自动驾驶汽车仿真器综述:能力、挑战和发展方向

仿真器在自动驾驶汽车(Autonomous Vehicle,AV)系统的研究、开发和验证中发挥着举足轻重的作用。本文系统地探讨了AV仿真器的国内外现状,并重点分析了其能力、面临的挑战和未来发展趋势。首先,梳理了AV仿真器的发展历程,阐述了国内外相关研究现状。接着,依据技术性指标、功能性指标、性能指标和商业性指标,对各类仿真器进行了全面评估,同时讨论了它们在不同研究和开发任务中的适用性。此外,深入剖析了AV仿真器所面临的挑战和限制,结合深度学习、人工智能等先进技术的发展,提出了针对性的解决策略。对于如何克服AV仿真器在复杂环境和多元场景下的局限性,提出了一系列具有前瞻性的解决方案。在此基础上,着重强调了未来研究的机遇和新兴趋势,这些将为下一代仿真器的发展奠定基础。最后,本综述旨在为研究人员、开发者及行业利益相关者提供有益的参考,协助他们选择最符合需求的工具,并激发自动驾驶领域未来的创新潜力。综述的内容有助于推动AV仿真器在自动驾驶研究和实际应用中发挥更大的作用,从而为人类出行带来更为安全、便捷和高效的体验。

基于平行测试的认知自动驾驶智能架构研究

在大数据、云计算和机器学习等新一代人工智能技术的推动下,自动驾驶的感知智能在近年来得到显著的提升与发展.然而,与人类驾驶过程中隐含的以自我目的实现为引导的自探索性和自主性相比,现阶段自动驾驶技术主要以辅助驾驶功能为主,还停留在以被动感知、规划与控制为主的初级智能自动驾驶阶段.为实现车辆智能从数据驱动的环境感知、辅助决策、被动规划到知识驱动的场景认知、推理决策、主动规划的提升,亟需增强车辆自身对复杂外界信息归纳提炼、推理决策、评价估计等类人能力.首先回顾自动驾驶关键技术演化及其应用发展历程;随后分析测试对车辆智能评估的效用;然后基于平行测试理论,提出自动驾驶车辆认知智能训练、测试与评估空间的构建方法,并设计基于平行测试的认知自动驾驶智能训练框架.该项研究工作预期能为推动自动驾驶从感知智能向认知智能的升级提供可行的技术支撑与实现路径.

针对自动驾驶智能模型的攻击与防御

近年来,以深度学习算法为代表的人工智能技术为人类生产生活的方方面面带来了巨大的革新,尤其是在自动驾驶领域,部署着自动驾驶系统的智能汽车已经走进入们的生活,成为了重要的生产力工具.然而,自动驾驶系统中的人工智能模型面临着潜在的安全隐患和风险,这给人民群众生命财产安全带来了严重威胁.本文通过回顾自动驾驶智能模型攻击和防御的相关研究工作,揭示自动驾驶系统在物理世界下面临的安全风险并归纳总结了相应的防御对策.具体来说,本文首先介绍了包含攻击面、攻击能力和攻击目标的自动驾驶系统安全风险模型.其次,面向自动驾驶系统的三个关键功能层——传感器层、感知层和决策层,本文依据受攻击的智能模型和攻击手段归纳、分析了对应的攻击方法以及防御对策,并探讨了现有方法的局限性.最后,本文讨论和展望了自动驾驶智能模型攻击与防御技术面临的难题与挑战,并指出了未来潜在的研究方向和发展趋势.

面向自动驾驶道路场景中异常案例的多模态数据挖掘算法

基于深度学习的视觉感知技术的发展有利于自动驾驶系统中环境感知技术的进步。然而,对于自动驾驶场景中的异常案例,目前的感知模型还存在一些问题。这是因为基于深度学习的感知模型的能力取决于训练数据集的分布。尤其是驾驶场景中的类别从未出现在训练集中,感知系统也往往很脆弱。因此识别未知类别和极端场景仍然是自动驾驶感知技术安全性的挑战。本文从处理数据集的角度出发,提出了一种新颖的多模态异常案例自动挖掘流程(corner case mining pipeline, CCMP)。为验证CCMP的有效性,在Waymo开放数据集的基础上构建了异常案例子集“Waymo-Anomaly”,该子集共有3 200个图像,每个图像都将包含文本中定义的异常案例场景。并且基于私有数据集Waymo-Anomaly,证明了CCMP针对异常案例场景挖掘的召回率可以达到91.7%。此外,还通过实验验证了目标检测器在包含异常案例的数据集中针对长尾分布的有效性。最终,希望从处理数据集的角度来提高自动驾驶感知模型在现实世界中的真实性。

