最近小明师兄在梳理智能驾驶系统L2及L3系统相关性能时，发现一份不错的论文，翻译给大家，一起来学习一下，论文原作者 D. Paula, T. König, M. Bauder, F. Petermeier, T. Kubjatko, H.-G. Schweiger
摘要
引言
2. 方法和材料
测试使用了一辆大众 ID.4“大众ADAS驾驶辅助系统”（首次注册时间为 2021 年 6 月，软件版本 3.3.0）和一辆特斯拉 Model 3“FSD”（首次注册时间为 2021 年 11 月，软件版本 10.2），即车道居中辅助功能。为了记录测试行驶过程中的系统行为，相应的被测车辆（VUT）配备了摄像机（GoPro Hero 8）。用胸带固定在测试驾驶员身上的摄像机拍摄 VUT 的显示屏或仪表盘，以便能够记录系统信息以及行驶速度（见图 1，a）。同时，该摄像机拍摄方向盘，以便在评估中区分系统引起的和驾驶员引起的转向动作。另一个 GoPro Hero 8 拍摄 VUT 的踏板，以便在评估中能够跟踪在主动驾驶辅助系统激活时测试驾驶员是否刹车或加速（见图 1，b）。为了跟踪测试车辆在路上的位置，还记录了其行驶轨迹。为此，在测试过程中，使用一个 GoPro Hero 8 通过紧跟在 VUT 后面的车辆的挡风玻璃拍摄 VUT 的后部（见图 1，c）。
图1：大众ID.4的摄像机设置（特斯拉Model 3类似）
为了分析行驶轨迹，除了安装在被测车辆中的摄像机外，还使用大疆御2专业版无人机从大约70米的高度以鸟瞰视角在选定的弯道进行视频录制。各个视频记录通过声音信号在“Shotcut”程序中进行同步，该声音信号在每次测试开始时通过操作被测车辆的喇叭产生。无人机录制的视频再次通过固定点与其余视频进行同步。结果，每次测试运行都创建了如图2所示的视频记录示例。除了视频记录外，在每次测试行驶过程中还记录了被测车辆的行驶速度以及横向和纵向加速度。为此，使用了来自德国卡尔斯鲁厄的2D – Debus & Diebold eßsysteme GmbH公司的2D数据记录仪测量设备，该设备可以在+/-4g的范围内测量被测量值，精度为+/-2%。该设备安装在每个测试车辆中央的挡风玻璃上，然后使用集成的水平仪进行对齐和校准。对测量值的评估基于通过“WinARace”软件从2D数据记录仪导出的csv文件。测量值与相关视频记录的同步通过一个连接到测量设备的特殊按钮进行光学同步，该按钮的操作可以在视频图像中看到。操作会产生一个测量脉冲，该脉冲可以与视频中按钮的操作在时间上同步。
图 2 同步视频记录
图 3 测试轨迹
在每次测试开始前，在停车场对测量技术进行校准、测试并激活。驾驶员在开始后激活SAE L2 级系统，以确保在所有测试运行中以100公里/小时的目标速度（vzul）到达第一个弯道。为了确保驾驶员不会影响要分析的系统行为，他不踩油门或刹车踏板。驾驶员也将手从方向盘上移开，并且仅在按照联合国欧洲经济委员会法规第79号的要求每15秒被系统提示后通过轻微转动方向盘来确认他的存在。在出现危险驾驶情况之前，驾驶员不采取任何转向或制动动作。
对特斯拉FSD和大众ADAS驾驶辅助系统都进行了四次测试运行。在一次使用特斯拉的测试运行中，由于交通流量大，测试驾驶员不得不停用FSD，因此认为对该测试系列的评估不合适。在一次使用大众ADAS驾驶辅助系统的测试运行中，2D数据记录仪没有记录任何测量数据。因此，对于特斯拉FSD和大众ADAS驾驶辅助系统，每个系统都可以对所有17个弯道中的三个测试运行进行分析和评估。
3. 结果
基于先前的计算，极限弯道半径理论上在大约260米范围内，在这个范围内大众ADAS驾驶辅助系统或特斯拉FSD应该能够在自身车道内毫无问题地通过弯道，第一步对半径r≤260米的弯道进行评估。为此，详细描述弯道11和弯道14，因为它们也代表最窄的弯道，因此是“最坏情况”的场景。基于此，解释并讨论在其他弯道中的性能。
3.1. 弯道11的评估
根据图3，半径r = 130米的弯道11是测试道路中最窄的弯道。在使用大众ADAS驾驶辅助系统通过右转弯时，在所有测试运行中都观察到车辆从自身车道向左移动到迎面而来的车道。下面按时间和位置分步骤描述并说明大众ADAS驾驶辅助系统在通过弯道11时的行为。
