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自動駕駛L4級安全駕駛控制策略

2020-07-07 12:45:13·  來源：焉知自動駕駛  作者：Aimee  
　
根據(jù)SAE分級標準，從駕駛輔助系統(tǒng)到有限自動駕駛，再到完全的無人駕駛系統(tǒng)主要分為5個標準等級，當前已有相當一部分主機廠量產(chǎn)了L2級輔助駕駛功能，該功能主要應(yīng)
根據(jù)SAE分級標準，從駕駛輔助系統(tǒng)到有限自動駕駛，再到完全的無人駕駛系統(tǒng)主要分為5個標準等級，當前已有相當一部分主機廠量產(chǎn)了L2級輔助駕駛功能，該功能主要應(yīng)用在輔助駕駛員進行駕駛的場合，這些場合下駕駛員承擔(dān)所有大部分駕駛?cè)蝿?wù)，且對駕駛安全抱有絕對的控制主權(quán)和責(zé)任。
 
而針對L3級自動駕駛而言，我們稱之為有條件自動駕駛或有限自動駕駛，SAE標準對自動駕駛的等級說明，并沒有直接規(guī)定“能實現(xiàn)何種功能就是為自動駕駛L3”。而在事實定義中，我們要求的L3級自動駕駛一定是在系統(tǒng)所定義的設(shè)計運行范圍ODD內(nèi)部的，且即便是在ODD內(nèi)部，當出現(xiàn)系統(tǒng)無法及時解決的突發(fā)狀況時，駕駛員仍舊需要從系統(tǒng)控制中重新拿回主動權(quán)，對車輛安全進行負責(zé)。
 
而針對L4級以上的自動駕駛系統(tǒng)而言，其駕駛?cè)蝿?wù)已經(jīng)得到很明確的區(qū)分，雖然對于駕駛環(huán)境仍舊定義了設(shè)計運行范圍ODD，但是，要求系統(tǒng)在其ODD內(nèi)部的所有駕駛?cè)蝿?wù)都由系統(tǒng)承擔(dān)，且系統(tǒng)需要處理駕駛過程中可能出現(xiàn)的所有突發(fā)狀況，為此，從L2到L3再到L4級的系統(tǒng)需求上將發(fā)生本質(zhì)上的變化，具體主要有如下一些不同的駕駛策略升級。
考慮因素、對比項、SAE分級
駕駛輔助系統(tǒng)
（L1-L2）
有限自動駕駛L3
自動駕駛L4
駕駛環(huán)境ODD
無嚴苛的駕駛環(huán)境要求；
1）高速公路、城市快速路（避開施工區(qū)、匝道、收費站、并道、應(yīng)急車道、專用車道、缺口道路）；2）有區(qū)分對向車流的中央隔離帶；3）車道線清晰；4）單向至少兩車道；5）車道寬度、半徑、坡度滿足要求；6）無交通燈
1）L4駕駛環(huán)境可以是在L3基礎(chǔ)上進一步限定更為嚴苛記得駕駛環(huán)境要求（該要求應(yīng)該充分考慮對于L4級車輛傳感器的探側(cè)局限與處理器的處理極限）；2）也可以是系統(tǒng)自定義相關(guān)的封閉道路環(huán)境。前者需要更為精準且實時性高的高精地圖，后者需要路端檢測支持車端。
駕駛員狀態(tài)DMS
要求駕駛員精力集中，不可出現(xiàn)疲勞、注意力分散現(xiàn)象
1）ODD內(nèi)，駕駛員可適當脫手脫眼，但駕駛員精力需要保證在接受系統(tǒng)報警后手腳隨時接管控制車輛；2）ODD外，駕駛員只可以按照L2級駕駛輔助策略進行自動駕駛
1）ODD內(nèi)，駕駛員可完全脫手脫眼，駕駛主體完全由系統(tǒng)承擔(dān)；2）ODD外，重新確認是否滿足L3級自動駕駛條件，滿足則降級為L3，否則降級至L2級輔助駕駛；
高精地圖需求HPP
無高精地圖需求
高精地圖精確定義ODD
1）高精地圖精確定義ODD；2）車路協(xié)同輔助優(yōu)化。
 