机耕道自动驾驶农机局部路径规划

针对机耕道场景下自动驾驶农机行驶的安全性、平稳性与规划实时性的实际需求,该研究提出了一种基于二次规划的局部路径规划方法。首先基于有限状态机构建农机机耕道行驶模式,其次采用横纵向解耦的方法,通过改进状态栅格法分别对农机速度行为和轨迹行为进行决策,随后利用二次规划方法生成满足多目标、多约束条件的农机轨迹和速度,得到最优路径,最后在多种行驶环境中进行仿真和实车试验,行驶参考速度为2 m/s。实车试验结果表明,在绕行静态障碍物场景中,规划轨迹的平均绝对曲率为0.021 m^(-1),最大绝对曲率为0.056 m^(-1),平均绝对横向误差为3.23 cm,最大绝对横向误差为8.69 cm,农机与障碍物外轮廓的距离大于0.76 m;在规避相向行驶、同向行驶和横穿机耕道的动态障碍物场景中,规划速度的平均绝对速度误差为0.08~0.12 m/s,绝对速度误差小于0.38 m/s,加速度变化范围为-0.38~0.44 m/s^(2)。在规划周期为200 ms的仿真试验中,该文算法平均耗时48 ms,最大耗时75 ms,相比采用静态状态栅格法平均耗时减少38 ms,算法效率提升44%。研究结果可为机耕道场景下的农机局部路径规划提供技术支持。

自动驾驶汽车行驶风险评估方法综述

行驶风险评估对自动驾驶系统的安全运行至关重要。将现有行驶风险评估方法分为3类,包括面向单一目标物的、基于可达集的和基于势场论的评估方法。提出5个评价维度,包括计算实时性、结果时效性、应用可行性、内容充分性和场景泛用性,对评估方法进行了全面比较,揭示其特点和适用情况。对自动驾驶行驶风险评估面临的问题以及未来发展趋势进行了分析和展望。

智能汽车自动驾驶路径跟踪控制算法的应用分析

科技不断进步,汽车行业进入了全新的时代,自动驾驶汽车的路径跟踪控制作为该领域的关键技术,其算法质量直接影响车辆能否顺利跟踪预定路径。因此,自动驾驶汽车路径跟踪控制算法的分析和优化成为自动驾驶领域的研究热点。本文重点探讨路径跟踪控制算法,以期为自动驾驶汽车技术的后续发展提供参考。

网联自动驾驶货车编队规划与控制研究综述

物流运输联盟内开展货车编队运行,有望成为未来物流运输降低运营成本的新形态。本文以网联自动驾驶货车编队规划与控制为研究对象,通过文献检索来分析网联自动驾驶货车编队的关键技术与研究现状。从市场应用角度,分析目前实现货车编队市场应用面临的挑战,以及相关利益方之间的成本分配问题。从技术方法视角,围绕网联自动驾驶编队规划与运作控制问题,解读相关技术内涵与实现方法。通过评述网联自动驾驶编队技术研究现状,总结该领域未来研究方向,旨在为研究者掌握该方向发展脉络提供参考。

基于改进YOLOv5s的面向自动驾驶场景的道路目标检测算法

在复杂道路场景中检测车辆、行人、自行车等目标时,存在因多尺度目标及部分遮挡易造成漏检及误检等情况,提出一种基于改进YOLOv5s的面向自动驾驶场景的道路目标检测算法。首先,利用深度可分离卷积替换部分普通卷积,减少模型的参数量以提升检测速度。其次,在特征融合网络中引入基于感受野模块(receptive field block,RFB)改进的RFB-s,通过模仿人类视觉感知,增强特征图的有效感受野区域,提高网络特征表达能力及对目标特征的可辨识性。最后,使用自适应空间特征融合(adaptively spatial feature fusion,ASFF)方式以提升PANet对多尺度特征融合的效果。实验结果表明,在PASCAL VOC数据集上,所提算法检测平均精度均值相较于YOLOv5s提高1.71个百分点,达到84.01%,在满足自动驾驶汽车实时性要求的前提下,在一定程度上减少目标检测时的误检及漏检情况,有效提升模型在复杂驾驶场景下的检测性能。

