在现代自治堆栈中，预测模块对于在其他移动代理的存在下计划动作至关重要。但是，预测模块的失败会误导下游规划师做出不安全的决定。确实，轨迹预测任务固有的高度不确定性可确保这种错误预测经常发生。由于需要提高自动驾驶汽车的安全而不受损害其性能的需求，我们开发了一个概率运行时监视器，该监视器检测到何时发生“有害”预测故障，即与任务相关的失败检测器。我们通过将轨迹预测错误传播到计划成本来推理其对AV的影响来实现这一目标。此外，我们的检测器还配备了假阳性和假阴性速率的性能度量，并允许进行无数据校准。在我们的实验中，我们将检测器与其他各种检测器进行了比较，发现我们的检测器在接收器操作员特征曲线下具有最高的面积。

Autonomous vehicles must often contend with conflicting planning requirements, e.g., safety and comfort could be at odds with each other if avoiding a collision calls for slamming the brakes. To resolve such conflicts, assigning importance ranking to rules (i.e., imposing a rule hierarchy) has been proposed, which, in turn, induces rankings on trajectories based on the importance of the rules they satisfy. On one hand, imposing rule hierarchies can enhance interpretability, but introduce combinatorial complexity to planning; while on the other hand, differentiable reward structures can be leveraged by modern gradient-based optimization tools, but are less interpretable and unintuitive to tune. In this paper, we present an approach to equivalently express rule hierarchies as differentiable reward structures amenable to modern gradient-based optimizers, thereby, achieving the best of both worlds. We achieve this by formulating rank-preserving reward functions that are monotonic in the rank of the trajectories induced by the rule hierarchy; i.e., higher ranked trajectories receive higher reward. Equipped with a rule hierarchy and its corresponding rank-preserving reward function, we develop a two-stage planner that can efficiently resolve conflicting planning requirements. We demonstrate that our approach can generate motion plans in ~7-10 Hz for various challenging road navigation and intersection negotiation scenarios.

为了实现安全的自动驾驶汽车（AV）操作，至关重要的是，AV的障碍检测模块可以可靠地检测出构成安全威胁的障碍物（即是安全至关重要的）。因此，希望对感知系统的评估指标捕获对象的安全性 - 临界性。不幸的是，现有的感知评估指标倾向于对物体做出强烈的假设，而忽略了代理之间的动态相互作用，因此不能准确地捕获现实中的安全风险。为了解决这些缺点，我们通过考虑自我车辆和现场障碍之间的闭环动态相互作用来引入互动障碍感知障碍检测评估度量指标。通过从最佳控制理论借用现有理论，即汉密尔顿 - 雅各比的可达性，我们提出了一种可构造``安全区域''的计算障碍方法：一个国家空间中的一个区域，该区域定义了安全 - 关键障碍为了定义安全目的的位置指标。我们提出的安全区已在数学上完成，并且可以轻松计算以反映各种安全要求。使用Nuscenes检测挑战排行榜的现成检测算法，我们证明我们的方法是计算轻量级，并且可以更好地捕获与基线方法更好地捕获关键的安全感知错误。

Autonomous vehicle (AV) stacks are typically built in a modular fashion, with explicit components performing detection, tracking, prediction, planning, control, etc. While modularity improves reusability, interpretability, and generalizability, it also suffers from compounding errors, information bottlenecks, and integration challenges. To overcome these challenges, a prominent approach is to convert the AV stack into an end-to-end neural network and train it with data. While such approaches have achieved impressive results, they typically lack interpretability and reusability, and they eschew principled analytical components, such as planning and control, in favor of deep neural networks. To enable the joint optimization of AV stacks while retaining modularity, we present DiffStack, a differentiable and modular stack for prediction, planning, and control. Crucially, our model-based planning and control algorithms leverage recent advancements in differentiable optimization to produce gradients, enabling optimization of upstream components, such as prediction, via backpropagation through planning and control. Our results on the nuScenes dataset indicate that end-to-end training with DiffStack yields substantial improvements in open-loop and closed-loop planning metrics by, e.g., learning to make fewer prediction errors that would affect planning. Beyond these immediate benefits, DiffStack opens up new opportunities for fully data-driven yet modular and interpretable AV architectures. Project website: https://sites.google.com/view/diffstack

