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DE102022107338B3 - Method for testing automated vehicle functions - Google Patents

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DE102022107338B3
DE102022107338B3 DE102022107338.6A DE102022107338A DE102022107338B3 DE 102022107338 B3 DE102022107338 B3 DE 102022107338B3 DE 102022107338 A DE102022107338 A DE 102022107338A DE 102022107338 B3 DE102022107338 B3 DE 102022107338B3
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
scenario
testing
specific
model
vehicle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102022107338.6A
Other languages
German (de)
Inventor
Max Winkelmann
Mike Hartrumpf
David Seidel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Original Assignee
IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M17/00Testing of vehicles
    • G01M17/007Wheeled or endless-tracked vehicles
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10Geometric CAD
    • G06F30/15Vehicle, aircraft or watercraft design
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
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    • G06F30/20Design optimisation, verification or simulation
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    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
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Abstract

Verfahren zum Testen automatisierter Fahrfunktionen, das kritische szenariospezifische Parameterkombinationen mithilfe einer performanten, skalierbaren Testumgebung ermittelt und diese gezielt einer komplexen, vertrauenswürdigen Testumgebung zuführt, um auf Basis des dabei ermittelten Risikos über eine Freigabe der automatisierten Fahrfunktion entscheiden zu können.

Figure DE102022107338B3_0000
Method for testing automated driving functions, which determines critical scenario-specific parameter combinations using a high-performance, scalable test environment and feeds them to a complex, trustworthy test environment in order to be able to decide on the release of the automated driving function based on the risk determined.
Figure DE102022107338B3_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen von automatisierten Fahr- bzw. Fahrzeugfunktionen, wie Fahrerassistenzsysteme bzw. deren Funktionen, durch Verknüpfung der Ergebnisse unterschiedlicher Testumgebungen.The invention relates to a method for testing automated driving or vehicle functions, such as driver assistance systems or their functions, by linking the results of different test environments.

Stand der TechnikState of the art

Das Versprechen der gesteigerten Sicherheit im Verkehr ist ein großer Motivator für die Entwicklung automatisierter Fahrfunktionen bis hin zu autonomen Fahrzeugen. Nachzuweisen, dass automatisierte Fahrfunktionen mindestens so sicher sind wie ein menschlicher Fahrer, bleibt eine Herausforderung. Dabei stellt sich die Frage, ob das Testen dieser Funktionen rein virtuell erfolgen soll, was eine große Anzahl von Tests in vollständig kontrollierbarer Umgebung ermöglicht. Reale Feldversuche sind demgegenüber sehr aufwändig und nicht in der gleichen Anzahl durchführbar. Beide Methoden haben Vor- und Nachteile, weshalb die Kombination beider Methoden sinnvoll erscheint.The promise of increased safety in traffic is a major motivator for the development of automated driving functions through to autonomous vehicles. Proving that automated driving functions are at least as safe as a human driver remains a challenge. The question arises as to whether the testing of these functions should be purely virtual, which allows for a large number of tests in a fully controllable environment. Real field tests, on the other hand, are very complex and cannot be carried out in the same number. Both methods have advantages and disadvantages, which is why the combination of both methods makes sense.

ISO 21448 fordert die Definition expliziter Freigabekriterien, um das von automatisierten Fahrfunktionen ausgehende Risiko zu adressieren. Ein gesellschaftlich anerkanntes Freigabekriterium ist, dass die automatisierte Fahrzeugfunktion nicht mehr tödliche Unfälle hervorruft als ein menschlich geführtes Fahrzeug. Dies zu erfüllen, bedarf der Schätzung der Rate tödlicher Unfälle, die die automatisierte Fahrzeugfunktion hervorruft, was nicht trivial ist.ISO 21448 requires the definition of explicit release criteria to address the risk posed by automated driving functions. A socially recognized release criterion is that the automated vehicle function does not cause more fatal accidents than a human-driven vehicle. Fulfilling this requires estimating the rate of fatal accidents caused by the automated vehicle function, which is non-trivial.

Da Unfälle eher selten auftreten, wären zum Nachweis oben genannten Kriteriums mittels realer Fahrversuche mehrere Millionen Testkilometer zu absolvieren, um statistische Repräsentativität zu erreichen. Ein weiterer Nachteil realer Fahrversuche im Straßenverkehr ist die stark eingeschränkte Kontrolle über Rahmenbedingungen, wie Wetter, die Anzahl anderer Verkehrsteilnehmer sowie das konkret zu testende Szenario. Dabei besteht auch immer das Risiko, andere Verkehrsteilnehmer zu gefährden.Since accidents occur rather seldom, several million test kilometers would have to be completed in real driving tests in order to achieve statistical representativeness. Another disadvantage of real driving tests in road traffic is the very limited control over general conditions, such as the weather, the number of other road users and the specific scenario to be tested. There is always a risk of endangering other road users.

Für das Testen dieser Systeme wird oftmals das sogenannte szenarienbasierte Testen angewendet, um die Risikoeinschätzung durch die Fokussierung auf gefährliche Situationen zu verbessern. Dabei werden bestimmte Situationen aus dem Straßenverkehr isoliert und einzeln getestet. Eine solche Situation kann beispielsweise sein, dass kurz vor einem automatisierten Fahrzeug ein anderes Fahrzeug einschert oder ein Fußgänger die Straße vor dem zu testenden Fahrzeug überquert (Funktionales Szenario).So-called scenario-based testing is often used to test these systems in order to improve risk assessment by focusing on dangerous situations. Certain situations from road traffic are isolated and tested individually. Such a situation can be, for example, that another vehicle cuts in just in front of an automated vehicle or that a pedestrian crosses the road in front of the vehicle to be tested (functional scenario).

Beim szenariobasierten Testen wird das Szenario mit unterschiedlichen Parametern beschrieben. Jeder dieser Parameter charakterisiert eine gewisse Eigenschaft des Szenarios. Beispiele für diese Parameter können die Differenzgeschwindigkeit der Fahrzeuge oder der Zeitabstand, bei dem das Einscheren eingeleitet wird, sein. Für jeden der beschriebenen Parameter wird ein Intervall festgelegt, in dem Versuche absolviert werden können. Dieses Intervall beschreibt in der Regel die untere und obere Grenze, in der das System agieren kann. Die Grenzen werden anhand unterschiedlicher Kriterien wie beispielsweise physikalischer Gegebenheiten oder der sogenannten operationalen Domain der Funktion, also dem gesamten Funktionsbereich, innerhalb dessen die automatisierte Funktion anwendbar bzw. betreibbar ist, gewählt. Dieser Prozess wird für jeden Parameter durchgeführt und zusammen ergibt sich dann ein mehrdimensionaler Parameterraum, in dem mögliche Versuche platziert werden können (Logisches Szenario). Die Anzahl der möglichen Versuche ist hier theoretisch unendlich. Aus diesem Grund werden in der Praxis verschiedene Methoden zur Versuchsplanung genutzt. Diese reichen von einer Auswahl der Versuche auf Basis von Expertenwissen, über Methoden wie Design of Experiments (DoE) bis zu fortgeschrittenen Methoden wie iterativen Prozessen. Die abgeleiteten Versuche werden konkrete Szenarien genannt.In scenario-based testing, the scenario is described with different parameters. Each of these parameters characterizes a certain property of the scenario. Examples of these parameters can be the differential speed of the vehicles or the time interval at which cutting in is initiated. An interval is set for each of the parameters described, in which tests can be completed. This interval usually describes the lower and upper limit in which the system can operate. The limits are selected on the basis of different criteria such as physical conditions or what is known as the operational domain of the function, i.e. the entire functional area within which the automated function can be used or operated. This process is carried out for each parameter and together this results in a multi-dimensional parameter space in which possible tests can be placed (logical scenario). The number of possible attempts here is theoretically infinite. For this reason, various methods for designing experiments are used in practice. These range from a selection of experiments based on expert knowledge, to methods such as Design of Experiments (DoE) and advanced methods such as iterative processes. The derived tests are called concrete scenarios.

