李鴻飛 張誠(chéng)

摘要 為縮短封閉場(chǎng)地測(cè)試試驗(yàn)周期，提高試驗(yàn)效率，定義了封閉場(chǎng)地場(chǎng)景極限測(cè)試用例概念，以封閉場(chǎng)地中前車制動(dòng)場(chǎng)景為例，構(gòu)建前車制動(dòng)場(chǎng)景下前后車運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，設(shè)計(jì)極限場(chǎng)景計(jì)算得到前車最大減速度，以此為閾值生成前車制動(dòng)場(chǎng)景下的極限測(cè)試用例，并通過(guò)仿真及封閉場(chǎng)地測(cè)試對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：按此方法生成的測(cè)試用例，能夠代表該場(chǎng)景下的測(cè)試參數(shù)邊界。

關(guān)鍵詞 參數(shù)邊界;前車制動(dòng);封閉場(chǎng)地測(cè)試;自動(dòng)駕駛

中圖分類號(hào) U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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(jí)的量產(chǎn)自動(dòng)駕駛汽車，但L2或L3級(jí)自動(dòng)駕駛汽車或多或少存在一些問(wèn)題，因感知、控制不足等原因引發(fā)了多次事故。因此自動(dòng)駕駛汽車在完成量產(chǎn)上市前，需要對(duì)車輛自動(dòng)駕駛能力進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試評(píng)價(jià)，測(cè)試評(píng)價(jià)自動(dòng)駕駛車輛，可以通過(guò)仿真測(cè)試、封閉場(chǎng)地測(cè)試、開(kāi)放道路測(cè)試等方式進(jìn)行。

當(dāng)前研究中，大多數(shù)自動(dòng)駕駛測(cè)試場(chǎng)景研究都針對(duì)場(chǎng)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(yùn)動(dòng)參數(shù)，建立場(chǎng)景模型，采用蒙特卡洛法生成測(cè)試用例;修海林[2]等也使用蒙特卡洛法，生成自動(dòng)駕駛組合場(chǎng)景及相關(guān)測(cè)試用例;夏瀾[3]等基于中國(guó)大型實(shí)車路試數(shù)據(jù)庫(kù)，針對(duì)危險(xiǎn)工況進(jìn)行研究，得到具有典型特征的危險(xiǎn)場(chǎng)景。

根據(jù)上述研究生成的場(chǎng)景測(cè)試用例，數(shù)量極其龐大。而對(duì)于封閉場(chǎng)地測(cè)試，因場(chǎng)地和試驗(yàn)車輛限制，對(duì)被測(cè)車輛的測(cè)試往往需要串行測(cè)試。在相同測(cè)試場(chǎng)景下，又包含了多個(gè)不同速度節(jié)點(diǎn)下的不同測(cè)試用例，因此在封閉場(chǎng)地中完成被測(cè)車輛的測(cè)試評(píng)價(jià)，需要大量的時(shí)間和人力成本。該文以自動(dòng)駕駛汽車測(cè)試中常見(jiàn)的前車制動(dòng)場(chǎng)景為例，通過(guò)確定該場(chǎng)景下的理論計(jì)算邊界，對(duì)現(xiàn)有測(cè)試場(chǎng)景的測(cè)試用例數(shù)量進(jìn)行壓縮，達(dá)到縮短封閉場(chǎng)地測(cè)試試驗(yàn)周期的目的。

該文重點(diǎn)對(duì)自動(dòng)駕駛測(cè)試中前車制動(dòng)場(chǎng)景的測(cè)試邊界參數(shù)進(jìn)行研究：建立前車制動(dòng)場(chǎng)景車輛運(yùn)動(dòng)模型，利用模型分析并計(jì)算得到極限避撞參數(shù)，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證邊界參數(shù)的合理性。

1 自動(dòng)駕駛測(cè)試場(chǎng)景及用例

1.1 自動(dòng)駕駛測(cè)試場(chǎng)景概念

自動(dòng)駕駛產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)過(guò)程中有三個(gè)階段：概念階段、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)階段和測(cè)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(lái)越小，測(cè)試場(chǎng)景的抽象程度不斷降低。通過(guò)比較這三個(gè)階段的不同場(chǎng)景的抽象程度，將場(chǎng)景分為三個(gè)級(jí)別：功能場(chǎng)景、邏輯場(chǎng)景、具體場(chǎng)景。

功能場(chǎng)景是場(chǎng)景中最抽象的階段。在概念階段功能場(chǎng)景用來(lái)進(jìn)行項(xiàng)目定義、危害分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。功能場(chǎng)景是語(yǔ)義級(jí)別的操作場(chǎng)景，通過(guò)語(yǔ)言場(chǎng)景符號(hào)來(lái)描述實(shí)體和實(shí)體之間的關(guān)系。場(chǎng)景的表達(dá)形式應(yīng)該是一致的，用來(lái)描述場(chǎng)景的詞匯應(yīng)該是定義好的專用術(shù)語(yǔ)，可以來(lái)源于實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，場(chǎng)景的細(xì)節(jié)內(nèi)容取決于實(shí)際的開(kāi)發(fā)階段。