基于TsGAN的自动驾驶汽车高速公路变道切入测试场景自动生成算法

前方相邻车道车辆变道切入自动驾驶车辆所在车道是典型的高速公路自动驾驶高风险场景,在实际高速公路上进行该类场景的复现测试存在非常高的安全风险,虚拟仿真测试是解决该问题的最佳途径之一。为自动生成批量化的高保真高速公路变道切入测试场景,该文提出了一种基于时间序列生成对抗网络(TsGAN)的自动驾驶汽车高速公路变道切入测试场景自动生成算法。该算法以变道切入时刻两车的车头时距和侧向时距为场景危险程度评价指标,从高速公路真实轨迹数据集highD中提取4类不同危险程度的2853个变道切入场景实例,基于TsGAN构建变道切入测试场景生成模型,并利用所提取的真实轨迹数据训练模型;其后,采用所构建的模型生成前车变道轨迹和测试车变道切入时刻前的运行轨迹,通过比较所生成的变道轨迹与真实轨迹之间的分布相似性、频谱误差,验证所生成的轨迹的真实性。该文还分析了所生成的场景中变道切入时刻两车的运动关系及轨迹参数分布,检验了自动生成的场景在自然场景中的覆盖度。结果显示:从轨迹关键参数的分布来看,TsGAN模型生成的变道轨迹与真实轨迹的平均相似度达79.7%,平均频谱误差小于8%,落在最相似真实轨迹缓冲区的轨迹超过83.2%,表明所生成的轨迹具有高真实性;与所采集的真实场景相比,所生成的场景实例覆盖范围更大,在参数区间内分布更均匀,变道切入时刻前方变道车辆与测试车的车头时距和侧向时距分别降低了17.83%和16.37%(平均值),车辆轨迹参数分布区间平均增长了19.44%,表明所生成的场景在自然场景中具有较高的覆盖度;所提出的基于TsGAN的场景生成模型可模拟4种不同危险程度的变道切入测试场景,具有较强的针对性。

高速公路网联自动驾驶专用车道物理基础设施设计方法研究综述

为深入探究网联自动驾驶专用车道的物理基础设施设计对交通性能的影响,从专用车道的部署条件、专用车道的接入方式、以及专用车道与普通车道的分隔方式等3个方面进行梳理,明确了现有研究的理论基础与实践进展,构建了这些方面对交通系统性能的影响关系框架,并指出了当前研究中存在的空白和未来研究的发展方向。结果表明:目前对网联自动驾驶专用车道部署条件的研究主要聚焦在交通效率上,缺少对交通安全的评估,且不同的研究假设导致了研究结果的差异,在未来研究中需要对部署条件进行精确评估;有关接入方式的研究则显示常规的自由接入和有限接入各有优势,但2种接入方式的优势条件有待进一步检验,建议借鉴高载客率车辆(high occupancy vehicle,HOV)专用车道接入方式的设计,在网联自动驾驶专用车道场景下对其进行重新评估;有关分隔方式的研究显示需要确认网联自动驾驶专用车道与普通车道的分隔方式对人类驾驶员适应性行为的影响,以确保驾驶者能够有效适应专用车道的部署。总体而言,目前研究虽有一定进展,但由于缺乏实际的道路案例与部署效果验证,基于仿真的方法由于假设等方面的差异使得研究结论有较大的分歧。未来的研究应重点聚焦在网联自动驾驶行为的精确化、横纵向对比研究、以及量化网联自动驾驶专用车道设计对安全效率的影响等方向进行改进。

自动驾驶汽车避撞极限研究

精确计算不同避撞控制策略的极限避撞距离是自动驾驶汽车避撞决策与控制的基础。为厘清差动制动控制对避撞距离的影响,探究转向和差动制动集成控制的极限避撞能力,提高极限避撞距离的计算精度,本研究基于非线性车辆集成动力学和最优控制理论提出一种自动驾驶汽车极限避撞距离计算方法。首先,建立了非线性7自由度车辆动力学模型和复合滑移工况的Pacejka轮胎模型。进一步地,基于上述模型构建了极限避撞距离求解问题,并将其转化为最优控制问题。然后,设计了高斯伪谱法将最优控制问题转化为非线性规划问题并求解。最后,分析了转向控制、制动控制、转向和制动集成控制、转向和差动制动集成控制的极限避撞距离,并与基于质点模型计算和CarSim测试的结果进行了对比。结果表明:转向和差动制动集成控制能够进一步减少自动驾驶汽车的避撞距离,显著提高其避撞能力;本研究所提方法能够显著提高极限避撞距离的计算精度和避撞决策结果的可靠性。