测试评估显示，在所有三次测试中，在到达弯道11入口之前，大众ID.4的显示屏上出现了“前方弯道80公里/小时”的信息。在第一次测试运行中，该信息在到达弯道11入口约200米处出现。此时，根据转速表，行驶速度为97公里/小时（v_tachometer），根据数据记录仪的测量值，速度约为94公里/小时（v_data_logger）。在第二次和第三次测试运行中，该信息在到达弯道11入口约180米处显示在显示屏上。此时，根据转速表，车辆速度为95公里/小时，根据数据记录仪的测量，速度约为93公里/小时。
转速表显示的速度与2D数据记录仪测量的速度之间存在2 – 3公里/小时的偏差，这是由于以下事实造成的：由于法律规定的转速表提前量以及为避免显示屏上的跳动而采取的滤波措施，转速表显示的速度通常比实际行驶速度高几公里/小时。
此外，可能预期的是，ADAS会响应“前方弯道80公里/小时”的信息自行减速，以便以该目标速度进入右侧弯道。因此，在第二步中，分析大众ID.4在道路上的位置以及相关的测量值，直到到达弯道入口点。在评估测量数据的过程中，可以确定在所有测试运行中，在出现“前方弯道80公里/小时”的信息后约3 – 4秒内，ADAS没有进行任何明显的减速。在此之后，在测试1中，系统执行了1.4 – 1.6米/秒²范围内的减速。在测试2中，系统执行了1.0 – 1.3米/秒²范围内的减速，在测试3中，系统执行了1.2 – 1.5米/秒²范围内的减速。在所有测试中，刹车输出速度根据转速表为93 – 95公里/小时，根据数据记录仪为92 – 93公里/小时。同样有趣的是，在所有测试运行中，刹车时车辆的位置几乎相同。因此，在所有测试中，在刹车后约75米或3秒，以转速表显示的85 – 87公里/小时或数据记录仪显示的82 – 84公里/小时的速度到达弯道入口区域。
基于测试车辆进入弯道时的位置，下一步是在通过弯道时分析系统。在所有三次测试运行中，可以确定几乎相同的系统行为。在这里，车辆在到达弯道入口约1.6秒或32米后越过车道标线。在这个位置，大众ID.4的转速表显示速度约为80公里/小时。数据记录仪记录的速度约为77公里/小时。
同样，在所有测试中，直到车辆越过中心线的位置，系统继续执行约1.2米/秒²范围内的纵向减速。在转弯过程中，系统执行的最大横向加速度为2.2 – 2.3米/秒²。此外，在所有测试中，在越过中心线后，可以观察到相同的系统行为。车辆在对面车道上行驶约0.6秒或约13米，横向加速度约为2.1 – 2.2米/秒²，直到显示屏上出现“立即接管转向！”的警告信息（见图4）。在此期间，车辆的纵向减速也降低到约0.4 – 0.7米/秒²。没有记录到声音警告。在车辆离开自身车道时，车辆本身也没有停用ADAS。
在所有测试中，在出现“立即接管转向！”的警告信息时，测试驾驶员立即通过转向接管控制，使车辆返回其车道，从而抑制了ADAS。
图4：大众ID.4在出现“立即接管转向！”警告时的位置
图5：大众ID.4在通过弯道11期间在道路上的位置
图6：特斯拉Model 3在测试运行1和2中的行驶轨迹
图7：在弯道顶点附近离开车道
在任何一次测试运行中都没有观察到车辆在达到系统限制时停用系统。特斯拉FSD和大众ADAS驾驶辅助系统的不同警告概念也非常值得关注。特斯拉FSD在越过车道标线前约0.6秒提示驾驶员接管方向盘，而大众ADAS驾驶辅助系统在越过车道标线后约0.6秒才警告驾驶员。此外，从图7可以看出，大众ADAS驾驶辅助系统以比特斯拉FSD更陡的角度离开自身车道。这导致大众ID.4几乎完全移动到迎面而来的车道，需要测试驾驶员进行强烈的反向转向操作。从物理角度来看，这可以解释为与特斯拉FSD相比，大众ADAS驾驶辅助系统在执行低制动减速度时没有利用可用的横向加速度ay,zul = 3 m/s²。
3.2. 弯道14的评估