邏輯場(chǎng)景是基于狀態(tài)空間變量對(duì)功能場(chǎng)景的進(jìn)一步描述。通過(guò)狀態(tài)空間描述兩個(gè)實(shí)體之間的關(guān)系，例如本車和前車。邏輯場(chǎng)景可以用于在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)階段生成需求。由于邏輯場(chǎng)景通過(guò)狀態(tài)空間來(lái)描述實(shí)體和實(shí)體之間的關(guān)系，因此需要對(duì)狀態(tài)空間的參數(shù)范圍進(jìn)行確定，此時(shí)一般采用概率分布的方式，通過(guò)收集到的信息來(lái)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(guò)一定的公式或數(shù)值來(lái)確定。因此邏輯場(chǎng)景包括了能夠場(chǎng)景中能滿足解決問(wèn)題需求的所有要素。

測(cè)試階段，為了生成測(cè)試用例的輸入數(shù)據(jù)，必須從邏輯場(chǎng)景中的連續(xù)參數(shù)范圍中選擇離散參數(shù)值，通過(guò)不同的測(cè)試方法（如模擬或場(chǎng)地測(cè)試），確定用于執(zhí)行基于場(chǎng)景的測(cè)試用例所需的所有參數(shù)，形成具體場(chǎng)景。具體場(chǎng)景作為被測(cè)系統(tǒng)的一致輸入?yún)?shù)，用于驗(yàn)證系統(tǒng)功能。

1.2 自動(dòng)駕駛測(cè)試用例

在自動(dòng)駕駛汽車測(cè)試中，場(chǎng)景是對(duì)真實(shí)交通環(huán)境中一類運(yùn)行過(guò)程的抽象描述，測(cè)試用例是相應(yīng)測(cè)試場(chǎng)景的可執(zhí)行實(shí)例。一個(gè)完整的測(cè)試用例描述包含測(cè)試用例所屬測(cè)試場(chǎng)景描述和測(cè)試用例要素信息。

前車制動(dòng)場(chǎng)景中，具體場(chǎng)景可以描述為：試驗(yàn)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(yàn)車輛前方一定距離內(nèi)以對(duì)應(yīng)減速度進(jìn)行制動(dòng)，試驗(yàn)車輛隨之減速避撞。

以試驗(yàn)車輛及目標(biāo)車輛初始速度、目標(biāo)車輛制動(dòng)減速度作為該場(chǎng)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(dòng)場(chǎng)景下的不同測(cè)試用例。

2 制動(dòng)場(chǎng)景參數(shù)邊界研究

2.1 制動(dòng)場(chǎng)景模型

2.1.1 制動(dòng)場(chǎng)景邏輯模型

試驗(yàn)車輛（后車）制動(dòng)模型，采用ALKS法規(guī)熟練駕駛員性能模型模擬車輛制動(dòng)過(guò)程。該模型下，試驗(yàn)車輛在檢測(cè)到目標(biāo)車輛進(jìn)行制動(dòng)后，試驗(yàn)車輛從感知到制動(dòng)避撞的過(guò)程可分為3個(gè)階段：

（1）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估階段：試驗(yàn)車輛根據(jù)目標(biāo)車輛減速度以及兩車相對(duì)距離變化判斷是否應(yīng)該減速的階段，該階段試驗(yàn)車輛保持勻速行駛狀態(tài)。

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

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

整個(gè)過(guò)程如圖1所示。

2.1.2 制動(dòng)場(chǎng)景數(shù)學(xué)建模

（1）試驗(yàn)車輛運(yùn)動(dòng)模型。

1）試驗(yàn)車輛勻速行駛模型。根據(jù)制動(dòng)場(chǎng)景邏輯模型，試驗(yàn)車輛在目標(biāo)車輛減速后，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、決策延遲、減速制動(dòng)前半部分，試驗(yàn)車輛在該階段時(shí)間t1內(nèi)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以看作勻速行駛運(yùn)動(dòng)，則有試驗(yàn)車輛勻速行駛距離D1為：

D1=v*t1 （1）

2）試驗(yàn)車輛減速制動(dòng)模型。根據(jù)制動(dòng)場(chǎng)景邏輯模型，試驗(yàn)車輛在減速制動(dòng)制動(dòng)踏板增大過(guò)程中，試驗(yàn)車輛減速度會(huì)在一定時(shí)間t2內(nèi)，逐步達(dá)到最大制動(dòng)減速度，并在最大減速度下進(jìn)行制動(dòng)剎停。由于減速度增加時(shí)間極短，該文將此階段車輛運(yùn)動(dòng)當(dāng)作以最大減速度減速制動(dòng)的過(guò)程。因此可計(jì)算得到減速制動(dòng)距離D2為：

D2= （2）

（2）目標(biāo)車輛運(yùn)動(dòng)模型。前車制動(dòng)場(chǎng)景中，目標(biāo)車輛運(yùn)動(dòng)過(guò)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(guò)程。則有目標(biāo)車輛運(yùn)動(dòng)距離D3：

