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自動駕駛行為預(yù)測綜述

2020-07-19 14:08:59·  來源：分子運(yùn)動  
　
行為預(yù)測是指根據(jù)過去物體的運(yùn)動軌跡，預(yù)測物體將來一小段時間內(nèi)的運(yùn)動軌跡。主要包括行人軌跡預(yù)測和車輛軌跡預(yù)測。這里主要是對2014年的一篇綜述論文《a survey
行為預(yù)測是指根據(jù)過去物體的運(yùn)動軌跡，預(yù)測物體將來一小段時間內(nèi)的運(yùn)動軌跡。主要包括行人軌跡預(yù)測和車輛軌跡預(yù)測。
 
這里主要是對2014年的一篇綜述論文《a survey on motion prediction and risk assessment for intelligent vehicles》進(jìn)行分析。
為什么需要行為預(yù)測？
 
因?yàn)轭A(yù)測可以提高規(guī)劃控制的穩(wěn)定度和舒適度。以圖1為例，假設(shè)我們發(fā)現(xiàn)前面有一輛車要左轉(zhuǎn)，如果我們不預(yù)測前面車輛的意圖，我們當(dāng)前有3種選擇，第一種直行，第二種右轉(zhuǎn)，第三種左轉(zhuǎn)?？梢钥吹阶筠D(zhuǎn)是最差的選擇，直行其次，最好的選擇是右轉(zhuǎn)，可以避免緊急停車或者交通事故，而且可以提前規(guī)劃出一條比較舒適的軌跡，對自動駕駛汽車來說，可以規(guī)劃出一條容易控制的軌跡。
圖1 汽車行為預(yù)測示意圖
 
預(yù)測特點(diǎn)
知道了為什么需要行為預(yù)測，那么預(yù)測有哪些特點(diǎn)呢？
Tracking是預(yù)測的基礎(chǔ) - 前面我們介紹了大量軌跡追蹤的工作，進(jìn)行軌跡追蹤的目的就是為了軌跡預(yù)測。就好像預(yù)測股票走勢，需要通過股票的歷史軌跡來預(yù)測將來的軌跡，如果只是根據(jù)當(dāng)前的點(diǎn)位來進(jìn)行預(yù)測，極有可能會偏差很大。所以如果我們提前把物體的運(yùn)動軌跡保存起來，然后進(jìn)行分析預(yù)測，這樣就能夠大大提高預(yù)測的準(zhǔn)確性，所以說Tracking是預(yù)測的基礎(chǔ)。
預(yù)測只能預(yù)測一小段時間內(nèi)會出現(xiàn)的情況 - 由于預(yù)測都是基于概率和經(jīng)驗(yàn)的假設(shè)，而且車和車之間，車和環(huán)境之間都會相互影響，因此只要一個變量改變，那么其它的變量可能會跟著改變，因此無法預(yù)測未來很長一段時間的情況。 
問題定義
接下來我們對預(yù)測進(jìn)行問題進(jìn)行定義，把預(yù)測抽象為一個數(shù)學(xué)問題，那么什么是預(yù)測呢？
我們可以把預(yù)測的軌跡抽象為一個個點(diǎn)(xt, yt)，一直從t時刻到t+m時刻，其中有N個車，因此就有N條軌跡。下式就代表預(yù)測N個車輛從t時刻到t+m時刻的軌跡集合。
那么預(yù)測問題，就可以抽象為預(yù)測這個軌跡集合的概率分布。
 
方法分類
根據(jù)問題的定義，我們可以對自動駕駛軌跡預(yù)測的方法分為3類。
  • Physics-based motion models 物理模型
  • Maneuver-based motion models 意圖模型
  • Interaction-aware motion models 交互模型
我們先通過一張圖來了解這3種方法的區(qū)別。
圖2 3種預(yù)測模型的區(qū)別
 