为了重现弯道11（r = 130米）的测试结果，使用相同的评估程序分析了测试道路中第二窄弯道（弯道14；r = 170米）的测试运行。在通过这个右弯道时，在所有测试运行中，大众ADAS驾驶辅助系统和特斯拉FSD都使车辆从自身车道越过车道标线向左移动到迎面而来的车道。
首先，将说明并分析大众ADAS驾驶辅助系统在通过弯道时的活动。在所有三次测试中，在转速表显示的行驶速度约为83公里/小时（根据数据记录仪约为79公里/小时）时，大众ID.4的显示屏上显示“前方弯道75公里/小时”的信息。在这三次测试运行中，此时被测车辆的位置总是距离弯道入口约200米。在接下来的约5秒或约90米内，车辆最初加速到转速表约为88公里/小时（数据记录仪约为86公里/小时），然后系统启动了约0.4 m/s²范围内的轻微纵向减速。在弯道入口处，车辆相应地以约84公里/小时（转速表）或约81公里/小时（数据记录仪）的纵向速度行驶。弯道入口是根据被测车辆的行驶轨迹以及相关的横向加速度的产生来定义的。大约2.3秒后，根据转速表速度约为76 – 77公里/小时（数据记录仪约为74 – 75公里/小时），汽车离开自身车道向左并越过车道标线进入迎面而来的车道。此时，数据记录仪记录的横向加速度约为2.0 – 2.1 m/s²。
在离开自身车道进入迎面而来的车道后，在所有测试中指向右侧的横向加速度增加到约2.4 m/s²。在越过车道标线约1.0秒或12米后，“立即接管转向！”的信息出现在仪表盘的显示屏上。此时在三次测试运行中车辆的位置如图8所示。同样，既没有声音警告，车辆也没有停用ADAS。
图8：在通过弯道14时出现“立即接管转向！”警告信息时大众ID.4位置的视频记录
图9：大众ID.4在通过弯道14期间在道路上的位置
图10：在通过弯道14时出现“立即接管转向！”警告信息时特斯拉Model 3位置的视频记录
总体而言，在弯道14的测试表明，在所有测试运行中，激活的“主动驾驶辅助系统”导致车辆离开自身车道。尽管速度和制动减速度部分不同，但从测试中可以推断出，车辆总是在弯道顶点区域离开其车道。这种系统行为在弯道11中也可以重现。
可以说，根据公式1，考虑到弯道半径r = 170米以及根据联合国欧洲经济委员会法规R79，LCA系统的最大允许横向加速度（ay,zul）为3m/s²，该弯道可以以大约81公里/小时的最大速度行驶。在所有测试中，大众ADAS驾驶辅助系统在进入弯道时都达到了这个速度。
然而，在离开车道时，大众ADAS驾驶辅助系统仅执行了大约2.1m/s²的横向加速度。
大众ADAS驾驶辅助系统——就像在弯道11中一样——在通过弯道的整个时间内没有执行允许的横向加速度ay,zul = 3m/s²，这本应通过显著降低速度来补偿，但实际上并没有执行。另一方面，特斯拉FSD在离开车道时正在执行LCA系统允许的横向加速度（ay,zul）为3.0m/s²。然而，在从弯道入口到车辆离开车道的整个距离内，速度都高于弯道限速。在这种情况下，为了安全通过弯道，需要比允许的更高的横向加速度。3.3. 其余弯道的评估
除了弯道11和14之外，还分析了测试道路上所有其他弯道的测试运行中的测量值和视频。如前所述，在通过弯道11和14时，测试驾驶员总是必须覆盖并因此停用ADAS，以便能够确保安全的测试驾驶。由于到达弯道12（r = 150米）、弯道13（r = 235米）和弯道15（r = 205米）的时间序列很短，测试驾驶员无法及时重新激活系统。因此，无法记录通过弯道12、13和15的任何允许进行充分评估的测量值。
在弯道10（r = 190米）中，特斯拉FSD和大众ADAS驾驶辅助系统的行为与弯道11和14相同。应该提到的是，弯道10是一个左弯道。因此，测试驾驶员必须在即将离开车道或在弯道顶点附近向右偏离车道时执行反向转向操作，以避免离开铺砌的车道。在三次测试运行中，大众ADAS驾驶辅助系统在离开车道时以约94公里/小时的速度执行了1.8 – 1.9m/s²的最大横向加速度。特斯拉FSD在90 – 93公里/小时的速度范围内执行了2.7 – 3.0m/s²的横向加速度。在弯道限速v(ay,zul)约为86公里/小时的情况下，很明显车辆的速度对于安全通过弯道来说太高了。