受限泊车通道下自动驾驶平行泊车的路径规划方法

针对受限泊车通道下自动泊车规划时间长、成功率低等问题,提出了一种改进混合A^(*)算法的路径规划方法。首先,将泊车路径分为前进的位姿调整段与后退的倒车入库段两部分,通过建立直线-圆弧的约束优化模型规划位姿调整段,寻找合适的倒车起始点;其次,通过在混合A^(*)算法中额外引入碰撞风险代价,改进节点扩展方式,并通过判断车辆轮廓线是否与障碍物线相交来进行碰撞检测,以提高倒车入库段规划的实时性和安全性;最后,以路径长度、平滑度、偏离度为指标设计目标函数,并考虑汽车的运动学约束,使用二次规划对初始路径进行平滑,得到最终路径。使用MATLAB对改进算法与原始算法进行仿真分析,结果表明:在受限泊车通道下,改进算法能得到平滑的无碰撞泊车路径,搜索时间比混合A^(*)算法减少了23.8%,且所得路径更安全,更易进行跟踪控制。

自动驾驶中基于多传感器融合的目标检测分析

多传感器融合是一项结合多传感器数据的综合性前沿技术,在自动驾驶的感知和定位应用中占有非常重要的地位。汽车的自动驾驶级别越高,对传感器性能的要求就越高,而传感器进行目标检测具有高度的复杂性和多变性,因此单一传感器已无法满足不同场景下目标检测的准确性要求,必须采用多传感器融合的方式进行目标追踪。文章基于多传感器融合的背景,提出目标检测的整体设计方案,分析目标检测系统涉及的多源传感器信息处理系统设计方案、多模态传感器数据信息融合方案、有限数据弱监督学习目标检测方案,并从数据层、特征层、决策层3个信息融合处理层次阐述多传感器融合的方式。

面向个性化需求的自动驾驶微公交动态调度方法

根据个性化出行需求调查,梳理出乘坐资源、合乘意愿以及出行效率3类个性化需求。在此基础上,提出了面向个性化需求的“预约乘车+实时乘车+非固定站点”自动驾驶微公交服务模式,并构建了动态调度模型及求解算法。基于真实路网与随机订单测试集开展的典型案例分析结果表明,在同样的订单需求下,提供轮椅空间和非合乘服务可显著提高订单服务率和社会公平性,但系统成本会增加。

引力理论框架下基于综合竞争力的自动驾驶拟人换道决策模型

为有效刻画城市快速路中自动驾驶环境下的车辆换道决策机理,考虑主车与周边车辆的位置属性、驾驶风格属性及车辆运动属性对主车换道行为的影响,建立基于综合竞争力的拟人换道决策模型。首先,以邻近前车间距、邻近前车速度差及驾驶风格这3种因素作为自动驾驶车辆的拟人化换道意愿属性,量化表征主车的换道意愿;然后,基于人类决策中的悲观主义准则,分析换道过程中周边车辆与主车可能产生的竞争行为,利用车头间距比和驾驶风格差异提出潜在竞争强度概念;其次,考虑环境稳定性对驾驶舒适性的影响,提出“速度伪距”“加速度伪距”概念,衡量换道后的环境稳定性;最后,结合引力理论建立以车辆横向速度为求解目标的综合竞争力换道决策模型。在模型标定中,筛选Ubiquitous Traffic Eyes开源数据集,得到非强制换道片段数据,利用蚁群算法标定模型参数。采用随机排列交叉验证方法进行验证,以正确率为模型精度和泛化能力的评价指标,并将其与传统模型进行对比。结果表明,将训练与验证比设置为72%∶28%、65%∶35%、57%∶43%和50%∶50%时,平均正确率区间为87.67%~90.34%,说明该模型具有较强的鲁棒性和可行性,相比于传统模型,本文模型具有更高的预测精度,可为自动驾驶环境下车辆的车道选择提供依据。

