避撞功能测试场景

本文研究的自动驾驶汽车自动紧急避撞功能，其要实现的是通过对前方车辆的探测，在行驶过程中避免紧急情况下与前车发生碰撞的驾驶任务。

根据自动驾驶测试场景框架，可以搭建自动驾驶汽车自动紧急避撞功能的典型逻辑测试场景。逻辑测试场景的设计思路主要是基于目标车辆的不同驾驶行为可能导致的危险等级，共设计了三个典型逻辑测试场景，满足目前自动驾驶技术发展阶段的验证需求。

1.2.1前方有静止车辆

自车在沿直线车道匀速行驶时，遇到前方静止目标车辆（如图2所示），自车应能够紧急制动从而避免与前方静止目标车辆发生碰撞。

图2 自车匀速行驶，前方目标车静止

该测试场景对应的逻辑参数如表1所示，其中，重叠率是指目标车辆横向偏移的车身位置相对于自车车宽的比率，目标车辆和自车的中轴线重合时，重叠率定义为100%，下同。

表1 测试场景逻辑参数

1.2.2前方有匀速制动车辆

自车跟随目标车辆在直线车道匀速行驶，当前方目标车辆以恒定减速度紧急制动停车（如图3所示），自车应能够检测到前车的紧急制动行为并通过紧急制动避免发生碰撞危险。

图3 自车匀速行驶，前方目标车匀速制动

该测试场景对应的逻辑参数如表2所示，其中，车头时距（Time to Headway，THW）是用时间表示在同一路径上行驶的两车之间的距离，通过两车之间的纵向距离除以自车速度计算，下同。

表2 测试场景逻辑参数

1.2.3跟车行驶，前方车辆遇到静止车辆后切出

自车跟随目标车1沿直线车道匀速行驶，当目标车1遇到前方静止目标车2后突然切出本车道至相邻车道（如图4所示），在目标车1切出本车道后，自车应能够检测到前方静止目标车2，并通过紧急制动避免发生碰撞危险。

图4 自车跟随目标车1行驶，目标车1遇到目标车2后切出

表3 测试场景逻辑参数

该测试场景对应的逻辑参数如表3所示，其中，目标车1切出时THW是指目标车1切出时和目标车2的车头时距。

2 自动紧急避撞功能测试与评价方法

2.1 封闭道路测试与评价方法分析

目前自动驾驶汽车的测试与评价的方法主要分为三大类（如图5所示）：（1）建模与仿真测试；（2）封闭道路测试；（3）公开道路测试。基于当前自动驾驶技术发展阶段，封闭道路测试在自动驾驶测试与评价体系中占有重要地位。

图5 自动驾驶测试与评价体系

相对于建模与仿真测试和公开道路测试，封闭道路测试的主要优势如下：

（1）可控性高：可以灵活设置不同的测试变量，包括运行环境与障碍物，以满足不同自动驾驶功能的验证需求。

（2）保真度高：场地测试所涉及的环境条件、障碍物目标、系统功能等与真实情况关联性高，能够切实反映车辆在实际交通场景下的行为表现。

（3）可复制性强：可以在不同的测试场地执行同样的试验。

（4）可重复性高：可以采用完全相同的试验条件与设置，进行多次试验。

2.2 自动紧急避撞基本性能要求

当前阶段，自动驾驶汽车的自动紧急避撞功能应满足以下两点基本性能要求：

（1）测试车辆应能够及时探测到与前方车辆发生碰撞的危险紧急状况，并应能够通过紧急制动避免发生碰撞事故。

（2）测试车辆在紧急制动时应能够开启制动灯，并不发生侧滑等危险动作。

2.3 自动紧急避撞测试与评价方法

前文1.2节中提出了自动驾驶汽车自动紧急避撞功能的测试场景，而每个测试场景都需要相应的测试与评价指标。下面将阐述如何对相应测试场景的测试结果进行评价。

本文对自动驾驶汽车自动紧急避撞功能提出了两个评价指标：通过评价指标和性能评价指标。

2.3.1通过评价指标

通过评价指标是指自动驾驶测试车辆通过自动紧急避撞功能具体测试场景测试需要满足的最低要求，通过评价指标一般为定性评价指标。

对于本文提出的自动紧急避撞功能的三个逻辑测试场景，对应的通过评价指标是一致的，即自动驾驶测试车辆应能够通过紧急制动避免与前方车辆发生碰撞。

2.3.2性能评价指标

性能评价指标是指通过具体参数指标对自动驾驶汽车自动紧急避撞功能进行评价，包括动力学性能，舒适性等。

本文采用的自动紧急避撞功能的性能评价参数如表4所示，其中，加速度（a）是指测试车辆探测到危险车辆后进行紧急制动的减速度；开始制动相对距离（d）是指测试车辆探测到危险车辆后开始采取制动措施时与目标车的相对纵向距离；制动停车相对距离（d）是指测试车辆探测到危险车辆后采取相应制动措施停车后与目标车的相对纵向距离。性能评价参数是通过专用测试设备在相应测试过程中采集得到。

