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Rethinking the Open-Loop Evaluation of End-to-End Autonomous Driving in nuScenes
- 作者单位：百度
- 作者：共一 Jiang-Tian Zhai, Ze Feng，百度王井东组
- 发表：arXiv
- 论文链接：https://arxiv.org/abs/2305.10430
- 代码链接：https://github.com/E2E-AD/AD-MLP
关键词：端到端自动驾驶，nuScenes 开环评估
1. 摘要
现有的自动驾驶系统通常被分为三个主任务：感知、预测和规划；规划任务涉及到基于内部意图和外部环境来预测自车的运动轨迹，并操纵车辆。大部分现有方案在 nuScenes 数据集上评估他们的方法，评价指标为 L2 error 和碰撞率（collision rate）
本文重新对现有的评价指标做了评估，探索他们是否能够准确地度量不同方法的优越性。本文还设计了一个 MLP-based 方法，将原始 sensor 数据（历史轨迹、速度等）作为输入，直接输出自车的未来轨迹，不使用任何感知和预测信息，例如 camera 图像或者 LiDAR。令人惊讶的是：这样一个简单的方法在 nuScenes 数据集上达到了 SOTA 的 planning 性能，减少了 30% 的 L2 error。我们进一步深入分析，对于 nuScenes 数据集上的规划任务很重要的因子提供了一些新的见解。我们的观察还表明，我们需要重新思考 nuScenes 中端到端自动驾驶的开环评测方案。
2. 论文的目的、贡献及结论
本文希望对 nuScenes 上端到端自动驾驶的开环评测方案做评估；不使用视觉和 Lidar 的情况下，只使用自车状态和高级命令（一共 21 维的向量）作为输入就可以在 nuScenes 上达到 Planning 的 SOTA。作者由此指出了 nuScenes 上开环评测的不可靠性，给出了两个分析：nuScenes 数据集上自车轨迹倾向于直行或者曲率非常小的曲线；碰撞率的检测和网格密度相关，并且数据集的碰撞标注也有噪声，当前评估碰撞率的方法不够鲁棒和准确；
3. 论文的方法
3.1 简介及相关工作简述
现存的自动驾驶模型涉及到多个独立任务，例如感知、预测和规划。这种设计简化了跨团队写作的难度，但也会由于各个任务的优化和训练的独立性，导致整个系统的信息丢失和误差累积。端到端的方法被提出，这类方法从自车和周围环境的时空特征学习中受益。
相关工作：ST-P3[1] 提出一种可解释的基于视觉的端到端系统，将感知、预测和规划的特征学习进行统一。UniAD[2] 对 Planning 任务进行系统化设计，采用基于 query 的设计连接中间多个任务，可以对多个任务的关系进行建模和编码；VAD[3] 以完全向量化的方式对场景进行建模，不需要稠密的特征表示，在计算上更为高效。
本文希望探索现有的评估指标是否能准确地度量不同方法的优劣。本文仅使用了自车在行驶中的的物理状态（现有方法所使用信息的子集）来开展实验，而不是使用相机和激光雷达提供的感知和预测信息。总之，本文的模型没有用视觉或者点云特征的编码器，直接将自车的物理信息编码为一维向量，在 concat 之后送到 MLP 中。训练使用 GT 轨迹进行监督，模型直接预测自车未来一定时间内的轨迹点。follow 之前的工作，在 nuScenes 数据集上使用 L2 Error 和碰撞率（collision rate.）进行评估
虽然模型设计简单，但获得了最好的 Planning 结果，本文将此归因于当前评估指标的不足。事实上，通过使用过去的自车轨迹、速度、加速度和时间连续性，就可以在一定程度上反映出自车在未来的运动
3.2 模型结构
模型结构总览
模型输入包括两部分：自车状态以及代表未来短期运动趋势的高级命令。
自车状态：搜集了自车过去 =4帧的运动轨迹、瞬时速度和加速度
高级命令：由于我们的模型不使用高精地图，所以需要高级命令进行导航。按照常见的作法，定义了三种类型的命令：左转、直行和右转。具体来讲，当自车在未来 3s 中将向左或向右位移大于 2m 时，将相应的命令设置为左转或者右转，否则则是直行。使用维度为 1x3 的 one-hot 编码来表示高级命令
网络结构：网络就是简单的三层 MLP（输入到输出的维度分别为 21-512-512-18），最终输出的帧数=6,每一帧输出自车的轨迹位置（x,y 坐标）以及航向角（heading 角）
损失函数
损失函数：使用 L1 损失函数进行惩罚
4. 论文的实验
4.1 实验设置
数据集：在 nuScenes 数据集上做实验，nuScenes 数据集包括 1K 场景和大约 40K 关键帧，主要收集在波士顿和新加坡，使用配备 LiDAR 和周视摄像头的车辆。为每一帧收集的数据包括多视角 Camear 图像、LiDAR、速度、加速度等。
评测指标：使用 ST-P3 论文的评测代码（https://github.com/OpenPerceptionX/ST-P3/blob/main/stp3/metrics.py）。评估1s、2s和3s时间范围的输出轨迹。为了评估预测的自车轨迹的质量，计算了两个常用的指标：
