CN111144015A - 一种自动驾驶汽车虚拟场景库构建方法 - Google Patents

一种自动驾驶汽车虚拟场景库构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自动驾驶汽车虚拟场景库构建方法，包括数据采集、数据提取、数据清洗、标注场景要素、形成数据集、确定最佳k值、确定聚类初始中心、获得逻辑场景、构建虚拟场景库等步骤，本发明为自动驾驶虚拟场景库的构建提供了理论依据和技术支持，该方法操作简便，可提供大量不同要求的测试目标场景环境，用于测试自动驾驶系统在虚拟场景下的安全性，代替实车在实际环境中的测试，节约大量成本，而且测试效率更高，可重复性更强，并且可以模拟各种不同要求的场景，能够加快自动驾驶汽车的研发，从而促进自动驾驶汽车快速、安全上路。

Description

一种自动驾驶汽车虚拟场景库构建方法
技术领域
本发明涉及自动驾驶汽车虚拟仿真测试领域，特别涉及一种自动驾驶汽车虚拟场景库构建方法。
背景技术
近年来，越来越多传统车企和新兴科技公司投身自动驾驶汽车的研发中，多家企业的自动驾驶汽车已经开始在道路上进行测试。根据兰德公司的研究报告，要证明自动驾驶汽车的安全性，需要进行约50亿英里的公共道路测试，也就是采用100辆车组成的车队每年365天每天24小时不间断的以25英里每小时的平均速度进行测试，大概需要225年。
因此，若想要加速自动驾驶汽车快速、安全上路，需要在自动驾驶汽车测试评价方法上有所创新。基于场景的自动驾驶汽车虚拟仿真测试测试成本低、测试效率高、可重复性强且测试场景数量多，是未来自动驾驶汽车测试的重要手段。但基于场景的自动驾驶汽车虚拟仿真测试行业还刚刚起步，对于虚拟场景库的构建缺乏系统的理论研究与支撑。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供一种基于自然驾驶数据的统计分析，通过无监督学习的方法聚类获得逻辑场景数据，并于PreScan软件中构建虚拟场景库的自动驾驶汽车虚拟场景库构建方法，包括以下步骤：
步骤1，在采集数据的车辆上搭建数据采集系统，系统包括视频数据采集模块、车辆运动参数采集模块、周围环境信息采集模块和数据存储模块，所述的视频数据采集模块、车辆运动参数采集模块、周围环境信息采集模块分别与数据存储模块相连，采集到的自然驾驶数据保存于数据存储模块；
所述的视频数据采集模块为单目相机，用以采集行驶过程中的前向驾驶场景视频数据；车辆运动参数采集模块为CAN总线分析仪，用以采集行驶过程中的车辆运动参数数据；周围环境信息采集模块为毫米波雷达，用以采集行驶过程中周围环境信息数据。
步骤2，确定目标场景，从数据存储模块中人工选取目标场景的相关视频数据，并提取该目标场景时间段内对应的CAN总线采集的车辆运动参数数据、毫米波雷达采集的周围环境信息数据。
步骤3，对筛选的目标场景数据进行数据清洗，包括清除数据冗余、删除缺失数据、数据修复；
在数据清洗过程中，应在满足数据质量的前提下，保证清洗代价最小，其中所述的数据修复，包括关键信息的人工补全和按照数据的统计学规律进行修复，其清洗代价为：
Figure BDA0002345409620000021
Figure BDA0002345409620000022
式中，t为单一数据元组；ω(t)为数据元组t在所有数据元组中所占的比重；I为所有数据元组的总和；Distance(tA，t′A)为要素tA与修复后的t′A之间的距离。
步骤4，标注场景要素，将场景要素分类，包括主车车辆信息、交通参与者信息、道路环境信息、自然环境信息；主车车辆信息包括主车基础信息、主车目标信息、主车驾驶行为中的一种或数种，交通参与者信息包括行人信息、非机动车信息、机动车信息中的一种或数种，道路环境信息包括静态道路信息、动态道路信息中的一种或数种，自然环境信息包括光照、天气中的一种或数种；
对各场景要素中的连续变量和分类变量进行编码量化，连续变量的数值范围最小值取0，最大值取1，其余等比例映射在0～1范围内，例如车辆相对距离的量化：最小值取0，最大值取1，其余等比例映射在0～1范围内；分类变量的数值范围量化为0和1，例如变道切入场景下的分类变量切入方向：左侧切入取0，右侧切入取1；