右弯道8的半径测量约为260米。要以100公里/小时的速度通过该弯道，从弯道入口到弯道出口需要一个恒定的约3m/s²的横向加速度。在大众和特斯拉的所有测试运行中，都没有检测到车道偏离。大众ADAS驾驶辅助系统在弯道顶点处将速度降低到约75公里/小时，横向加速度约为2.1m/s²。特斯拉FSD将速度降低到82 – 89公里/小时的范围内，横向加速度为2.4 – 2.7m/s²。
在弯道2（r = 225米）、弯道4（r = 265米）和弯道5（r = 235米）中，在大众ADAS驾驶辅助系统的所有测试运行中都观察到了车道偏离。这可以归因于结合高速的横向加速度不足。
使用特斯拉FSD通过这三个弯道时，没有检测到偏离。正如预期的那样，由于弯道半径较大，在弯道1（r = 715米）、弯道3（r = 375米）、弯道6（r = 600米）、弯道7（r = 760米）、弯道9（r = 395米）、弯道16（r = 1275米）和弯道17（r = 370米）中，这两个系统都没有检测到车道偏离。4. 讨论和结论
进行的测试旨在提供信息，确定激活的“主动驾驶辅助系统”是否会导致车辆在没有提前停用并及时提示驾驶员立即接管转向的情况下离开自身车道。为此目的，对大众ADAS驾驶辅助系统和特斯拉FSD进行的测试清楚地表明，在半径约为130 – 190米的弯道中，车辆会离开自身车道。在检查的半径约为225 – 265米的弯道中，特斯拉FSD没有偏离自身车道。另一方面，大众ADAS驾驶辅助系统在这个半径范围内的四个弯道中有三个离开了其车道，因为与特斯拉相比，它没有充分利用3m/s²的允许横向加速度。在半径≥370米的弯道中，这两个系统都没有观察到偏离。
在弯道外侧的车道偏离是由于进入弯道时相对于LCA系统技术上允许的横向加速度而言速度过高引起的。为了在未来避免车道偏离，特别是在急弯道中，可以采取各种方法。一方面，可以增加联合国欧洲经济委员会法规R79中LCA系统可以应用的3m/s²的允许横向加速度（ay,zul）。或者，考虑可以从数字地图确定的弯道半径，主动驾驶辅助系统必须在进入弯道之前可靠地降低车辆速度，以至于在保持规定的最大横向加速度的同时，车辆可以在自身车道内安全通过弯道。此外，为了提高道路安全，在未来的认证过程中，检查在通过急弯道时的系统行为似乎是合理的。
另一方面，可以认为驾驶员必须能够随时控制自己的车辆，并且由于他必须永久执行系统监控，所以如果出现接管请求，他必须能够立即控制车辆。车辆制造商在其手册中也强调了这一点，以及特别是在急弯道中可能会出现系统限制的事实。然而，测试结果表明，对于一个技术外行来说，不可能评估前方弯道是否低于系统侧弯道极限半径的阈值。此外，根据测试结果，大众ADAS驾驶辅助系统在车辆越过车道标线进入对向车道后约0.6 – 1.0秒才在视觉上提示驾驶员接管转向。没有声音警告。对于特斯拉FSD，通常在车辆越过车道标线前约0.6秒向驾驶员发出低阈值的视觉和声音信息以接管转向，但最迟在越过车道标线时发出。然而，只有当车辆已经在迎面而来的车道中时才会给出明显可察觉的指示。考虑到驾驶员的相应反应时间，很明显，如果驾驶员仅对接管请求做出反应，则无法避免车辆离开自身车道。这也没有考虑到驾驶员在技术上有大约15秒的时间可以将手从方向盘上移开，这会进一步增加反应时间。总体而言，基于测试结果，未来的研究应该调查由于SAE L2级系统的系统限制而导致的车道偏离是否可以通过驾驶员的制动/转向操作来控制，以及如果驾驶员没有更早地收到关于可能超过系统限制的警告，是否可以避免事故。
为了确保在发生迎面而来的交通事故时，独立第三方能够完全且合法地澄清系统活动与驾驶员行为的组合，不仅必须在扩展的事件数据记录器（EDR）中存储行驶动态参数（例如横向加速度），还必须存储警告的时间和类型以及车辆在车道中的位置。为了澄清在车道偏离时是系统还是驾驶员在控制车辆，以及系统和驾驶员如何相互作用，自动驾驶数据存储系统（DSSAD）不仅应该在SAE L3 级至L5级车辆中强制使用，而且在配备SAE L2级系统的车辆中也应该强制使用。
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