可以看到物理模型只是通過車輛的運(yùn)動模型來進(jìn)行預(yù)測，沒有考慮到交通規(guī)則和其它車的交互，因此當(dāng)經(jīng)過路口的時候和行駛的車輛發(fā)生了碰撞。意圖模型理解了交通規(guī)則，在路口時停車了，并且經(jīng)過路口的時候也會對車輛進(jìn)行避讓，但是由于沒有和其它車的交互，因此可能會出現(xiàn)碰撞，也可能導(dǎo)致汽車規(guī)劃出一條很急的軌跡。最后交互模型考慮了交通規(guī)則，并且知道有車輛靠近，因此會等待直行的車輛經(jīng)過之后再左轉(zhuǎn)。
下圖是三種模型的對比，輸入的參數(shù)，挑戰(zhàn)和用到的方法。
 
下面我們逐個說明這3種模型。
Physics-based motion models 物理模型
根據(jù)汽車模型的劃分，可以分為
  • Dynamic models（動力學(xué)模型）
  • Kinematic models（運(yùn)動學(xué)模型）
因?yàn)閯恿W(xué)模型非常復(fù)雜，比較常用的是汽車運(yùn)動學(xué)模型，把汽車當(dāng)做一個剛體，根據(jù)剛體運(yùn)動預(yù)測汽車的軌跡，有3種方法。
  • Single trajectory simulation 根據(jù)運(yùn)動學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，沒有考慮不確定情況，因此不適合做長期預(yù)測。
  • Gaussian noise simulation 車輛的不確定性描述為高斯模型，通過卡爾曼濾波和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對車的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。
  • Monte Carlo simulation 蒙特卡洛模型，根據(jù)速度、加速度對可能的區(qū)域進(jìn)行采樣，生成預(yù)測路徑。
Gaussian noise simulation 車輛的不確定性描述為高斯模型，通過卡爾曼濾波和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對車的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。
Monte Carlo simulation 蒙特卡洛模型，根據(jù)速度、加速度對可能的區(qū)域進(jìn)行采樣，生成預(yù)測路徑?？梢钥吹较鄬Ω咚鼓Ｐ停商乜迥Ｐ透涌紤]到了汽車的運(yùn)動學(xué)規(guī)律，在沿著汽車當(dāng)前行駛方向的概率高，偏離軌跡的概率要低。
 
物理模型的缺點(diǎn)主要是缺乏對交通規(guī)則的理解，沒有和其它車輛的交互，當(dāng)其它車輛減速、轉(zhuǎn)彎的時候無法很好的預(yù)測。
Maneuver-based motion models 意圖模型
Prototype trajectories 原型軌跡，車的軌跡可以分為一系列的簇，每一簇對應(yīng)一個典型的運(yùn)動模式。
 
基于意圖的模型主要是分為2部分，一是對意圖進(jìn)行評估，然后再執(zhí)行。
  • Maneuver intention estimation （評估）
  • Maneuver execution（執(zhí)行）
缺點(diǎn)是對時間的定性約束，車輛非常多的情況，不能應(yīng)用到其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的道路。
Interaction-aware motion models 交互模型
主要的方法分為2類。
  • trajectory prototypes
  • Dynamic Bayesian Networks
比物理模型預(yù)測的時間更久，比基于意圖的預(yù)測更加穩(wěn)定，計(jì)算多個汽車之間的關(guān)系計(jì)算量比較大。
最后還提供了一些風(fēng)險(xiǎn)評估的方法。
RISK ASSESSMENT 風(fēng)險(xiǎn)評估
  • Risk based on colliding future trajectories
  • Binary collision prediction
  • Probabilistic collision prediction
  • Other risk indicators
  • Risk based on unexpected behavior
  • Detecting unusual events
  • Detecting conflicting maneuvers
總結(jié)
論文中提出了3種對車輛進(jìn)行軌跡預(yù)測的方法，并且對比了3種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，這篇論文寫的比較早2014年，目前state-of-art的方法是基于RNN的深度學(xué)習(xí)方法，當(dāng)然通過這篇論文我們可以了解自動駕駛軌跡預(yù)測的經(jīng)典方法，并且學(xué)習(xí)對車輛進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。
 
 
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