将具体场景要素的量化数值整理到txt文档中，行代表目标场景样本个数，行中的每位数值代表具体的场景要素信息，从而形成目标场景数据集。
步骤5，利用k均值聚类算法进行初次聚类，依次选取k值为2、3、4、5、6、7、8、9；根据不同k值情况下的聚类结果，计算相应的误差平方和SSE取值，误差平方和SSE的计算公式为：
Figure BDA0002345409620000031
公式中，Ci为第i个类；P为Ci的样本点；mi为Ci中所有样本的均值，即质心；
利用误差平方和SSE与k值的关系确定数据的真实聚类数即最佳k值：其中SSE与k值的关系为：随着聚类数k的增大，样本划分会更加精细，每个簇的聚合程度会逐渐提高，SSE会逐渐变小，而且当k小于真实聚类数时，由于k值的增大会大幅增加每个簇的聚合程度，因此SSE的下降幅度较大，当k值到达真实聚类数时，再增加k值所得到的聚合程度会迅速变小，因此SSE的下降幅度会骤减，所以SSE和k值的关系图是一个手肘的形状，而这个肘部拐点处对应的k值就是数据的真实聚类数即最佳k值。
步骤6，利用层次聚类法对目标场景数据进行聚类，得到步骤5所确定的最佳k值个类时停止，类与类之间的距离使用的是类平均法进行计算，其聚类计算公式为：
Figure BDA0002345409620000041
式中，Gp、Gq分别为第p个类和第q个类；np、nq分别为Gp、Gq类中的样本个数；dij为样本xi与xj之间的距离；Dpq为类与类之间的平均距离；
然后从每个类中选取一个与中心距离最近的点，得到k个聚类中心；
步骤7，再次使用k均值聚类算法进行聚类，其中k值为步骤5求得的最佳k值，以步骤6确定的k个聚类中心为初始中心，利用k均值聚类算法对目标场景数据进行聚类，从而获得k个抽象目标场景类，即k个逻辑场景；
步骤8，根据聚类所得k个逻辑场景，确定显著性场景要素及其数据取值，利用虚拟仿真测试软件PreScan中的场景元素模块构建k个虚拟场景，从而形成目标场景的虚拟场景库。
同时PreScan软件可与MATLAB/Simulink软件联合仿真，进而测试与评价自动驾驶系统在各目标场景库下的性能与安全性。
本发明的有益效果：
本发明在采集自然驾驶数据并进行聚类分析的基础上，提出了一种面向自动驾驶汽车虚拟仿真测试的虚拟场景库构建方法，从而为自动驾驶虚拟场景库的构建提供了理论依据和技术支持。该虚拟场景库构建方法操作简便，可提供大量不同要求的测试目标场景环境，用于测试自动驾驶系统在虚拟场景下的安全性，代替实车在实际环境中的测试，节约大量成本，而且测试效率更高，可重复性更强，并且可以模拟各种不同要求的场景，能够加快自动驾驶汽车的研发，从而促进自动驾驶汽车快速、安全上路。
附图说明
图1为本发明实施例自动驾驶汽车虚拟场景库构建方法流程图；
图2为本发明实施例场景要素示意图。
具体实施方式
请参阅图1、2所示：本实施例利用本发明所述方法构建自动驾驶汽车变道切入虚拟场景库，具体步骤如下：
步骤1，将单目相机、CAN总线分析仪和毫米波雷达安装于采集数据的实验车辆上，用于采集行驶过程中的自然驾驶数据，其中单目相机用于采集前向驾驶场景视频数据，CAN总线分析仪用于采集车辆运动参数数据，毫米波雷达用于采集相对车速和相对距离等数据，最后将数据保存于数据存储模块。
步骤2，本实施例的目标场景为变道切入场景，将变道切入场景定义为从前方切入车辆有转向行为开始，直至该切入车辆质心位置位于主车所在车道中轴线为止；在自然驾驶数据采集完成后，根据场景定义对数据进行筛选：人工截取变道切入场景视频数据，并提取相应时间段内的CAN总线数据和毫米波雷达数据，形成变道切入场景的自然驾驶数据。
步骤3，对筛选的目标场景数据进行数据清洗，包括清除数据冗余、删除缺失数据、数据修复；
在数据清洗过程中，应在满足数据质量的前提下，保证清洗代价最小，其中所述的数据修复，包括关键信息的人工补全和按照数据的统计学规律进行修复，其清洗代价为：