相应地预测周围交通参与者的未来状态，并计划安全，平稳且符合社会的轨迹对于自动驾驶汽车至关重要。当前的自主驾驶系统有两个主要问题：预测模块通常与计划模块解耦，并且计划的成本功能很难指定和调整。为了解决这些问题，我们提出了一个端到端的可区分框架，该框架集成了预测和计划模块，并能够从数据中学习成本函数。具体而言，我们采用可区分的非线性优化器作为运动计划者，该运动计划将神经网络给出的周围剂的预测轨迹作为输入，并优化了自动驾驶汽车的轨迹，从而使框架中的所有操作都可以在框架中具有可观的成本，包括成本功能权重。提出的框架经过大规模的现实驾驶数据集进行了训练，以模仿整个驾驶场景中的人类驾驶轨迹，并在开环和闭环界面中进行了验证。开环测试结果表明，所提出的方法的表现优于各种指标的基线方法，并提供以计划为中心的预测结果，从而使计划模块能够输出接近人类的轨迹。在闭环测试中，提出的方法表明能够处理复杂的城市驾驶场景和鲁棒性，以抵抗模仿学习方法所遭受的分配转移。重要的是，我们发现计划和预测模块的联合培训比在开环和闭环测试中使用单独的训练有素的预测模块进行计划要比计划更好。此外，消融研究表明，框架中的可学习组件对于确保计划稳定性和性能至关重要。

当在高风险机器人应用程序中部署机器学习模型时，检测不安全情况的能力至关重要。当迫在眉睫的情况下（在没有纠正措施的情况下），预警系统可以提供警报。为了可靠地提高安全性，这些警告系统应具有可证明的假负率；即，在没有警报的情况下，将发生不安全的情况，少于$ \ epsilon $。在这项工作中，我们提出了一个框架，将一种统计推理技术与机器人/环境动力学的模拟器相结合，以调整警告系统，以实现$ \ epsilon $ false的负率，使用$ 1//$ 1/\ epsilon $数据点。我们将框架应用于驾驶员警告系统和机器人抓握应用程序，并在经验上证明了错误的负率，同时也观察到较低的虚假检测（正）率。

Making safe and human-like decisions is an essential capability of autonomous driving systems and learning-based behavior planning is a promising pathway toward this objective. Distinguished from existing learning-based methods that directly output decisions, this work introduces a predictive behavior planning framework that learns to predict and evaluate from human driving data. Concretely, a behavior generation module first produces a diverse set of candidate behaviors in the form of trajectory proposals. Then the proposed conditional motion prediction network is employed to forecast other agents' future trajectories conditioned on each trajectory proposal. Given the candidate plans and associated prediction results, we learn a scoring module to evaluate the plans using maximum entropy inverse reinforcement learning (IRL). We conduct comprehensive experiments to validate the proposed framework on a large-scale real-world urban driving dataset. The results reveal that the conditional prediction model is able to forecast multiple possible future trajectories given a candidate behavior and the prediction results are reactive to different plans. Moreover, the IRL-based scoring module can properly evaluate the trajectory proposals and select close-to-human ones. The proposed framework outperforms other baseline methods in terms of similarity to human driving trajectories. Moreover, we find that the conditional prediction model can improve both prediction and planning performance compared to the non-conditional model, and learning the scoring module is critical to correctly evaluating the candidate plans to align with human drivers.

安全可靠的自治解决方案是下一代智能运输系统的关键组成部分。这种系统中的自动驾驶汽车必须实时考虑复杂而动态的驾驶场景，并预测附近驾驶员的行为。人类驾驶行为非常细微，对个别交通参与者具有特殊性。例如，在合并车辆的情况下，驾驶员可能会显示合作或非合作行为。这些行为必须估算并纳入安全有效驾驶的计划过程中。在这项工作中，我们提出了一个框架，用于估计高速公路上驾驶员的合作水平，并计划将动作与驾驶员的潜在行为合并。潜在参数估计问题使用粒子滤波器解决，以近似合作级别的概率分布。包括潜在状态估算的部分可观察到的马尔可夫决策过程（POMDP）在线解决，以提取合并车辆的政策。我们在高保真汽车模拟器中评估我们的方法，以对潜在状态不可知或依赖于$ \ textit {a先验{先验} $假设。

这项工作研究了以下假设：与人类驾驶状态的部分可观察到的马尔可夫决策过程（POMDP）计划可以显着提高自动高速公路驾驶的安全性和效率。我们在模拟场景中评估了这一假设，即自动驾驶汽车必须在快速连续中安全执行三个车道变化。通过观测扩大（POMCPOW）算法，通过部分可观察到的蒙特卡洛计划获得了近似POMDP溶液。这种方法的表现优于过度自信和保守的MDP基准，匹配或匹配效果优于QMDP。相对于MDP基准，POMCPOW通常将不安全情况的速率降低了一半或将成功率提高50％。

