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NVIDIA自動(dòng)駕駛實(shí)驗(yàn)室：安全力場(chǎng)SFF如何保護(hù)車輛不受碰撞

2019-08-08 18:47:59·  來(lái)源：英偉達(dá)NVIDIA企業(yè)解決方案  
　
安全力場(chǎng) (Safety Force Field，SFF) 是一種穩(wěn)固可靠的駕駛策略，能夠分析并預(yù)測(cè)車輛所處環(huán)境。自動(dòng)駕駛實(shí)驗(yàn)室這是NVIDIA DRIVE Labs自動(dòng)駕駛實(shí)驗(yàn)室系列視頻的第
安全力場(chǎng) (Safety Force Field，SFF) 是一種穩(wěn)固可靠的駕駛策略，能夠分析并預(yù)測(cè)車輛所處環(huán)境。


自動(dòng)駕駛實(shí)驗(yàn)室

這是NVIDIA DRIVE Labs自動(dòng)駕駛實(shí)驗(yàn)室系列視頻的第八集，在上一集中我們介紹了NVIDIA如何借助高精度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)LaneNet DNN預(yù)測(cè)車道線。在自動(dòng)駕駛實(shí)驗(yàn)室系列視頻中，我們將以工程技術(shù)為重點(diǎn)的視角關(guān)注實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛汽車的各個(gè)挑戰(zhàn)以及NVIDIA DRIVE AV軟件團(tuán)隊(duì)如何應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題。

任務(wù)：

保護(hù)車輛不受碰撞

方法：

安全力場(chǎng)(Safety Force Field，SFF)
NVIDIA安全力場(chǎng)（SFF）軟件專為避免碰撞而設(shè)計(jì)。它好比一個(gè)獨(dú)立的監(jiān)督員，對(duì)車輛主要規(guī)劃和控制系統(tǒng)的操作進(jìn)行監(jiān)督，既可以人為操作也可以自主運(yùn)行。

具體而言，SFF會(huì)對(duì)主要系統(tǒng)的控制決策進(jìn)行實(shí)時(shí)復(fù)核。如果SFF判定控制操作不安全，它將否決并糾正主要系統(tǒng)的決策。

SFF是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證且安全的。就是說(shuō)，如果所有道路參與者都遵守SFF規(guī)則，并且感知和車輛控制都在預(yù)先設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)運(yùn)行，就能通過(guò)數(shù)學(xué)的方式證明SFF可實(shí)現(xiàn)零碰撞。

安全力場(chǎng)SFF如何運(yùn)作

SFF利用來(lái)自不同類型傳感器的感知數(shù)據(jù)，計(jì)算出一個(gè)基于物理的正向仿真，其中包含周圍交通環(huán)境中所有的感知對(duì)象。

SFF通過(guò)正向計(jì)算為他們制定一個(gè)安全程序，即一條讓每個(gè)對(duì)象都能夠安全抵達(dá)目的地的軌道。例如，一個(gè)安全程序可以定義為車輛僅執(zhí)行制動(dòng)操作，另一個(gè)可以定義為車輛與交通方向保持一致進(jìn)行轉(zhuǎn)向然后制動(dòng)。

每個(gè)對(duì)象都會(huì)產(chǎn)生出一條運(yùn)動(dòng)軌跡，或者可以說(shuō)，每個(gè)對(duì)象在執(zhí)行一個(gè)安全程序時(shí)在物理層面都會(huì)占據(jù)時(shí)空中的體積，我們稱之為車輛的“所有空間”。

在物理層面上，如果不同對(duì)象的所有空間有所重疊，那么他們就有在未來(lái)某一時(shí)間同時(shí)占有相同空間的風(fēng)險(xiǎn)，即發(fā)生碰撞。當(dāng)所有空間發(fā)生重疊時(shí)，SFF會(huì)立即命令這些對(duì)象采取行動(dòng)來(lái)緩解危險(xiǎn)情形，并為每個(gè)對(duì)象計(jì)算出最佳的實(shí)時(shí)控制指令。

為了針對(duì)每個(gè)對(duì)象制定“最佳”的控制指令，SFF利用了一種叫做安全潛力的數(shù)學(xué)函數(shù)，該函數(shù)可以計(jì)算出給定情況的安全性數(shù)值。SFF針對(duì)各個(gè)對(duì)象所有空間的重疊進(jìn)行擾動(dòng)分析，以確定何種控制操作能夠避免碰撞，以及與基本的安全程序相比可以優(yōu)化到何種程度。

圖：本車的所有空間（黃色）與左轉(zhuǎn)車輛的所有空間（粉色）有所重疊，且該車輛沒(méi)有適當(dāng)為本車讓行，表明有發(fā)生碰撞的可能。本車中運(yùn)行的SFF做出了制動(dòng)決策以避免碰撞。

在所有的控制指令中，SFF選擇了制動(dòng)與轉(zhuǎn)向組合，該組合對(duì)主要系統(tǒng)所規(guī)劃的控制操作干擾最小，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)與安全程序一樣的安全性。

在運(yùn)行過(guò)程中，SFF可以將車輛轉(zhuǎn)向和制動(dòng)操作相結(jié)合。當(dāng)緊急制動(dòng)無(wú)效時(shí)，轉(zhuǎn)向操作模仿了人類駕駛員正確的直覺(jué)，這一操作可將車輛帶到避免碰撞的范圍內(nèi)。

SFF會(huì)對(duì)車輛執(zhí)行安全程序的情況進(jìn)行仿真，而不是讓其以觀察得到的速度和加速度繼續(xù)前行。這是因?yàn)榘踩绦蚴冀K由安全允許的控制操作所定義。安全程序會(huì)一直進(jìn)行正向仿真，直到場(chǎng)景中所有的對(duì)象都到達(dá)既定目的地。至此，SFF可以保證不會(huì)發(fā)生任何碰撞。

縱向橫向因素均需考慮

SFF正向仿真和碰撞核查是通過(guò)GPU計(jì)算加速在三維時(shí)間空間內(nèi)進(jìn)行的。SFF并沒(méi)有將這些操作根據(jù)縱向和橫向進(jìn)行拆解，而是在3D的環(huán)境下運(yùn)行，這就需要更高的計(jì)算能力。

綜合考慮縱向和橫向的因素是至關(guān)重要的。因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)世界的交通環(huán)境中，很多操作既不屬于完全的縱向也不屬于完全的橫向，綜合考慮可以讓駕駛變得更加安全（例如在擁擠的交通環(huán)境中變道）。

此外，在一些特定的實(shí)際場(chǎng)景中，比如缺少車道線標(biāo)記和在停車場(chǎng)駕駛的情況下，我們甚至很難分辨出哪個(gè)方向?yàn)榭v向。SFF獨(dú)特的地方之一就在于它能夠輕松處理這些復(fù)雜的駕駛場(chǎng)景。

針對(duì)車上的實(shí)際應(yīng)用，SFF還設(shè)定了安全程序預(yù)留空間。因?yàn)榭紤]到現(xiàn)實(shí)世界的反應(yīng)時(shí)間，以及其他自動(dòng)駕駛車輛軟件組件和子系統(tǒng)可能帶來(lái)的缺陷和延遲。
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