Figure BDA0002345409620000051
Figure BDA0002345409620000052
式中，t为单一数据元组；ω(t)为数据元组t在所有数据元组中所占的比重；I为所有数据元组的总和；Distance(tA，t′A)为要素tA与修复后的t′A之间的距离。
步骤4，标注场景要素，因目标场景为变道切入场景，其场景要素主要包括三方面：主车车辆信息、切入车辆信息以及自然环境信息，其中主车车辆信息包括主车基础要素，所述的主车基础要素包括主车车速、相对车速、相对距离、车头时距；切入车辆信息包括切入车辆类型和切入方向，所述的车辆类型包括轿车、SUV及MPV、公交车、卡车，所述的切入方向包括左侧切入、右侧切入；自然环境信息包括光照和天气；所述的光照包括白天、黑夜，天气包括雨、雪、雾等；
对场景要素中的连续变量和分类变量进行编码量化，将其出现的数值范围等比列映射到0～1范围内，如表1所示，进而整理成相应的目标场景数据集，其中车头时距(TimeHeadway)的计算公式为：
Figure BDA0002345409620000061
式中，Thw为车头时距；D为主车与切入车辆的相对距离；Vs为本车车速；
表1场景要素量化参照表
Figure BDA0002345409620000062
Figure BDA0002345409620000071
步骤5，k值依次选取为2、3、4、5、6、7、8、9，利用k均值算法进行初次聚类，对每一个k值进行聚类并求得相应误差平方和SSE，进而利用SSE与k值的关系确定最佳k值：随着聚类数k的增大，样本划分会更加精细，每个簇的聚合程度会逐渐提高，SSE会逐渐变小，当k小于真实聚类数时，由于k值的增大会大幅增加每个簇的聚合程度，因此SSE的下降幅度会很大，而当k值到达真实聚类数时，再增加k值所得到的聚合程度会迅速变小，所以SSE的下降幅度会骤减，也就是说SSE和k值的关系图是一个手肘的形状，而这个肘部拐点对应的k值就是数据的真实聚类数即最佳k值，其中SSE的计算公式为：
Figure BDA0002345409620000072
式中，Ci为第i个类；P为Ci的样本点；mi为Ci中所有样本的均值，即质心。
步骤6，对于k均值算法，k值与初始中心的选取十分重要，因此在最佳k值确定后，还应求取k个初始中心。采用层次聚类法对目标场景数据进行聚类来确定初始中心，类与类之间的距离使用的是类平均法进行计算，当得到最佳k值个类时停止，然后从每个类中选取一个与中心距离最近的点作为k均值算法的初始中心，其中类平均法使用的聚类计算公式为：
Figure BDA0002345409620000073
式中，Gp、Gq分别为第p个类和第q个类；np、nq分别为Gp、Gq类中的样本个数；dij为样本xi与xj之间的距离；Dpq为类与类之间的平均距离。
步骤7，利用步骤5求得的最佳k值和步骤6确定的k个初始中心，再次使用k均值聚类算法对变道切入场景数据集进行聚类，得到k个抽象的变道切入场景类，即k个变道切入逻辑场景。
步骤8，根据聚类所得k个逻辑场景，确定显著性场景要素及其数据取值，利用虚拟仿真测试软件PreScan中的场景元素模块构建k个虚拟场景，从而形成变道切入虚拟场景的虚拟场景库。
同时PreScan软件可与MATLAB/Simulink软件联合仿真，进而测试与评价自动驾驶系统在变道切入虚拟场景库下的性能与安全性。

Claims (8)

1.一种自动驾驶汽车虚拟场景库构建方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，在采集数据的车辆上搭建数据采集系统，系统包括视频数据采集模块、车辆运动参数采集模块、周围环境信息采集模块和数据存储模块，所述的视频数据采集模块、车辆运动参数采集模块、周围环境信息采集模块分别与数据存储模块相连，采集到的自然驾驶数据保存于数据存储模块；
步骤2，确定目标场景，从数据存储模块中选取目标场景的相关视频数据，并提取该目标场景时间段内对应的车辆运动参数数据、周围环境信息数据；