對于自動駕駛分級標準來說，L3級以上的自動駕駛稱為有限自動駕駛，也就是在設(shè)定的運行范圍內(nèi)，自動駕駛系統(tǒng)控制車輛期間，基本上駕駛員可以不用看向前方。但是，當系統(tǒng)呼叫駕駛員進行判斷操作時，駕駛員必須要做出應(yīng)對動作。也就是說，在這個等級下，實際上駕駛員還是必須時刻保持警惕，隨時取回車輛控制權(quán)的。由此可見，L3僅僅是一個定義罷了。L3的本質(zhì)是“一種無法定義為安全的系統(tǒng)”。這里所說的“安全”，可能是在技術(shù)上無法實現(xiàn)，或者在現(xiàn)實行駛狀態(tài)下無法判定是否“安全”。
比如，在駕駛過程中陷入困境，并且需要在高速公路上有相應(yīng)的反饋和措施。在這種情況下，汽車需要明確判斷保持什么樣的狀態(tài)才是安全的。是否立馬停車就安全了呢？答案是“不一定”，在路邊停車不一定安全。
這也是目前很多主機廠放棄實現(xiàn)L3級自動駕駛（如奧迪），轉(zhuǎn)而去開發(fā)L4級自動駕駛的原因。那么問題來了，對于L4級來說又如何保證駕駛安全性呢？
對于L4級自動駕駛來講，最為重要的是實現(xiàn)ODD的準確定義，并能在所定義的ODD范圍內(nèi)實現(xiàn)有效的自動駕駛系統(tǒng)算法開發(fā)。從開發(fā)層面講，這里需要注意兩點：
1）開發(fā)算法是否覆蓋了所有可能的用戶使用場景UseCase？
2）軟硬件測試、系統(tǒng)功能測試是否覆蓋了所有的測試案例？
這里需要劃分出兩個重要的因素：高精地圖和車路協(xié)同技術(shù)。
 
高精度地圖定義ODD
名稱
內(nèi)容
對自動駕駛的作用詳述
位置信息
經(jīng)緯度, WGS84, 輸出：20HZ
定位車輛在世界坐標系中的絕對橫縱向位置、航向角等信息，該信息用于評估車輛當前行駛在道路的何種位置；
水平定位誤差
海拔,100米精度
航向
橫向定位
縱向定位
置信度
道路信息
道路類型
輸出道路類型包括虛線、實線信息，用于變道可行性確認
限速
用于對車輛縱向速度進行限速控制；
限高
用于對特殊類型車輛在路徑規(guī)劃時進行有效的規(guī)劃控制
施工道路
1）用于定義對危險情況的提前處理，此時系統(tǒng)不報接管，而是采取換道，減速等措施避免碰撞事故。
2）用于對該路段排除在ODD設(shè)計范圍外的處理邏輯，對于L4來說，在設(shè)計ODD范圍時，可以直接將施工路段排除在設(shè)計運行范圍外，這樣當車輛駛?cè)胧┕ぢ范螘r，直接退出L4自動駕駛控制，并報立即接管；
車道變化
如并道或二叉路，系統(tǒng)需要在接收到相應(yīng)信號時，提前進行變道控制；
交通燈
在L4自動駕駛設(shè)計過程中，如果是應(yīng)用于城市或城間道路，則必須提前預(yù)知交通燈信息，這是很多傳感器探測范圍內(nèi)無法及時探測到的；
間斷的護欄
該信號用于及時告知系統(tǒng)當前道路處于ODD范圍外，系統(tǒng)此時降級為輔助駕駛1級ACC控制車輛縱向，并報橫向立即接管。
收費站
用于對該路段排除在ODD設(shè)計范圍外的處理邏輯，對于L4來說，在設(shè)計ODD范圍時，可以直接將收費站前一定距離處排除在設(shè)計運行范圍外，這樣當車輛即將駛?cè)胧召M站時，直接退出L4自動駕駛控制，并報立即接管；此時系統(tǒng)也可直接控制減速行駛至收費站范圍內(nèi)停車。
車道數(shù)
該信息一般不用，不過在特殊導(dǎo)航下匝道時，車道數(shù)用于判定當前車輛駕駛過程中需要下匝道時，需要變道的車道數(shù)量
道路邊沿
用于輔助本車進行對中控制
車道信息
車道類型
用于對變道、限速可行性的控制判斷，如應(yīng)急車道不允許自動變道，匝道需要提前限速等；
車道編號
與車道數(shù)作用一致，兩者配合使用
車道線
車道線一般是以回旋曲線方程表示，用于系統(tǒng)根據(jù)其進行車輛對中及換道控制；
車道線類型
用于對換道可行性判斷，如虛線允許變道，實線不許變道；
車道寬度
用于對車輛對中或換道可行性判斷
車道曲率
用于對車輛對中或換道可行性判斷
車道縱坡度
用于對車輛縱向加減速精準控制，特別是對于定速巡航控制偏差可以起到很好的控制判斷作用
車道橫坡
用于對車輛向心力來說，橫向坡度可以輔助進行甩尾控制
車道限速
用于對對中及換道過程中系統(tǒng)根據(jù)本車在車道內(nèi)的限速信息進行自動限速；
車道級導(dǎo)航信息
路徑規(guī)劃數(shù)
從高精地圖角度發(fā)出的規(guī)劃目標路徑條數(shù)
規(guī)劃路徑
自動駕駛規(guī)劃的所有路徑用于后續(xù)運動規(guī)劃決策控制
目標車道號
用于導(dǎo)航作用下的換道控制規(guī)劃
換道提示
用于在導(dǎo)航路徑下提前一定距離對駕駛員是否換道進行提示，自動駕駛系統(tǒng)一般是在該提示后開始進行自動變道
路徑距離
該距離顯示了相應(yīng)規(guī)劃路徑的長度、遠近
相對定位位置
橫向定位，距離車道線左右距離
用于對車身姿態(tài)在本車道內(nèi)的判定，作用于對中和換道可實現(xiàn)更為精準的橫向偏差控制；
縱向定位，車身原點相對于道路類型變化交界點的距離
該距離保證自動駕駛可以提前在道路類型變化點前做出安全的換道反應(yīng)，對于自動駕駛換道控制安全性起著決定性作用
置信度
由于傳感器也在同時檢測橫向及縱向定位結(jié)果，置信度可以很好的表示出高精地圖檢測的準確性，只有在高置信度的情況下，探測結(jié)果才能用于自動駕駛控制；
對于高精度地圖定義的自動駕駛ODD需求主要包括了如下可用信息：
 