D3= （3）

（3）跟車距離模型。目標(biāo)車輛制動(dòng)開(kāi)始前，試驗(yàn)車輛勻速跟車階段，試驗(yàn)車輛與目標(biāo)車輛之間跟車距離按照試驗(yàn)車輛當(dāng)前車速時(shí)矩THW=2 s的距離進(jìn)行計(jì)算。則有跟車距離S：

S=v*THW （4）

2.2 極限測(cè)試用例計(jì)算

根據(jù)制動(dòng)場(chǎng)景模型，以試驗(yàn)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(yàn)車輛運(yùn)動(dòng)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(dòng)減速度的極限，作為制動(dòng)場(chǎng)景下的極限測(cè)試用例。

2.3 測(cè)試場(chǎng)景測(cè)試用例生成

輸入速度范圍[0，120]，代入極限測(cè)試用例計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)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(dòng)減速度的極限測(cè)試用例集，制動(dòng)減速度沿曲線上下取整，測(cè)試用例集如表1所示。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

3.1 仿真驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)場(chǎng)景搭建

使用carmaker仿真軟件搭建前車制動(dòng)場(chǎng)景，按表1中測(cè)試用例搭建相關(guān)仿真測(cè)試場(chǎng)景：Scenario/Road模塊中搭建一條2 000 m長(zhǎng)的單向長(zhǎng)直道;Traffic模塊按照測(cè)試用例設(shè)定前車制動(dòng)相關(guān)參數(shù)及動(dòng)作;Maneuver模塊設(shè)定試驗(yàn)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(dòng)反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行避撞。

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

使用test manager模塊按照測(cè)試用例定義不同的穩(wěn)定跟車速度、前車制動(dòng)減速度以及不同速度下跟車距離，以是否碰撞為通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試。得到如圖3所示測(cè)試結(jié)果。

3.2 封閉場(chǎng)地驗(yàn)證試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)場(chǎng)景搭建

考慮到仿真模擬過(guò)于理想，在封閉場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證：

根據(jù)極限測(cè)試用例集，設(shè)計(jì)相應(yīng)的封閉場(chǎng)地試驗(yàn)，測(cè)試在當(dāng)前測(cè)試用例下駕駛員是否能夠避免與前車發(fā)生碰撞。

試驗(yàn)場(chǎng)地選取一條雙車道且車道線清晰的長(zhǎng)直道測(cè)試跑道進(jìn)行。目標(biāo)車輛采用可以精確控制制動(dòng)減速度的GST軟目標(biāo)臺(tái)車。試驗(yàn)車輛裝配一套自動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)保持穩(wěn)定跟車狀態(tài)。

試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)車輛首先通過(guò)自動(dòng)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(cè)試車輛與目標(biāo)臺(tái)車行進(jìn)至試驗(yàn)區(qū)域時(shí)，目標(biāo)車輛按照測(cè)試用例中給定的制動(dòng)減速度開(kāi)始制動(dòng)直至靜止?fàn)顟B(tài)。

目標(biāo)車開(kāi)始制動(dòng)時(shí)，駕駛員可通過(guò)按下駕駛機(jī)器人接管按鈕對(duì)試驗(yàn)車輛進(jìn)行接管，并完成減速制動(dòng)以盡可能避免與目標(biāo)車輛碰撞。其中，按下按鈕到踩制動(dòng)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(yàn)結(jié)果

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

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)使用駕駛員模型仿真及優(yōu)秀駕駛員封閉場(chǎng)地測(cè)試的形式對(duì)前車制動(dòng)場(chǎng)景極限用例進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在不同速度跟車距離時(shí)矩THW=2 s的場(chǎng)景下，仿真及封閉場(chǎng)地測(cè)試在前車制動(dòng)減速度較小測(cè)試用例下均能夠避免碰撞;對(duì)于制動(dòng)減速度相對(duì)較大的場(chǎng)景，仿真軟件全部發(fā)生碰撞，封閉場(chǎng)地在40 km/h、80 km/h測(cè)試用例下處于臨界碰撞狀態(tài)，其余速度的測(cè)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(dòng)駕駛封閉場(chǎng)地測(cè)試前車制動(dòng)場(chǎng)景下的測(cè)試用例。

4 總結(jié)

該文針對(duì)封閉場(chǎng)地前車制動(dòng)場(chǎng)景，使用數(shù)學(xué)建模的方法對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行構(gòu)建，得到該場(chǎng)景下速度-前車最大制動(dòng)減速度曲線及測(cè)試用例，通過(guò)仿真及封閉場(chǎng)地測(cè)試的形式對(duì)測(cè)試用例開(kāi)展試驗(yàn)，驗(yàn)證了測(cè)試用例數(shù)值的合理性。相較常規(guī)測(cè)試用例生成方法，通過(guò)參數(shù)邊界篩選得到的前車制動(dòng)測(cè)試用例集，數(shù)量更少且更具代表性，對(duì)簡(jiǎn)化自動(dòng)駕駛封閉場(chǎng)地測(cè)試周期有一定的積極意義。

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