表4 自动紧急避撞功能性能评价参数表

采用通过评价指标和性能评价指标两个指标可以对自动驾驶汽车自动紧急制避撞功能进行较为全面客观的测试与评价。

3 自动紧急避撞功能测试案例分析

本文以某款自动驾驶乘用车作为测试对象，对自动紧急避撞功能进行具体的测试案例分析

3.1 测试环境及设备要求

3.1.1测试环境条件

测试场地为干燥、平坦的直线道路进行，测试时间为白天，测试天气晴朗，满足测试所需要的通信环境。

3.1.2测试设备及精度要求

测试设备：RT 3000、ABD机器人、静止气球车、移动软目标车（GST）等。

测试精度要求：a）速度精度：±1km/h，b）加速度精度：± 0.5m/s2，c）距离精度：± 0.1m。

3.2 测试实施流程

本文研究的某自动驾驶乘用车采用的具体测试案例，是从1.2节中的三个逻辑测试场景中分别选择了一个具体测试场景，具体测试执行参数见表5。

表5 测试场景执行参数

下面以前方有静止车辆测试场景为例，对自动驾驶汽车自动紧急避撞功能的测试流程进行一个说明。试验执行阶段的车辆操作主要分为两个部分（如图6所示）：一是状态调整阶段，使测试车辆和目标车辆达到试验目标车速；二是性能评估阶段，评估自动紧急避撞功能的性能表现。整个测试过程需要采集测试车辆的速度、加速度和相对距离等参数，每个测试场景重复测试30次，实际测试过程图示如图7所示。

图7 前方遇到静止车辆测试过程图示

3.3 测试结果分析

下面对该自动驾驶车辆的三个具体测试场景的测试结果进行分析，主要针对2.3.2节中提到的性能评价指标。

3.3.1前方有静止车辆测试结果分析

图8 测试车辆和静止目标车的相对距离曲线

图9 测试车辆的制动加速度曲线

在此测试场景下，该自动驾驶车辆感知到前方静止目标车后开始采取制动动作，直到减速至停车。试验重复30次，开始制动时和制动停车后与静止目标车的相对纵向距离统计曲线如图8所示。从图8可以看出，测试车辆开始制动时的相对距离在42m左右波动，标准差为2.44，而制动停车后的相对距离在4.7m左右波动，标准差为0.23，根据相对距离曲线的波动程度可以分析出，测试车辆感知和决策系统对于静止目标车的距离检测和制动决策相对稳定，系统可靠性较高。图9为测试车辆的制动加速度曲线，从加速度曲线可以看出，测试车辆开始制动时采取的初始加速度相对较大，且加速度变化率很大，影响乘坐舒适性。

3.3.2前方有匀速制动车辆测试结果分析

在此测试场景下，该自动驾驶车辆感知到前方目标车制动操作后开始采取制动动作，直到减速至停车。试验重复30次，开始制动时和制动停车后与前方目标车的相对纵向距离统计曲线如图10所示。从图10可以看出，测试车辆开始制动时的相对距离在40m左右波动，标准差为5.07，而制动停车后的相对距离在3.9m左右波动，标准差为1.73，根据相对距离曲线的波动程度可以分析出，测试车辆感知和决策系统对于前方匀速制动车辆的意图检测和制动决策稳定性相对较差，需要进一步提高对运动车辆意图检测的能力。图11为测试车辆的制动加速度曲线，从加速度曲线可以看出，测试车辆开始制动时采取的初始加速度相对较大，最大加速度达到-5.8 m/s2，而前车的制动加速度为-4m/s2，分析主要原因有：1）对于前方运动车辆的制动意图响应相对较慢，使测试车辆有效制动距离减少；2）采用的安全决策算法相对较保守。

图10 测试车辆和目标车的相对距离曲线

图11 测试车辆的制动加速度曲线

3.3.3前方车辆遇到静止车辆后切出测试结果分析

在此测试场景下，跟随的目标车辆切出到相邻车道后，该自动驾驶车辆感知到前方的静止目标车后开始采取制动动作，直到减速至停车。试验重复30次，开始制动时和制动停车后与前方静止目标车的相对纵向距离统计曲线如图12所示。从图12可以看出，测试车辆开始制动时的相对距离在46m左右波动，标准差为15.9，而制动停车后的相对距离在4m左右波动，标准差为0.69，根据测试车辆开始制动时相对距离曲线的波动程度可以分析出，在该复杂测试场景下，测试车辆感知和决策系统对于前方突然出现的静止目标车的意图检测和制动决策稳定性相对较差，从感知到静止目标车到采取制动措施的每次测试的相对距离变化较大，但是从制动停车后的相对距离波动可以看出，该测试车辆对控制目标的执行结果是相对较好。图13为测试车辆的制动加速度曲线，从加速度曲线可以看出，测试车辆的制动加速度从开始制动到减速停车的波动相对较大，结合实际的乘坐主观评价，可以判断该测试车辆对突然出现的静止车辆从决策上较为犹豫。

图12 测试车辆和静止目标车的相对距离曲线

图13 测试车辆的制动加速度曲线

3.3.4测试结果综合评价

根据测试车辆在三个具体测试场景中的结果表现来看，测试车辆均能够满足自动紧急避撞功能测试场景的通过评价指标，成功完成了相应的自动驾驶任务。但是从性能评价指标的角度来看，测试车辆针对不同测试场景的表现差别较大，针对简单场景的表现相对稳定，针对复杂场景的感知和决策能力有待进一步的提升，同时，整体来看乘坐舒适性较差。其性能表现符合当然自动驾驶汽车的技术发展现状。

4 结论

自动驾驶汽车自动紧急避撞功能能够避免自动驾驶汽车在紧急情况下发生碰撞事故，对于保障自动驾驶的安全具有重要作用。本文建立了自动紧急避撞功能的典型测试场景；基于典型测试场景，提出了自动紧急避撞功能的测试与评价方法，包括两个关键指标：通过评价指标和性能评价指标；基于提出的测试与评价方法对某自动驾驶汽车自动紧急避撞功能进行了实际的案例分析。本文提出的测试与评价方法对于自动驾驶汽车的测试与评价具有指导和借鉴意义。

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[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，硕士研究生，就职于上海淞泓智能汽车科技有限公司，研究方向：智能网联汽车测试评价与标准研究。

基金项目：上海市经济和信息化委员会人工智能创新发展专项资金（2018-RGZN-01015）资助。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.014