車路協(xié)同優(yōu)化測試驗證
在實現(xiàn)自動駕駛的過程中，僅靠單車的智能，很多典型的駕駛場景是無法滿足安全駕駛需求的。因此利用智慧道路上的傳感器感知、邊緣云計算、V2X/5G通訊等車路協(xié)同能力，參與自動駕駛車輛的行駛控制。這就使得路端信息的加入是一個必需的過程，車路協(xié)同主要涉及車端、路側(cè)端和云端三個端口，通過統(tǒng)籌車、路、人以及實時交通的動態(tài)信息，從而實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通。
 
自動駕駛功能如果在車路協(xié)同下，道路也擁有自己的傳感器，會怎樣呢？
其一，感知范圍擴大：比如智能感知基站，由于其位于高處，擁有比單車傳感器更開闊的視角，感知范圍更大，與單車傳感器結(jié)合起來能夠有效避免感知盲區(qū)。
其二，感知性能提升：靜止的道路傳感器不存在多普勒頻移等因素干擾，其感知能力會比動態(tài)的車載傳感器更優(yōu)，在感知精度上也有一定的優(yōu)勢。
其三，車路聯(lián)合對話提升環(huán)境判斷能力：另一方面車輛協(xié)同運作會存在車輛之間溝通，也能夠有效避免事故發(fā)生，所以車路協(xié)同能夠提升自動駕駛汽車的安全性。
自動駕駛汽車涉及人和車、車和車、車和路之間的默契配合?？紤]道路智能化，把智能設(shè)備安置在道路上，通過通信網(wǎng)絡(luò)，感知到的數(shù)據(jù)可以共享給周邊更多車輛，這樣將大幅減少設(shè)備需求數(shù)量、降低成本，使車路更好的協(xié)同。
 
總結(jié)
 
L3的本質(zhì)是不能實現(xiàn)和定義安全，且不能對安全的狀態(tài)負責(zé)，L4的本質(zhì)就在于假設(shè)駕駛員可以完全不干預(yù)汽車的控制，此狀態(tài)下的L4則可以通過上述提到的定義精準ODD及車路協(xié)同技術(shù)來定義保證安全。由于L4的目的是最終實現(xiàn)不需要駕駛員控制，那就必須要落實汽車的安全狀態(tài)，堅固而又安全的高精度地圖定位結(jié)合傳感器識別，車路協(xié)同技術(shù)便是自動駕駛工程師不懈努力所要實現(xiàn)的結(jié)果。
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