Szenariobasiertes Testen ist ein bekannter Ansatz für die systematische Untersuchung des Verhaltens eines automatisierten Fahrzeugs (WINKELMANN et al.: Probabilistic Metamodells for an Efficient Characterization of Complex Driving Scenarios). Dabei werden komplexe Situationen in endliche Mengen konkreter Szenarien unterteilt. Aufgrund der Seltenheit kritischer Szenarien bedarf es dabei einer effizienten Übersetzung der logischen in die konkreten Szenarien. Dazu werden unterschiedliche Metamodelle untersucht, die mit einer begrenzten Zahl an Testfällen trainiert werden, um für die Analyse oder gezielte Auswahl von Testfällen verwendet werden.Scenario-based testing is a well-known approach for the systematic investigation of the behavior of an automated vehicle (WINKELMANN et al.: Probabilistic Metamodels for an Efficient Characterization of Complex Driving Scenarios). Complex situations are divided into finite sets of concrete scenarios. Due to the rarity of critical scenarios, an efficient translation of the logical into the concrete scenarios is required. For this purpose, different meta models are examined, which are trained with a limited number of test cases in order to be used for the analysis or a targeted selection of test cases.

Während der Durchführung der Versuche werden Informationen (KPls - Key Performance Indicators) gesammelt, anhand derer Entscheidungen bzgl. des weiteren Entwicklungsprozesses oder einer Freigabe der getesteten Funktion getroffen werden können. Ein Beispiel für ein KPI für das oben genannte Beispiel könnte der kleinste Abstand zwischen den beiden Fahrzeugen während des gesamten Szenarios sein. Auch der erwartete Schaden im Falle eines Unfalls kann ein KPI sein.During the execution of the tests, information (KPls - Key Performance Indicators) is collected, on the basis of which decisions can be made regarding the further development process or the release of the tested function. An example of a KPI for the above example could be the smallest distance between the two vehicles throughout the scenario. The expected damage in the event of an accident can also be a KPI.

Bei der Analyse von Szenarien ist es oft das Ziel, Auftrittswahrscheinlichkeiten von Ereignissen, wie Unfälle, Verletzungen oder Todesfälle zu ermitteln. Dazu wird für die Parameter, die das Szenario parametrieren, eine Verteilung der Auftrittswahrscheinlichkeit ermittelt. Im Falle des oben genannten Spurwechselszenarios wäre der Parameter der Abstand zum Vorderfahrzeug bei Beginn des Spurwechsels. Der Schwerpunkt der Verteilung läge in einem moderaten bis hohen Abstand bei sinkender Auftrittswahrscheinlichkeit mit abnehmendem Abstand. Mit anderen Worten treten die meisten Spurwechsel in der Realität bei einem mittleren bis hohen Abstand zum Vorderfahrzeug auf. Die erwartete Wahrscheinlichkeitsverteilung der szenariospezifischen Parameter im Funktionsbereich der automatisierten Funktion wird mit p(x) bezeichnet, wobei x der Parametervektor der szenariospezifischen Parameter ist. p(x) kann auch als Häufigkeitsverteilung oder Dichtefunktion modelliert werden.When analyzing scenarios, the aim is often to determine the probability of occurrence of events such as accidents, injuries or deaths. For this purpose, a distribution of the probability of occurrence is determined for the parameters that parameterize the scenario. In the case of the lane change scenario mentioned above, the parameter would be the distance to the vehicle in front at the start of the lane change. The focus of the distribution would be at a moderate to high distance with a decreasing probability of occurrence as the distance decreases. In other words, most lane changes in reality occur at a medium to high distance from the vehicle in front. The expected probability distribution of the scenario-specific parameters in the functional domain of the automated function is denoted by p(x), where x is the parameter vector of the scenario-specific parameters. p(x) can also be modeled as a frequency distribution or density function.

Zusätzlich zur Wahrscheinlichkeit für das absolute Auftreten der Situation lässt sich noch die Schwere, welche ein Fehlverhalten zur entsprechenden Parametereinstellung verursachen würde, bestimmen. In diesem Fall lässt die Intuition erahnen, dass ein Fehlverhalten bei sehr kleinen Abständen zu potenziell größerem Schaden führt. Mit anderen Worten ist der erwartete Schaden am höchsten bei einem Spurwechsel mit sehr kleinem Abstand zum Vorderfahrzeug. Gleichzeitig ist die Auftrittswahrscheinlichkeit dort gering.In addition to the probability of the absolute occurrence of the situation, the severity that would cause incorrect behavior for the corresponding parameter setting can also be determined. In this case, intuition suggests that misbehaving at very small distances will result in potentially greater damage. In other words, the expected damage is highest when changing lanes at a very small distance from the vehicle in front. At the same time, the probability of occurrence there is low.

Um das Risiko des Szenarios zu bestimmen, muss sowohl die Verteilung der konkreten Szenarien als auch der Schaden bzw. die Gefährdung innerhalb der konkreten Szenarien berücksichtigt werden. Letztlich kann die Verteilung als p(x) und der Schaden als f (x) bezeichnet werden, das Risiko ergibt sich dann zu f f(x)p (x) dx.In order to determine the risk of the scenario, both the distribution of the specific scenarios and the damage or hazard within the specific scenarios must be taken into account. Ultimately, the distribution can be described as p(x) and the damage as f (x), the risk then results in f f(x)p (x) dx.

Um das Risiko und damit die funktionale Sicherheit automatisierter Fahrfunktionen möglichst realistisch einschätzen zu können, ist die Auswahl der Testumgebung, also des konkreten Versuchsaufbaus, von großer Bedeutung. Dabei kann jedes Testszenario in unterschiedlichen Testumgebungen unterschiedlich gut getestet werden. Beispielsweise sind 3D-Simulationen sehr gut geeignet, um den Einfluss von Wetterbedingungen bei überschaubarem Kostenaufwand zu untersuchen. Hochdynamische Fahrmanöver können demgegenüber besser auf einem realen Testgelände untersucht werden. Entlang des Entwicklungsprozesses können je nach Entwicklungsstadium Testumgebungen unterschiedlicher Abstraktion eingesetzt werden. Als Beispiele hierfür sind z.B. Software in the Loop (SiL) oder Hardware in the Loop (HiL) zu nennen. Generell lässt sich festhalten: Je höher die Abstraktion der Testumgebung, desto weniger reale Teile des Fahrzeuges werden untersucht, desto weniger Ressourcen werden benötigt, desto geringer ist aber auch der Informationsgehalt.In order to be able to assess the risk and thus the functional safety of automated driving functions as realistically as possible, the selection of the test environment, i.e. the specific test setup, is of great importance. Each test scenario can be tested differently in different test environments. For example, 3D simulations are very well suited to examining the influence of weather conditions at a reasonable cost. In contrast, highly dynamic driving maneuvers can be better investigated on a real test site. Depending on the development stage, test environments of different abstraction can be used along the development process. Examples include software in the loop (SiL) or hardware in the loop (HiL). In general, it can be said that the higher the abstraction of the test environment, the fewer real parts of the vehicle are examined, the fewer resources are required, but the lower the information content.

Um die jeweiligen Nachteile der Testumgebungen auszugleichen, werden große Anstrengungen unternommen, beispielsweise durch realistischere Simulationen. Dennoch wird es vermutlich immer sowohl abstrakte aber hoch skalierbare Testumgebungen (z. B. virtuelle Tests) als auch verlässliche aber kostenintensive Testumgebungen (z. B. Versuche in der realen Welt oder aufwändige 3D-Simulationen) geben.Great efforts are made to compensate for the respective disadvantages of the test environments, for example through more realistic simulations. Nevertheless, there will probably always be both abstract but highly scalable test environments (e.g. virtual tests) as well as reliable but expensive test environments (e.g. tests in the real world or complex 3D simulations).