步骤3，对筛选的目标场景数据进行数据清洗，包括清除数据冗余、删除缺失数据、数据修复；
步骤4，标注场景要素，将场景要素分类，编码量化各场景要素中的具体参数，形成相应的目标场景数据集；
步骤5，利用k均值聚类算法进行初次聚类；根据不同k值情况下的聚类结果，计算相应的误差平方和SSE取值，利用误差平方和SSE与k值的关系确定数据的真实聚类数即最佳k值；
步骤6，利用层次聚类法对目标场景数据进行聚类，得到步骤5所确定的最佳k值个类时停止，然后从每个类中选取一个与中心距离最近的点，得到k个聚类中心；
步骤7，再次使用k均值聚类算法进行聚类，其中k值为步骤5求得的最佳k值，初始中心为步骤6确定的k个聚类中心，对目标场景数据进行聚类，从而获得k个抽象目标场景类，即k个逻辑场景；
步骤8，根据聚类所得k个逻辑场景，确定显著性场景要素及其数据取值，利用虚拟仿真测试软件构建k个虚拟场景，从而形成目标场景的虚拟场景库。
2.根据权利要求1所述的一种自动驾驶汽车虚拟场景库构建方法，其特征在于：步骤1中视频数据采集模块为单目相机；车辆运动参数采集模块为CAN总线分析仪；周围环境信息采集模块为毫米波雷达。
3.根据权利要求1所述的一种自动驾驶汽车虚拟场景库构建方法，其特征在于：步骤3在数据清洗过程中，应在满足数据质量的前提下，保证清洗代价最小，其中所述的数据修复，包括关键信息的人工补全和按照数据的统计学规律进行修复，其清洗代价为：
Figure FDA0002345409610000021
Figure FDA0002345409610000022
式中，t为单一数据元组；ω(t)为数据元组t在所有数据元组中所占的比重；I为所有数据元组的总和；Distance(tA，t′A)为要素tA与修复后的t′A之间的距离。
4.根据权利要求1所述的一种自动驾驶汽车虚拟场景库构建方法，其特征在于：步骤4标注场景要素时，场景要素分类包括主车车辆信息、交通参与者信息、道路环境信息、自然环境信息；主车车辆信息包括主车基础信息、主车目标信息、主车驾驶行为中的一种或数种，交通参与者信息包括行人信息、非机动车信息、机动车信息中的一种或数种，道路环境信息包括静态道路信息、动态道路信息中的一种或数种，自然环境信息包括光照、天气中的一种或数种。
5.根据权利要求4所述的一种自动驾驶汽车虚拟场景库构建方法，其特征在于：对各场景要素中的连续变量和分类变量进行编码量化，连续变量的数值范围最小值取0，最大值取1，其余等比例映射在0～1范围内；分类变量的数值范围量化为0和1；将具体场景要素的量化数值整理到文档中，行代表目标场景样本个数，行中的每位数值代表具体的场景要素信息，从而形成目标场景数据集。
6.根据权利要求1所述的一种自动驾驶汽车虚拟场景库构建方法，其特征在于：步骤5中依次选取k值为2、3、4、5、6、7、8、9利用k均值算法进行初次聚类；所述的误差平方和SSE的计算公式为：
Figure FDA0002345409610000031
公式中，Ci为第i个类；P为Ci的样本点；mi为Ci中所有样本的均值，即质心；其中SSE与k值的关系为：随着聚类数k的增大，SSE会逐渐变小，而且当k小于真实聚类数时，SSE的下降幅度较大，当k值到达真实聚类数时，再增加k值SSE的下降幅度会骤减，所以SSE拐点处对应的k值就是数据的真实聚类数即最佳k值。
7.根据权利要求1所述的一种自动驾驶汽车虚拟场景库构建方法，其特征在于：步骤6，采用层次聚类法对目标场景数据集进行聚类过程中，类与类之间的距离使用的是类平均法进行计算，其聚类计算公式为：
Figure FDA0002345409610000032
式中，Gp、Gq分别为第p个类和第q个类；np、nq分别为Gp、Gq类中的样本个数；dij为样本xi与xj之间的距离；Dpq为类与类之间的平均距离。
8.根据权利要求1所述的一种自动驾驶汽车虚拟场景库构建方法，其特征在于：步骤8利用虚拟仿真测试软件PreScan中的场景元素模块构建虚拟场景。
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