超高速公路自动驾驶车辆换道轨迹规划策略

为提高自动驾驶车辆在超高速公路行驶的安全性,提出了一种换道轨迹规划策略。首先,采用5次多项式生成一般变道轨迹簇,以车辆动力学极限和周围交通车辆为约束,将轨迹规划问题量化为求解换道行为持续时间;接着,考虑车辆动力学约束,建立了车辆动力学模型和Brush轮胎模型,基于所建立汽车模型的轮胎侧向力数据求解轮胎侧偏刚度,辅以魔术轮胎模型,验证所求轮胎侧偏刚度;然后,引入质心侧偏角-横摆角速度相平面,得到高速车辆安全驾驶包络线,并给定多组车速和附着系数进行CarSim仿真训练,确定满足车辆动力学约束的最短换道时间;最后,考虑与周围交通车辆的避撞约束,分析3种典型的换道场景,基于单障碍车的位置,确定满足避撞要求的最短与最长换道持续时间,建立满足安全换道要求的换道持续时间阈值模型。经多参数安全换道域检验,所建立的车辆安全换道持续时间边界模型能够在给定参数下求解出安全可行的换道轨迹,为超高速公路换道行为提供轨迹参考,提高超高速公路换道行为的安全性。

基于数字孪生的多自动驾驶车辆分布式协同路径规划算法

针对多辆自动驾驶车辆(AVs)在进行路径规划过程中存在的车辆之间协作难、协作训练出来的模型质量低以及所求结果直接应用到物理车辆的效果较差的问题,该文提出一种基于数字孪生(DT)的多AVs分布式协同路径规划算法,基于可信度加权去中心化的联邦强化学习方法(CWDFRL)来实现多AVs的路径规划。首先将单个AVs的路径规划问题建模成在驾驶行为约束下的最小化平均任务完成时间问题,并将其转化成马尔可夫决策过程(MDP),使用深度确定性策略梯度算法(DDPG)进行求解;然后使用联邦学习(FL)保证车辆之间的协同合作,针对集中式的FL中存在的全局模型更新质量低的问题,使用基于可信度的动态节点选择的去中心化FL训练方法改善了全局模型聚合质量低的问题;最后使用DT辅助去中心化联邦强化学习(DFRL)模型的训练,利用孪生体可以从DT环境中学习的优点,快速将训练好的模型直接部署到现实世界的AVs上。仿真结果表明,与现有的方法相比,所提训练框架可以得到一个较高的奖励,有效地提高了车辆对其本身速度的利用率,与此同时还降低了车辆群体的平均任务完成时间和碰撞概率。

自动驾驶拟人连续交互测试场景生成方法

基于场景的仿真测试方法是自动驾驶汽车安全性验证的重要手段,然而当前测试场景生成方法多输出独立场景片段,如何模拟真实人类驾驶过程生成具有一定挑战的连续交互测试场景已成为自动驾驶测试评价亟须攻克的难题。本文提出了一种自动驾驶拟人连续交互测试场景生成方法。首先建立自动驾驶拟人连续交互测试场景生成架构,并基于HighD数据集进行车辆运动行为分析;在此基础上,基于轨迹相似性特征分析被测自动驾驶汽车当前行为,并通过状态转移矩阵预测其未来轨迹;基于轨迹交互规则确定测试场景中交通车未来行为类型,通过Transform网络架构生成交通车拟人连续交互轨迹;最后,在仿真环境中对生成测试场景的危险性、拟人性等关键性能进行评估,证明了本文方法的有效性。

自动驾驶载货汽车速度轨迹模型预测跟踪控制方法

为避免车辆质量变化与道路坡度对自动驾驶载货汽车纵向车速控制的干扰,通过智能导航系统获取车辆速度轨迹及道路坡度信息,建立车辆纵向动力学模型和压缩天然气(CNG)发动机动力学模型,并基于模型预测控制(MPC)框架设计了一种实时的动态规划(DP)速度轨迹跟踪控制器。仿真结果表明,在新欧洲驾驶循环(NEDC)和全球统一轻型车辆测试循环(WLTC)工况下,该控制器在载货汽车质量变化和道路坡度干扰条件下能使车速保持稳定,并可在优化速度跟踪误差的同时降低发动机天然气消耗量。