Beim Monte Carlo Sampling werden die Parameter über den gesamten Parameterraum der Verteilung p(x) folgend zufällig ausgewählt und einem Modell zugeführt, welches das Auftreten eines Schadensfalls in Abhängigkeit der jeweiligen Parameterkombination schätzt. Aus der Gesamtzahl von Tests und der Anzahl der Testergebnisse mit Schaden wird eine Auftretenswahrscheinlichkeit, beispielsweise für Kollisionen, berechnet. Dabei wird aus der Verteilung p(x) ein konkretes Szenario gezogen und dieses untersucht, um f(x) zu ermitteln. Dieser Vorgang wird wiederholt durchgeführt und das Integral ermittelt. Jedoch ist diese Methode sehr ineffizient, da die Szenarien, in denen die Gefährdung f(x) hoch ist, sehr selten sind. Bspw. könnte erst nach 1000 Versuchen ein erster Unfall beobachtet werden und es dauert ca. 100.000 Versuche, bis das Risiko mit hinreichender Genauigkeit beurteilt werden kann.With Monte Carlo sampling, the parameters are randomly selected over the entire parameter space following the distribution p(x) and fed into a model that estimates the occurrence of a damage event depending on the respective parameter combination. A probability of occurrence, for example for collisions, is calculated from the total number of tests and the number of test results with damage. A specific scenario is drawn from the distribution p(x) and examined to determine f(x). This process is carried out repeatedly and the integral is determined. However, this method is very inefficient since the scenarios in which the hazard f(x) is high are very rare. For example, a first accident could only be observed after 1000 attempts and it takes around 100,000 attempts before the risk can be assessed with sufficient accuracy.

Eine alternative Methode ist das sogenannte Importance Sampling. Hier werden die Versuche nicht aus p(x) gezogen, sondern es wird ein q(x) definiert, aus dem Versuche gezogen werden. Dieses q(x) wird so gewählt, dass mehr Unfälle/Schäden beobachtet werden. Um das Risiko beurteilen zu können, wird dann der beobachtete Schaden für den Parametervektor x immer mit p(x)/q(x) multipliziert und so auf die eigentliche Verteilung p(x) skaliert. So kann das Risiko wesentlich schneller beurteilt werden, da es mit weniger durchgeführten Versuchen konvergiert. Bei der Anwendung von Importance Sampling ist die zentrale Herausforderung die Wahl von q(x). q(x) kann auf Basis von historischen Daten (die i.d.R. auf menschliche Fahrer bezogen sind) ermittelt oder durch Experten geschätzt werden. Bei komplexen Szenarien können aber häufig auch Experten nicht genau sagen, wann ein Testlauf kritisch verlaufen wird und wann nicht.An alternative method is the so-called importance sampling. Here the trials are not drawn from p(x), but a q(x) is defined from which trials are drawn. This q(x) is chosen so that more accidents/damages are observed. In order to be able to assess the risk, the damage observed for the parameter vector x is then always multiplied by p(x)/q(x) and thus scaled to the actual distribution p(x). In this way, the risk can be assessed much more quickly, since it converges with fewer tests carried out. When using importance sampling, the central challenge is the choice of q(x). q(x) can be calculated on the basis of historical data (usually based on human drivers related) can be determined or estimated by experts. In complex scenarios, however, even experts are often unable to say exactly when a test run will be critical and when not.

Das Adaptive Importance Sampling ist ein iterativer Prozess, bei dem die sogenannte Cross Entropy Methode verwendet werden kann. Dabei wird zunächst eine Verteilungsfunktion q(x) für den kritischen Parameterraum gewählt. Diese kann eine parametrische oder nicht-parametrische Wahrscheinlichkeitsverteilung oder eine Kombination beider sein. Dann wird z. B. mittels Monte Carlo Sampling eine große Zahl von Tests durchgeführt, um Informationen über das Systemverhalten zu erlangen. Im Anschluss daran wird die Kreuzentropie zwischen der gewählten Verteilung und der gesuchten Verteilung minimiert. Durch iteratives Wiederholen kann so eine hinreichend genaue Verteilung des kritischen Parameterraums gefunden werden.Adaptive importance sampling is an iterative process in which the so-called cross entropy method can be used. First, a distribution function q(x) is chosen for the critical parameter space. This can be a parametric or non-parametric probability distribution or a combination of both. Then z. A large number of tests are carried out, for example using Monte Carlo sampling, in order to obtain information about the system behavior. After that, the cross entropy between the selected distribution and the sought distribution is minimized. A sufficiently precise distribution of the critical parameter space can be found by iterative repetition.

Für eine zuverlässige Risikobestimmung sind aktuell realistische Methoden wie Tests auf Prüfgeländen unverzichtbar. Die Ermittlung von q(x) ist der entscheidende Faktor dafür, wie sehr sich die Risikobestimmung beschleunigen lässt. Wird q(x) auf Basis von Expertenwissen definiert oder auf Basis historischer Daten anderer Systeme (z.B. menschlicher Fahrer) gewählt, fehlt einerseits die Evidenz und andererseits der Bezug auf das eigentliche zu untersuchende System. Bei automatisierten Fahrzeugen können Risiken auftreten, die weder Experten bewusst sind, noch in historischen Daten gefunden werden können. Die Bestimmung von q(x) in ihrer aktuellen Form birgt deshalb das Risiko, Versuche nicht optimal auszuwählen und so durch automatisierte Fahrfunktionen hervorgerufene kritische Situationen nicht identifizieren zu können. Letztlich entstehen dadurch Risiken für Mensch und Maschine.Realistic methods such as tests on proving grounds are currently indispensable for reliable risk determination. The determination of q(x) is the decisive factor for how much the risk determination can be accelerated. If q(x) is defined on the basis of expert knowledge or selected on the basis of historical data from other systems (e.g. human drivers), there is no evidence and no reference to the actual system to be examined. Risks can arise in automated vehicles that neither experts are aware of nor can be found in historical data. The determination of q(x) in its current form therefore harbors the risk of not optimally selecting tests and thus not being able to identify critical situations caused by automated driving functions. Ultimately, this creates risks for people and machines.

Die DE 10 2020 005 507 A1 offenbart ein Verfahren zum Testen einer automatisierten Fahrzeugfunktion, insbesondere einer Notbremsfunktion. Dabei werden Messdaten aus Feldversuchen nach Fahrsituationen geclustert, Kritikalitätsmetriken (KPI, z. B. Zeitabstand zwischen Fahrzeug und vorausfahrendem Fahrzeug) durch Korrelation einer aus synthetischen Fahrszenarien (HiL-Versuche) bestimmten Kritikalitätsschwelle und den geclusterten Fahrsituationen identifiziert und dann die Tests für einzelne gruppierte logische Szenarien ausgeführt. Das Verfahren verläuft iterativ mittels eines Adaptive-Importance-Sampling-Algorithmus ab.The DE 10 2020 005 507 A1 discloses a method for testing an automated vehicle function, in particular an emergency braking function. Measurement data from field tests are clustered according to driving situations, criticality metrics (KPI, e.g. time interval between vehicle and vehicle in front) are identified by correlating a criticality threshold determined from synthetic driving scenarios (HiL tests) and the clustered driving situations and then the tests for individual grouped logical Scenarios executed. The method runs iteratively using an adaptive importance sampling algorithm.

Aufgabe der Erfindungobject of the invention

Die Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, den Aufwand und den Ressourceneinsatz beim Testen automatisierter Fahrfunktionen zu reduzieren und dennoch valide Testergebnisse zu erhalten, die eine Freigabe der automatisierten Fahrfunktion ermöglichen.The object of the present invention is to reduce the effort and the use of resources when testing automated driving functions and still obtain valid test results that enable the automated driving function to be released.

Darstellung und Vorteile der ErfindungPresentation and advantages of the invention

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Testen von automatisierten Fahrzeugfunktionen entsprechend den Maßnahmen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Insbesondere wird die Aufgabe durch eine evidenz-basierte Risikobestimmung durch Verknüpfung unterschiedlicher Testumgebungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is solved by a method for testing automated vehicle functions in accordance with the measures of independent claim 1 . In particular, the task is solved by an evidence-based risk determination by linking different test environments. Advantageous configurations of the invention are the subject matter of the dependent claims.

Automatisierte Fahrzeugfunktionen sind Funktionen zur Fahrzeugführung, wie Lenken, Beschleunigen und Verzögern, die ohne Eingriff eines Fahrers vom Fahrzeug selbstständig umgesetzt werden. Sie werden häufig auch als Fahrerassistenzsysteme bezeichnet. Beispiele hierfür sind Abstandstempomaten, Spurhaltesysteme, Notbremsassistenten bis hin zu vollständig autonom agierenden Fahrzeugen.Automated vehicle functions are functions for driving the vehicle, such as steering, accelerating and decelerating, which are implemented independently by the vehicle without driver intervention. They are also frequently referred to as driver assistance systems. Examples of this are adaptive cruise control, lane departure warning systems, emergency brake assistants and fully autonomous vehicles.