L2 Error ：以米为单位，分别在下一个 1s、2s 和 3s 时间范围内自车的预测轨迹和真实轨迹之间计算平均 L2 误差；
碰撞率（collision rate）：以百分比为单位。为了确定自车与其他物体碰撞的频率，通过在预测轨迹上的每个航路点放置一个表示自车的 box ，然后检测与当前场景中车辆和行人的边界框的是否发生了碰撞，以计算碰撞率。
超参数设置及硬件：PaddlePaddle 和 PyTorch 框架，AdamW 优化器（4e-6 lr 及 1e-2 weight decay），cosine scheduler，训了 6 个 epoch，batch size 为 4，用了一张 V100
4.2 实验结果
表1 和现有的基于感知的方法进行比较
在表 1 中进行了一些消融实验。以分析速度、加速度、轨迹和 High-level Command 对本文模型性能的影响。令人惊讶的是，仅使用轨迹作为输入，没有感知信息，本文的 Baseline 模型已经实现了比所有现有方法更低的平均 L2 误差。
当我们逐渐向输入添加加速度、速度和 High-level Command 时，平均 L2 误差和碰撞率从 0.35m 降低到 0.23m，将 0.33% 降低到 0.12%。同时将 Ego State 和 High-level Command 作为输入的模型实现了最低的 L2 误差和碰撞率，超过了所有先前最先进的基于感知的方法，如最后一行所示。
4.3 实验分析
文章从两个角度分析了自我车辆状态在nuScenes训练集上的分布：未来3s的轨迹点；航向角（heading / yaw角）和曲率角（curvature angles）
nuScenes 训练集的分布分析。
在图 2 (a) 中绘制了训练集中的所有未来 3s 轨迹点。从图中可以看出，轨迹主要集中在中间部分(直)，轨迹主要是直线，或曲率非常小的曲线。
航向角表示相对于当前时间的未来行驶方向，而曲率角反映了车辆的转弯速度。如图 2 (b) 和 (c) 所示，近 70% 的航向角和曲率角分别位于 -0.2 到 0.2 和 -0.02 到 0.02 弧度的范围内。这一发现与从轨迹点分布中得出的结论是一致的。
基于上述对轨迹点、航向角和曲率角分布的分析，本文认为在 nuScenes 训练集中，自车倾向于沿直线前进，在短时间范围内行驶时以小角度前进。
Occupancy map 的不同网格大小引起 GT 轨迹会发生碰撞
在计算碰撞率时，现有方法的常见做法是将车辆和行人等对象投影到鸟瞰图 (BEV) 空间中，然后将它们转换为图中的占用区域。而这就是精度损失之处，我们发现一小部分 GT 轨迹样本（约2%）也与占用网格中的障碍物重叠，但自车在收集数据时实际上不会与其他任何对象发生碰撞，这导致碰撞被错误检测。当 ego 车辆接近某些对象时会导致错误的碰撞，例如小于单个 Occupancy map 像素的尺寸。
图三展示了这种现象的示例，以及两种不同网格大小的地面实况轨迹的碰撞检测结果。橙色是可能被误检为碰撞的车辆，在右下角所示的较小网格尺寸（0.1m）下，评估系统正确地将 GT 轨迹识别为不碰撞，但在右下角较大的网格尺寸（0.5m）下，会出现错误的碰撞检测。
在观察占用网格大小对轨迹碰撞检测的影响后，我们测试了网格大小为0.6m。nuScenes 训练集有 4.8% 的碰撞样本，而验证集有 3.0%。值得一提的是，当我们之前使用 0.5m 的网格大小时，验证集中只有 2.0% 的样本被错误分类为碰撞。这再次证明了当前评估碰撞率的方法不够鲁棒和准确的。
作者总结：本文的主要目的是提出我们的观察结果，而不是提出一个新的模型。尽管我们的模型在 nuScenes 数据集上表现良好，但我们承认它只是一个不切实际的玩具，无法在现实世界中发挥作用。在没有自车状态的情况下驾驶是一项难以克服的挑战。尽管如此，我们希望我们的见解将促进该领域的进一步研究，对端到端自动驾驶的进步能够重新评估。
5. 文章评价
这篇文章是对近期端到端自动驾驶在 nuScenes 数据集上评测的一次正本清源。不论是隐式端到端直接出 Planning 信号，还是显式端到端有中间环节的输出，很多都是在 nuScenes 数据集上评测的 Planning 指标，而 Baidu 这篇文章指出这种评测并不靠谱。这种文章其实还蛮有意思，发出来其实是打了很多同行的脸，但是也是在积极地推动行业往前走，或许端到端不用做到 Planning（感知预测端到端即可），或许大家在评估性能的时候多做一些闭环测试（CARLA 模拟器等），能够更好地推动自动驾驶社区的进步，能够把论文落到实车上。自动驾驶这条路，还是任重而道远~
参考
- ^ST-P3: End-to-end Vision-based Autonomous Driving via Spatial-Temporal Feature Learning
- ^Planning-oriented Autonomous Driving
- ^VAD: Vectorized Scene Representation for Efficient Autonomous Driving
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/skNDMk4B1rtvJ_o2CM9f8w