In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Definieren von logischen Testszenarien mittels szenariospezifischen Parametern x und Erstellen eines vorzugsweise mehrdimensionalen Parameterraums der szenariospezifischen Parameter. Jeder Parameter, z. B. die Fahrzeuggeschwindigkeit oder der Abstand zum Vorderfahrzeug, ist durch ein nach oben und unten begrenztes Intervall (Parameterintervall) definiert. Der wahrgenommene Abstand zum Vorderfahrzeug kann beispielsweise nicht kleiner als null und nicht größer als die Sensorreichweite werden. Die oberen und unteren Grenzen können demnach physikalischer Natur oder durch den Umfang der zu testenden Fahrzeugfunktion gegeben sein.In a first step of the method according to the invention, logical test scenarios are defined using scenario-specific parameters x and a preferably multi-dimensional parameter space of the scenario-specific parameters is created. Each parameter, e.g. B. the vehicle speed or the distance to the vehicle in front is defined by an upper and lower bounded interval (parameter interval). For example, the perceived distance to the vehicle in front cannot be less than zero and cannot be greater than the sensor range. The upper and lower limits can therefore be of a physical nature or given by the scope of the vehicle function to be tested.

In einem nächsten Schritt erfolgt das Ermitteln der Verteilung p(x) der szenariospezifischen Parameter über den gesamten Parameterraum. p(x) beschreibt dabei die Verteilung jedes einzelnen Parameters oder Parameterkombinationen im Testszenario. Mit anderen Worten ist p(x) proportional zur Häufigkeit jeder Parameterausprägung im Parameterintervall, wie sie in der Realität bei dem entsprechenden Szenario auftritt.In a next step, the distribution p(x) of the scenario-specific parameters is determined over the entire parameter space. p(x) describes the distribution of each individual parameter or parameter combination in the test scenario. In other words, p(x) is proportional to the frequency of each parameter expression in the parameter interval, as it occurs in reality in the corresponding scenario.

In einem nächsten Schritt erfolgt das Definieren einer szenariospezifischen Gefährdung. Eine Gefährdung kann eine Kollision mit einem anderen Objekt, die Schwere der Kollision, also die Schadenshöhe am Fahrzeug oder Menschen, oder auch die Unterschreitung kritischer Abstände sein.The next step is to define a scenario-specific hazard. A hazard can be a collision with another object, the severity of the collision, i.e. the extent of damage to the vehicle or people, or falling below critical distances.

In einem nächsten Schritt erfolgt das Ermitteln einer Gefährdungsausprägung f(x) in Abhängigkeit der szenariospezifischen Parameter über den gesamten Parameterraum mithilfe einer performanten Testumgebung. Die Ausprägung der Gefährdung kann die Auftretenshäufigkeit eines binären Ereignisses (Kollision oder nicht) oder auch die (stetige oder diskrete) Ausprägung der Gefährdung, also beispielsweise die Schadenshöhe sein. Ein Beispiel wäre die Wahrscheinlichkeit bzw. die zu beobachtende Häufigkeit von Kollisionen während eines Spurwechsels bzw. eines Einschervorgangs. Die Verteilung dieser Gefährdungsausprägung über dem Parameterraum könnte eine sinkende Häufigkeit von Kollisionen mit zunehmendem Abstand zum Vorderfahrzeug sein.In a next step, a hazard characteristic f(x) is determined depending on the scenario-specific parameters across the entire parameter space using a high-performance test environment. The nature of the hazard can be the frequency of occurrence of a binary event (collision or not) or the (continuous or discrete) nature of the hazard, for example the amount of damage. An example would be the probability or the frequency of collisions to be observed during a lane change or a cutting-in process. The distribution of this hazard characteristic over the parameter space could be a decreasing frequency of collisions with increasing distance to the vehicle in front.

In einem nächsten Schritt erfolgt das Ermitteln kritischer szenariospezifischer Parameterkombinationen innerhalb des gesamten Parameterraums in Abhängigkeit der ermittelten Auftretenswahrscheinlichkeit p(x) der szenariospezifischen Parameter und der ermittelten Gefährdungsausprägung f(x) sowie das Ermitteln einer Verteilung q(x) der kritischen szenariospezifischen Parameterkombinationen. Durch Abbildung der Gefährdungsausprägung f(x) auf den Parameterraum können kritische Parameterausprägungen identifiziert werden. Im Falle des Einscherens eines vorausfahrenden Fahrzeugs wäre beispielsweise die Ausprägung des Parameters Abstand zum Vordermann kritisch, wenn dieser einen aus der Gefährdungsausprägung abgeleiteten Abstandsschwellenwert unterschreitet. Mit anderen Worten ist der Parameter Abstand dann kritisch, wenn er zum Zeitpunkt des Einscherens weniger als bspw. 10 m beträgt.In a next step, critical scenario-specific parameter combinations are determined within the entire parameter space depending on the determined probability of occurrence p(x) of the scenario-specific parameters and the determined risk level f(x) and the determination of a distribution q(x) of the critical scenario-specific parameter combinations. By mapping the hazard level f(x) to the parameter space, critical parameter levels can be identified. In the event that a vehicle driving in front cuts in, for example, the value of the parameter distance to the vehicle in front would be critical if this falls below a distance threshold value derived from the risk value. In other words, the distance parameter is critical if it is less than, for example, 10 m at the time of cutting in.

In einem nächsten Schritt erfolgt das Testen der automatisierten Fahrfunktion in Abhängigkeit der ermittelten kritischen szenariospezifischen Parameterkombinationen mithilfe einer vertrauenswürdigen Testumgebung. Durch die Fokussierung der Tests auf die kritischen Parameterkombinationen können aufwändige und komplexe Testverfahren, die sehr realistische Testergebnisse produzieren, wie komplexe 3D-Simulationen oder Tests in der realen Welt, auf ein Minimum reduziert werden.In a next step, the automated driving function is tested depending on the identified critical scenario-specific parameter combinations using a trustworthy test environment. By focusing the tests on the critical parameter combinations, time-consuming and complex test procedures that produce very realistic test results, such as complex 3D simulations or tests in the real world, can be reduced to a minimum.

In einem nächsten Schritt erfolgt das Ermitteln eines szenariospezifischen Risikos in Abhängigkeit des Testens der automatisierten Fahrfunktion. Dies kann auf Basis von KPls erfolgen, die bei jedem Test bestimmt werden. In Abhängigkeit des ermittelten Risikos kann die automatisierte Fahrfunktion schließlich freigegeben werden.In a next step, a scenario-specific risk is determined depending on the testing of the automated driving function. This can be done on the basis of KPIs that are determined with each test. Depending on the risk determined, the automated driving function can finally be enabled.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Ermitteln der Gefährdungsausprägung in Abhängigkeit der szenariospezifischen Parameter über den gesamten Parameterraum mittels einer performanten, skalierbaren Testumgebung erfolgt. Das Testen der automatisierten Fahrfunktion sowie die eigentliche Risikobestimmung erfolgen dann in Abhängigkeit der ermittelten kritischen szenariospezifischen Parameterkombinationen mittels einer aufwändigen, vertrauenswürdigen Testumgebung. So kann zunächst mit geringem Aufwand ein Systemverständnis erlangt werden und im Anschluss können die Risiken der automatisierten Fahrfunktion sehr präzise ermittelt werden. Die performante, skalierbare Testumgebung kann eine 2D- oder 3D-Simulation sein und findet vorzugsweise rein virtuell statt. Demgegenüber ist die aufwändige, vertrauenswürdige Testumgebung vorzugsweise nicht rein virtuell, sondern beinhaltet reale Komponenten der zu testenden Fahrfunktion, wie Steuergeräte, Sensoren, Aktoren oder das Gesamtfahrzeug. Dies kann Hardware-in-the-Loop-Tests, Vehicle-in-the-Loop-Tests, Prüfgeländetests oder Tests im realen Straßenverkehr umfassen. Im Unterscheid zum Stand der Technik, bei dem für das Beispiel eines Meta-Modell-basierten Importance-Samplings sowohl für die Meta-Modelle als auch die eigentliche Risikobestimmung dieselbe Testumgebung genutzt wird, ist das erfindungsgemäße Verfahren in der Lage, unterschiedliche Testumgebungen zu kombinieren und damit die Vor- und Nachteile verschiedener Testumgebungen optimal auszugleichen und damit schnellere und genauere Risikoeinschätzungen zu liefern.The method according to the invention is characterized in that the risk characteristics are determined as a function of the scenario-specific parameters over the entire parameter space using a high-performance, scalable test environment. The testing of the automated driving function and the actual risk determination then take place in a complex, trustworthy test environment depending on the determined critical scenario-specific parameter combinations. In this way, an understanding of the system can be obtained with little effort and the risks of the automated driving function can then be determined very precisely. The high-performance, scalable test environment can be a 2D or 3D simulation and is preferably purely virtual. In contrast, the complex, trustworthy test environment is preferably not purely virtual, but contains real components of the driving function to be tested, such as control units, sensors, actuators or the entire vehicle. This can include hardware-in-the-loop testing, vehicle-in-the-loop testing, proving ground testing, or real-world road testing. In contrast to the prior art, in which the same test environment is used for the example of a meta-model-based importance sampling for both the meta-models and the actual risk determination, the method according to the invention is able to combine different test environments and to optimally balance the advantages and disadvantages of different test environments and thus to deliver faster and more accurate risk assessments.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die performante, skalierbare Testumgebung mittels eines Meta-Modells modelliert. Ein Meta-Modell ist ein Modell, dessen Original, also das was modelliert werden soll, nicht Bestandteil der realen Welt, sondern Bestandteil einer Modellbildung ist. Mit anderen Worten ist ein Meta-Modell ein Modell von einem Modell. Das Meta-Modell bringt keine besonders realistischen Ergebnisse, unter anderem weil die Modellstruktur sehr einfach aufgebaut ist und nur wenige essentielle Parameter eingehen. Dafür weist das Metal-Modell eine hohe Recheneffizienz auf, weshalb eine große Anzahl von Schätzungen über den gesamten Parameterraum durchgeführt werden kann. Die Ergebnisse des Meta-Modells können daher nicht zur abschließenden Risikobeurteilung der automatisierten Fahrfunktion genutzt werden, liefern aber einen statistisch hinreichend abgesicherten kritischen Parametersatz. Meta-Modelle werden dabei in der Regel auf Basis virtueller Testumgebungen, wie SiL-Tests, parametriert.In a preferred embodiment, the high-performance, scalable test environment is modeled using a meta-model. A meta-model is a model whose original, i.e. what is to be modeled, is not part of the real world but part of a model. In other words, a meta-model is a model of a model. The meta-model does not bring particularly realistic results, partly because the model structure is very simple and only a few essential parameters are included. On the other hand, the metal model has a high computational efficiency, which is why a large number of estimates can be made over the entire parameter space. The results of the meta-model can therefore not be used for the final risk assessment of the automated driving function but provide a statistically adequately secured critical set of parameters. Meta-models are usually parameterized on the basis of virtual test environments, such as SiL tests.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Meta-Modells zur Ermittlung der Gefährdungsausprägung liegt darin, dass keine komplexen Wahrscheinlichkeiten bestimmt werden müssen. Hier kann eine binäre Aussage, beispielsweise ob eine Kollision stattgefunden hat oder nicht, ausreichend sein. Außerdem kann einfach die Szenarien-Parametrierung übernommen werden, die beispielsweise aus Feld-Tests oder vorhergehenden Entwicklungsstufen oder Produkten bekannt ist. Damit können Verzerrungen bzw. systematische Fehler (Bias) von Schätzfunktionen umgangen werden.Another advantage of using a meta-model to determine the level of risk is that no complex probabilities have to be determined. A binary statement, for example whether a collision has occurred or not, can be sufficient here. In addition, the scenario parameterization that is known, for example, from field tests or previous development stages or products can simply be adopted. In this way, distortions or systematic errors (bias) of estimating functions can be avoided.

Das eigentliche Testen der automatisierten Fahrfunktion findet dann mit einem aufwändigen und aufgrund der Komplexität sehr vertrauenswürdigen Testverfahren statt. Dies kann ein Modell sein, beispielsweise eine aufwändige 3D-Simulation mit einer Vielzahl von Eingangsparametern. Dies kann auch ein HiL-Versuch sein, bei dem die Original-Hardware des zu testenden Fahrzeugs getestet wird. Dabei können Sensoren durch komplexe Sensormodelle abgebildet werden. Es können aber auch die Original-Sensoren verwendet werden und die Objektrepräsentation, z. B. Dummy-Fahrzeug, aufwändig simuliert werden. Schließlich kann das Testen auch in der realen Welt auf einer Teststrecke mit entsprechenden Objektrepräsentationen anderer Verkehrsteilnehmer oder echten anderen Verkehrsteilnehmern stattfinden.The actual testing of the automated driving function then takes place with a complex test procedure that is very trustworthy due to its complexity. This can be a model, for example a complex 3D simulation with a large number of input parameters. This can also be a HiL test in which the original hardware of the vehicle to be tested is tested. Sensors can be represented by complex sensor models. However, the original sensors can also be used and the object representation, e.g. B. dummy vehicle, are simulated complex. Finally, testing can also take place in the real world on a test track with corresponding object representations of other road users or real other road users.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Meta-Modell ein trainiertes Klassifikationsmodell. Derartige Klassifikatoren sind im Bereich des Maschinellen Lernens bekannt und entsprechend einfach umzusetzen. Hier können beispielsweise ein Bayes-Klassifikator, eine Support-Vektor-Maschine (SVM), ein Random-Forest-Klassifikator, ein Extra-Trees-Klassifikator, ein Gauß'scher-Prozess-Klassifikator, ein tiefer Gauß'scher-Prozess-Klassifikator oder ein Klassifikator basierend auf einem Bayes'schen Neuronalen Netzwerk verwendet werden. Das Trainieren der Klassifikatoren findet üblicherweise mittels überwachten Lernens statt. Ein Klassifikator ist besonders vorteilhaft bei der Prädiktion einer binären Aussage, wie Kollision hat stattgefunden oder nicht, verwendbar.In an advantageous embodiment of the invention, the meta-model is a trained classification model. Such classifiers are known in the field of machine learning and are correspondingly easy to implement. Here, for example, a Bayesian classifier, a support vector machine (SVM), a random forest classifier, an extra trees classifier, a Gaussian process classifier, a deep Gaussian process classifier or a classifier based on a Bayesian neural network can be used. The training of the classifiers usually takes place by means of supervised learning. A classifier is particularly useful in predicting a binary statement such as whether or not a collision has occurred.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Meta-Modell ein trainiertes Regressionsmodell. Regressionsmodelle unterscheiden sich mathematisch nicht sehr stark von Klassifikatoren. Es können ebenfalls künstliche neuronale Netze, z. B. ein Bayes'sches Neuronales Netzwerk, Entscheidungsbäume, Gauß'sche-Prozess-Regressoren oder Tiefe Gauß'sche-Prozess-Regressoren genutzt werden. In a further advantageous embodiment of the invention, the meta-model is a trained regression model. Mathematically, regression models are not very different from classifiers. Artificial neural networks, e.g. B. a Bayesian neural network, decision trees, Gaussian process regressors or deep Gaussian process regressors can be used.

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung eines Gauß-Prozesses. Das Trainieren des Regressionsmodells findet üblicherweise mittels überwachten Lernens statt. Ein Regressionsmodell ist besonders vorteilhaft bei der Prädiktion stetiger Werte, wie dem minimalen Abstand zum Vorderfahrzeug, verwendbar.The use of a Gaussian process is particularly advantageous. The training of the regression model usually takes place by means of supervised learning. A regression model can be used particularly advantageously in the prediction of continuous values, such as the minimum distance to the vehicle in front.

Die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll nun noch einmal mit anderen Worten beschrieben werden. Es ist für Importance Sampling bekannt, welches q(x), also welche kritischen Parameterkombinationen theoretisch optimal als Ausgangspunkt für das aufwändige, vertrauenswürdige Testverfahren wäre (Voraussetzung f(x) ≥ 0): q ( x ) = f ( x ) * p ( x ) / ( f ( x ) * p ( x ) ) d x

Figure DE102022107338B3_0001
The effect of the method according to the invention will now be described again in other words. It is known for importance sampling which q(x), i.e. which critical parameter combinations, would theoretically be optimal as a starting point for the complex, trustworthy test procedure (prerequisite f(x) ≥ 0): q ( x ) = f ( x ) * p ( x ) / ( f ( x ) * p ( x ) ) i.e x
Figure DE102022107338B3_0001

So würde bereits ein einziger Versuch das Risiko ermitteln können: f ( x ) * p ( x ) / q ( x ) = f ( x ) * p ( x ) * ( f ( x ) * p ( x ) ) d x / f ( x ) * p ( x ) = ( f ( x ) p ( x ) ) d x

Figure DE102022107338B3_0002
A single attempt would determine the risk: f ( x ) * p ( x ) / q ( x ) = f ( x ) * p ( x ) * ( f ( x ) * p ( x ) ) i.e x / f ( x ) * p ( x ) = ( f ( x ) p ( x ) ) i.e x
Figure DE102022107338B3_0002

In der Praxis kann das optimale q(x) natürlich nicht gewählt werden, da in der Definition die Lösung des Problems (das Risiko) schon auftaucht. Jedoch lässt sich das Risiko durch skalierbare, virtuelle Methoden schon sehr genau ermitteln.In practice, of course, the optimal q(x) cannot be chosen, since the solution to the problem (the risk) already appears in the definition. However, the risk can be determined very precisely using scalable, virtual methods.

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung werden die Vorteile unterschiedlicher Testumgebungen genutzt, um eine effiziente und präzise Risikobestimmung durchführen zu können. p(x) (die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Szenarien) kann weiterhin aus vorhandenen Daten oder makroskopischen Simulationen abgeleitet werden. Denn bei der Einführung automatisierter Fahrzeuge ist davon auszugehen, dass diese die selben Situationen wie menschliche Fahrer beherrschen müssen.In the solution proposed according to the invention, the advantages of different test environments are used in order to be able to carry out an efficient and precise risk determination. p(x) (the probability distribution of the scenarios) can still be derived from existing data or macroscopic simulations. Because when automated vehicles are introduced, it can be assumed that they will have to be able to handle the same situations as human drivers.

Jedoch wird f(x) auf Basis effizienter (i.d.R. virtueller) Testumgebungen ermittelt. Dieser Prozess kann automatisiert durchgeführt werden. Zunächst wird dabei das gewünschte Szenario in einer Testumgebung mit niedriger Komplexität modelliert. Anschließend wird für den aufgespannten Parameterraum das Verhalten des automatisierten Fahrzeuges bestimmt. Dafür können aktuelle Methoden der Versuchsplanung genutzt werden. Wichtig hierbei ist, dass über die Funktion den gesamten Parameterraum hinweg beobachtet und getestet wird. Dabei soll besonders darauf geachtet werden, in welchen Bereichen des Parameterraums gefährliches Verhalten auftritt. Zur Ermittlung dieser Fragestellung können auch iterative Methoden der Versuchsplanung genutzt werden. In diesem Schritt des Testens können die Vorteile weniger komplexer Testumgebungen besonders genutzt werden. Versuche können schnell modelliert werden und eine große Anzahl an Tests innerhalb kurzer Zeit absolviert werden.However, f(x) is determined on the basis of efficient (usually virtual) test environments. This process can be automated. First, the desired scenario is modeled in a test environment with low complexity. The behavior of the automated vehicle is then determined for the spanned parameter space. Current methods of planning experiments can be used for this. It is important here that the entire parameter space is observed and tested across the function. Particular attention should be paid to the areas of the parameter space in which dangerous behavior occurs. Iterative methods of test planning can also be used to determine this question. In this step of testing, the advantages of less complex test environments can be used in particular. Experiments can be modeled quickly and a large number of tests can be completed within a short time.

Das so erlangte Wissen bzgl. f(x) kann dann mit dem Wissen über p(x) kombiniert werden, um q(x) zu bestimmen und die eigentlichen Versuche für die Risikobeurteilung können in aufwendigen Methoden (i.d.R. real) durchgeführt werden. Zur Kombination wird q(x) entsprechend der Gleichung oben bestimmt.The knowledge obtained in this way regarding f(x) can then be combined with the knowledge about p(x) to determine q(x) and the actual tests for risk assessment can be carried out using complex methods (usually real). For combination, q(x) is determined according to the equation above.

Die Verknüpfung der Testumgebungen und das Übertragen von Wissen wirkt sich in den folgenden Punkten besonders positiv aus.The linking of the test environments and the transfer of knowledge has a particularly positive effect in the following points.

Die Erwartung über den Ausgang der Testfälle kann auf Evidenzen bezogen auf das zu untersuchende System gestützt werden, so ergibt sich ein sehr gutes q(x) (vorher: entweder historische Daten von menschlichen Fahrern oder anderen Systemen, teils sogar einfaches Raten).The expectation of the outcome of the test cases can be based on evidence related to the system to be examined, resulting in a very good q(x) (before: either historical data from human drivers or other systems, sometimes even simple guessing).

Die Übertragung von Wissen im Rahmen von Importance Sampling ist besonders sicher, da in der Auswertung kein Bias auftritt, selbst wenn sich Verhalten in Simulation und Realität unterscheiden. Bei vielen anderen Arten der Übertragung wäre es sehr kompliziert, die unterschiedlichen Verhalten in verschiedenen Testumgebungen so zu kombinieren, dass am Ende ein Ergebnis ohne systematischen Fehler (Bias) erhalten werden kann.The transfer of knowledge within the framework of importance sampling is particularly secure, since no bias occurs in the evaluation, even if behavior in simulation and reality differ. With many other types of transmission, it would be very complicated to combine the different behaviors in different test environments in such a way that a result without systematic error (bias) can be obtained in the end.

Die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Testumgebungen können jeweils durch das Übertragen von Wissen zwischen den Testumgebungen ausgeglichen werden (abstrakte Testumgebungen können eine umfangreiche Untersuchung ermöglichen, realistische Testumgebungen die genaue Bestimmung von Risiken).The advantages and disadvantages of the different test environments can each be balanced by transferring knowledge between the test environments (abstract test environments can allow extensive investigation, realistic test environments can precisely identify risks).

Risiken können insgesamt sehr effizient und genau bestimmt werden, dies schafft die Grundlage für eine Freigabe automatisierter Fahrfunktionen.Overall, risks can be determined very efficiently and precisely, which creates the basis for the release of automated driving functions.

Es ist zu erwarten, dass viele Schwachstellen der automatisierten Fahrzeugfunktion aufgedeckt und so Mensch und Maschine geschützt werden.It can be expected that many weak points in the automated vehicle function will be uncovered, thereby protecting man and machine.

Ausführungsbeispielexample

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die schematisch dargestellte Zeichnung.Further features, application possibilities and advantages of the invention result from the following description of an exemplary embodiment of the invention with reference to the diagrammatic drawing.

Hierbei zeigt 1 ein Szenario, bei dem ein Fußgänger 2 die Straße überquert und ein Ego-Fahrzeug 1 die zu testende automatisierte Fahrfunktion aufweist. Dabei kann es sich um einen Notbremsassistenten handeln. Um die Fahrfunktion hinsichtlich ihrer funktionalen Sicherheit zu beurteilen, ist das Risiko des Szenarios in Abhängigkeit einer Vielzahl von Startparametern und Umwelteinflüssen zu ermitteln. Das Risiko kann anhand einer stattgefundenen Kollision oder des minimalen Abstandes zwischen Ego-Fahrzeug und Fußgänger jeweils nach Eingreifen des Notbremsassistenten quantifiziert werden.Here shows 1 a scenario in which a pedestrian 2 crosses the street and an ego vehicle 1 has the automated driving function to be tested. This can be an emergency brake assistant. In order to assess the driving function with regard to its functional safety, the risk of the scenario must be determined as a function of a large number of starting parameters and environmental influences. The risk can be quantified on the basis of a collision that has occurred or the minimum distance between the ego vehicle and the pedestrian after the emergency brake assistant has intervened.

Bei einigen Startparametern wird es zu keinem signifikanten Risiko kommen, beispielsweise bei einer defensiven Eigengeschwindigkeit des Ego-Fahrzeugs 1 von 6 m/s und einem longitudinalen Abstand zwischen Ego-Fahrzeug 1 und Fußgänger 2 zu Beginn des Überquerens der Straße von über 50 m. Diese Parameterkombination wäre daher unkritisch. Wird die Eigengeschwindigkeit erhöht, beispielsweise auf Schnellstraßen, so kann keine einfache intuitive Aussage mehr zur Kritikalität der Parameterkombination getroffen werden. Das Fahrzeug 1 fährt dann zwar wesentlich schneller auf den Fußgänger auf, jedoch hat der Notbremsassistent mehr Vorwarnzeit und kann dementsprechend eher eingreifen.With some starting parameters, there will be no significant risk, for example with a defensive own speed of ego vehicle 1 of 6 m/s and a longitudinal distance between ego vehicle 1 and pedestrian 2 at the beginning of crossing the road of more than 50 m Parameter combination would therefore not be critical. If the vehicle's own speed is increased, for example on freeways, it is no longer possible to make a simple intuitive statement about the criticality of the parameter combination. The vehicle 1 then drives onto the pedestrian much more quickly, but the emergency brake assistant has more warning time and can accordingly intervene sooner.

Um nun das Überquerungsszenario hinsichtlich der Notbremsfunktion zu testen, werden zunächst die Umgebungsbedingungen parametrisiert. Dazu werden Fußgänger-Modelle mit Wetterdaten zusammengeführt. Fußgängerdaten betreffen beispielsweise die Auftretenshäufigkeit von Fußgängern, z. B. auf stündlicher Basis. Daraus ergibt sich eine Wahrscheinlichkeit zum Auftreten des Szenarios, die proportional zur Auftretenshäufigkeit von Fußgängern ist. Um die Umgebungsbedingen anwendbar zu machen, werden Parameter für Nebel (ωfοg), Wind (ωwind) und Regen (ωrain) parametrisiert, üblicherweise in einem Intervall von null bis eins. Darauf aufbauend wird ein Reibbeiwert µfric zwischen Straße und Fahrzeugreifen bestimmt, der wiederum Einfluss auf den Bremsweg des Ego-Fahrzeugs 1 hat. Die Daten werden unmittelbar aus Datenbanken zu Verkehrs- und Wetteraufkommen gezogen, die die über einen Zeitraum von 8 bis 10 Jahren in der Realität vorgekommenen Situationen widerspiegeln.In order to test the crossing scenario with regard to the emergency braking function, the environmental conditions are first parameterized. For this purpose, pedestrian models are combined with weather data. Pedestrian data relate, for example, to the frequency of occurrence of pedestrians, e.g. B. on an hourly basis. This results in a probability that the scenario will occur, which is proportional to the frequency of occurrence of pedestrians. To make the environmental conditions applicable, fog (ω fοg ), wind (ω wind ), and rain (ω rain ) parameters are parameterized, typically in an interval from zero to one. Based on this, a coefficient of friction μ fric between the road and the vehicle tires is determined, which in turn influences the braking distance of the ego vehicle 1 . The data is pulled directly from traffic and weather databases reflecting real-life situations over a period of 8 to 10 years.

Die Eigengeschwindigkeit wird im Falle eines defensiven Fahrens normalverteilt mit einem Erwartungswert von 6 m/s und einer Standardabweichung von 0,2 m/s parametrisiert. Ein Modell beschreibt, bei welchen Lücken zwischen Fahrzeugen ein Fußgänger 2 die Überquerung beginnt. Diese werden anhand des longitudinalen Abstands da Ego-Fahrzeug 1 und Fußgänger 2 abgebildet. Die Geschwindigkeit vped des Fußgängers 2 ist weiterhin abhängig von der Regenstärke ωrain.In the case of defensive driving, the vehicle's own speed is normally distributed with an expected value of 6 m/s and a standard deviation of 0.2 m/s. A model describes at which gaps between vehicles a pedestrian 2 starts crossing. These are mapped using the longitudinal distance between ego vehicle 1 and pedestrian 2 . The speed v ped of the pedestrian 2 is also dependent on the rain intensity ω rain .

Alle Parameter in der Realität zu testen, wäre extrem aufwändig bzw. nahezu unmöglich durchführbar. Auch komplexe Simulationen aller dieser Parameter wären sehr aufwändig, da der Großteil der Startparameter zu keinen kritischen Situationen führen würde und damit jeder Versuchsdurchlauf mit unkritischen Parameterkombinationen zeit- und kostenintensiv wäre, ohne eine Risikoeinschätzung zu ermöglichen. Eine klassische Modellbildung vorliegender Parameter in einer 3D-Simulation (3D-SiL), beispielsweise mithilfe des Simulationstools CARLA und einem modularen Stack automatisierter Fahrfunktionen mittels Pylot, würde mit einer relativ performanten Graphikkarte (z. B. NVIDIA GeForce RTX 2080 Ti) ca. 90 s pro Test dauern. Ein Großteil der Simulationen würde Startparameter betreffen, die nicht zu Kollisionen führen. Im betrachteten Szenario ist zu erwarten, dass der Anteil von Kollisionen im Bereich von 10-3 bis 10-6 liegt. Es müssten demnach Simulationsversuche im mittleren bis hohen fünfstelligen Bereich durchgeführt werden, um statistisch relevante Aussagen zu erhalten.Testing all parameters in reality would be extremely complex or almost impossible to carry out. Even complex simulations of all of these parameters would be very time-consuming, since the majority of the starting parameters would not lead to any critical situations and therefore each test run with non-critical parameter combinations would be time-consuming and costly without enabling a risk assessment. A classic modeling of existing parameters in a 3D simulation (3D-SiL), for example using the simulation tool CARLA and a modular stack of automated driving functions using Pylot, would take approx. 90 s per test. A majority of the simulations would involve seed parameters that do not lead to collisions. In the scenario considered, it is to be expected that the proportion of collisions will be in the range of 10 -3 to 10 -6 . Accordingly, simulation tests in the mid to high five-digit range would have to be carried out in order to obtain statistically relevant statements.

Daher wird das Verhalten der aufwändigen 3D-Simulation durch ein Meta-Modell abgebildet. Im vorliegenden Beispiel ist dies ein Gauß'sches-Prozess-Modell, welches mit einer Anzahl von 200 Testläufen trainiert wird. Das Training dauert ca. 5 s. Das Risiko wird mittels des minimalen Anstandes d*min zwischen Ego-Fahrzeug 1 und Fußgänger 2 nach Aktivierung des Notbremsassistenten bestimmt. Kommt es zu einer Kollision, wird das Risiko anhand des theoretisch verbleibenden Bremsweges bestimmt. d m i n * = { d m i n , i f   d m i n > 0 v A V   c o l / 2 ( 2 g μ f r i c ) , o t h e r w i s e

Figure DE102022107338B3_0003
Therefore, the behavior of the complex 3D simulation is represented by a meta model. In the present example, this is a Gaussian process model that is trained with a number of 200 test runs. The training lasts about 5 s. The risk is determined using the minimum distance d* min between ego vehicle 1 and pedestrian 2 after activation of the emergency brake assistant. If a collision occurs, the risk is determined based on the theoretical remaining braking distance. i.e m i n * = { i.e m i n , i f i.e m i n > 0 v A V c O l / 2 ( 2 G µ f right i c ) , O t H e right w i s e
Figure DE102022107338B3_0003

Das Meta-Modell wird weiter vereinfacht und ressourcensparender, wenn ein Wahrnehmungsmodell eingeführt wird. Dies bestimmt, ob ein Fußgänger 2 überhaupt erkannt wurde. Dazu wird ein Extra-Tree-Klassifikator verwendet, der mit einzeln gerenderten Bildern von Fußgängern und variierenden Wetterbedingungen trainiert wird. Wenn ein Fußgänger 2 erkannt wird, folgt ein Extra-Tree-Regressor, der die wahrgenommene Position des Fußgängers 2 aus Sicht der automatisierten Fahrfunktion (Ego-Vehicle 1) bestimmt.The meta model is further simplified and more resource efficient when a perceptual model is introduced. This determines whether a pedestrian 2 has been detected at all. To do this, an extra-tree classifier is used, which is trained with individually rendered images of pedestrians and varying weather conditions. If a pedestrian 2 is detected, an extra tree regressor follows, which determines the perceived position of pedestrian 2 from the point of view of the automated driving function (ego vehicle 1).

Derart kann ein komplexes Sensormodell durch zwei einfache und skalierbare Meta-Modelle ersetzt werden. Diese lassen zwar keine hinreichend genaue Bestimmung des Szenarien-Risikos zu, liefern aber hinreichend genaue kritische Parameterkombinationen zum weiteren Testen. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann dann pro Simulationsdurchlauf (Frame) ein zufälliges Klassifikations- und Regressionsmodell aus einer Vielzahl derart trainierter Modelle ausgewählt werden. So kann beispielsweise ein Sensormodell durch ein trainiertes Modell-Ensemble abgebildet werden, wobei zur Laufzeit für jeden Frame ein Ensemble-Modell ausgewählt wird. Damit kann systematisches und zufälliges Sensorrauschen sehr effizient simuliert werden.In this way, a complex sensor model can be replaced by two simple and scalable meta-models. Although these do not allow the scenario risk to be determined with sufficient accuracy, they do provide sufficiently accurate critical parameter combinations for further testing. In a particularly advantageous embodiment, a random classification and regression model can then be selected from a large number of models trained in this way for each simulation run (frame). For example, a sensor model can be mapped by a trained model ensemble, with an ensemble model being selected for each frame at runtime. This allows systematic and random sensor noise to be simulated very efficiently.

Auch das Dynamik-Modell der aufwändigen 3D-Simulation für einen HiL-Test kann durch ein Meta-Modell modelliert werden. So wird die Eigengeschwindigkeit, die Beschleunigung sowie das Schub- und Bremsverhalten von vier aufeinander folgenden Zeitschritten (Frames) verwendet, um ein Extra-Tree-Regressionsmodell zur Vorhersage der Beschleunigung/Verzögerung für den nächsten Zeitschritt zu parametrisieren.The dynamic model of the complex 3D simulation for a HiL test can also be modeled using a meta model. The airspeed, acceleration, and overrun and braking behavior of four consecutive time steps (frames) are used to parameterize an extra-tree regression model for predicting the acceleration/deceleration for the next time step.

Die Ergebnisse der performanten, skalierbaren Testumgebung, also die kritischen Parameterkombinationen, können gegebenenfalls für die komplexe, vertrauenswürdige Testumgebung transferiert werden. Dabei können Methoden des Transfer Learnings verwendet werden. Handelt es sich um die selben Parameter, die in beide Testumgebungen eingehen, findet das sogenannte homogeneous Transfer Learning statt. Für den Fall, dass die szenariospezifischen Parameter nicht für beide Testumgebungen identisch gewählt werden, kann das sogenannte heterogeneous Transfer Learning für den Transfer der Parameter zwischen beiden Testumgebungen verwendet werden. Dies kann beispielsweise bestimmte Wetterbedingungen betreffen. So kann Regen in einer 3D-Simulation direkt simuliert werden, wohingegen es in der 2D-Simulation lediglich ein Rauschen ist.The results of the high-performance, scalable test environment, i.e. the critical parameter combinations, can be transferred to the complex, trustworthy test environment if necessary. Transfer learning methods can be used for this. If the same parameters are used in both test environments, the so-called homogeneous transfer learning takes place. In the event that the scenario-specific parameters are not selected identically for both test environments, so-called heterogeneous transfer learning can be used to transfer the parameters between the two test environments. This can affect certain weather conditions, for example. Rain can be simulated directly in a 3D simulation, whereas it is just noise in the 2D simulation.

Die erfindungsgemäße Methode kann als Transfer Importance Sampling bezeichnet werden, das Methoden verschiedener Testumgebungen zusammenführt. Dabei können Verzerrungen (Bias und Abweichungen von der Realität) einzelner Schätzmethoden aus dem Stand der Technik, die nur durch eine hohe Anzahl an Tests verringert werden können, umgangen werden.The method according to the invention can be referred to as transfer importance sampling, which combines methods from different test environments. Distortions (bias and deviations from reality) of individual estimation methods from the prior art, which can only be reduced by a large number of tests, can be avoided.

BezugszeichenlisteReference List

11
Ego-Fahrzeugego vehicle
22
Fußgängerpedestrian
d0d0
longitudinaler Abstand Ego-Fahrzeug und Fußgängerlongitudinal distance ego vehicle and pedestrian
di.e
wahrgenommener Abstand Ego-Fahrzeug und Fußgängerperceived distance between ego vehicle and pedestrian
dpeddped
lateraler Abstand Ego-Fahrzeug und Fußgängerlateral distance of ego vehicle and pedestrian
vAVvAV
Geschwindigkeit Ego-Fahrzeugspeed ego vehicle
vpedvped
Geschwindigkeit Fußgängerspeed pedestrians

Claims (4)

Verfahren zum Testen automatisierter Fahrfunktionen mit folgenden Schritten: - Definieren von logischen Testszenarien mittels szenariospezifischen Parametern und Erstellen eines Parameterraums der szenariospezifischen Parameter, - Ermitteln der Verteilung der szenariospezifischen Parameter über den gesamten Parameterraum, - Definieren von szenariospezifischen Gefährdungen, - Ermitteln einer Gefährdungsausprägung in Abhängigkeit der szenariospezifischen Parameter über den gesamten Parameterraum, - Ermitteln kritischer szenariospezifischer Parameterkombinationen innerhalb des gesamten Parameterraums in Abhängigkeit der ermittelten Auftretenswahrscheinlichkeit der szenariospezifischen Parameter und der ermittelten Gefährdungsausprägung sowie Ermitteln einer Verteilung der kritischen szenariospezifischen Parameterkombinationen, - Testen der automatisierten Fahrfunktion in Abhängigkeit der ermittelten kritischen szenariospezifischen Parameterkombinationen und - Ermitteln eines szenariospezifischen Risikos in Abhängigkeit des Testens der automatisierten Fahrzeugfunktion, dadurch gekennzeichnet, dass - das Ermitteln der Gefährdungsausprägung in Abhängigkeit der szenariospezifischen Parameter über den gesamten Parameterraum mittels einer performanten, skalierbaren Testumgebung und - das Testen der automatisierten Fahrfunktion in Abhängigkeit der ermittelten kritischen szenariospezifischen Parameterkombinationen mittels einer aufwändigen, vertrauenswürdigen Testumgebung erfolgt.Method for testing automated driving functions with the following steps: - Defining logical test scenarios using scenario-specific parameters and creating a parameter space of the scenario-specific parameters, - Determining the distribution of the scenario-specific parameters over the entire parameter space, - Defining scenario-specific hazards, - Determining a hazard characteristic depending on the scenario-specific parameters over the entire parameter space, - determining critical scenario-specific parameter combinations within the entire parameter space depending on the determined probability of occurrence of the scenario-specific parameters and the determined hazard characteristics as well as determining a distribution of the critical scenario-specific parameter combinations, - testing the automated driving function depending on the determined critical scenario-specific parameter combinations and - Determining a scenario-specific risk depending on the testing of the automated vehicle function, characterized in that - determining the risk characteristics depending on the scenario-specific parameters over the entire parameter space using a high-performance, scalable test environment and - testing the automated driving function depending on the determined critical scenario-specific Parameter combinations are carried out using a complex, trustworthy test environment. Verfahren zum Testen automatisierter Fahrfunktionen nach Anspruch 1, wobei die performante, skalierbare Testumgebung mittels eines Meta-Modells modelliert wird.Procedure for testing automated driving functions claim 1 , whereby the high-performance, scalable test environment is modeled using a meta model. Verfahren zum Testen automatisierter Fahrzeugfunktionen nach Anspruch 2, wobei das Meta-Modell ein trainiertes Klassifikationsmodell ist.Procedure for testing automated vehicle functions claim 2 , where the meta-model is a trained classification model. Verfahren zum Testen automatisierter Fahrzeugfunktionen nach Anspruch 2, wobei das Meta-Modell ein trainiertes Regressionsmodell ist.Procedure for testing automated vehicle functions claim 2 , where the meta-model is a trained regression model.
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