在这项工作中，我们提出了世界上第一个基于闭环ML的自动驾驶计划基准。虽然存在基于ML的ML的越来越多的ML的议员，但缺乏已建立的数据集和指标限制了该领域的进展。自主车辆运动预测的现有基准专注于短期运动预测，而不是长期规划。这导致了以前的作品来使用基于L2的度量标准的开放循环评估，这不适合公平地评估长期规划。我们的基准通过引入大规模驾驶数据集，轻量级闭环模拟器和特定于运动规划的指标来克服这些限制。我们提供高质量的数据集，在美国和亚洲的4个城市提供1500h的人类驾驶数据，具有广泛不同的交通模式（波士顿，匹兹堡，拉斯维加斯和新加坡）。我们将提供具有无功代理的闭环仿真框架，并提供一系列一般和方案特定的规划指标。我们计划在Neurips 2021上发布数据集，并在2022年初开始组织基准挑战。

我们解决了由具有不同驱动程序行为的道路代理人填充的密集模拟交通环境中的自我车辆导航问题。由于其异构行为引起的代理人的不可预测性，这种环境中的导航是挑战。我们提出了一种新的仿真技术，包括丰富现有的交通模拟器，其具有与不同程度的侵略性程度相对应的行为丰富的轨迹。我们在驾驶员行为建模算法的帮助下生成这些轨迹。然后，我们使用丰富的模拟器培训深度加强学习（DRL）策略，包括一组高级车辆控制命令，并在测试时间使用此策略来执行密集流量的本地导航。我们的政策隐含地模拟了交通代理商之间的交互，并计算了自助式驾驶员机动，例如超速，超速，编织和突然道路变化的激进驾驶员演习的安全轨迹。我们增强的行为丰富的模拟器可用于生成由对应于不同驱动程序行为和流量密度的轨迹组成的数据集，我们的行为的导航方案可以与最先进的导航算法相结合。

Robots such as autonomous vehicles and assistive manipulators are increasingly operating in dynamic environments and close physical proximity to people. In such scenarios, the robot can leverage a human motion predictor to predict their future states and plan safe and efficient trajectories. However, no model is ever perfect -- when the observed human behavior deviates from the model predictions, the robot might plan unsafe maneuvers. Recent works have explored maintaining a confidence parameter in the human model to overcome this challenge, wherein the predicted human actions are tempered online based on the likelihood of the observed human action under the prediction model. This has opened up a new research challenge, i.e., \textit{how to compute the future human states online as the confidence parameter changes?} In this work, we propose a Hamilton-Jacobi (HJ) reachability-based approach to overcome this challenge. Treating the confidence parameter as a virtual state in the system, we compute a parameter-conditioned forward reachable tube (FRT) that provides the future human states as a function of the confidence parameter. Online, as the confidence parameter changes, we can simply query the corresponding FRT, and use it to update the robot plan. Computing parameter-conditioned FRT corresponds to an (offline) high-dimensional reachability problem, which we solve by leveraging recent advances in data-driven reachability analysis. Overall, our framework enables online maintenance and updates of safety assurances in human-robot interaction scenarios, even when the human prediction model is incorrect. We demonstrate our approach in several safety-critical autonomous driving scenarios, involving a state-of-the-art deep learning-based prediction model.

自治车辆的评估和改善规划需要可扩展的长尾交通方案。有用的是，这些情景必须是现实的和挑战性的，但不能安全地开车。在这项工作中，我们介绍努力，一种自动生成具有挑战性的场景的方法，导致给定的计划者产生不良行为，如冲突。为了维护情景合理性，关键的想法是利用基于图形的条件VAE的形式利用学习的交通运动模型。方案生成在该流量模型的潜在空间中制定了优化，通过扰乱初始的真实世界的场景来产生与给定计划者碰撞的轨迹。随后的优化用于找到“解决方案”的场景，确保改进给定的计划者是有用的。进一步的分析基于碰撞类型的群集生成的场景。我们攻击两名策划者并展示争取在这两种情况下成功地产生了现实，具有挑战性的情景。我们另外“关闭循环”并使用这些方案优化基于规则的策划器的超参数。

基于神经网络的驾驶规划师在改善自动驾驶的任务绩效方面表现出了巨大的承诺。但是，确保具有基于神经网络的组件的系统的安全性，尤其是在密集且高度交互式的交通环境中，这是至关重要的，但又具有挑战性。在这项工作中，我们为基于神经网络的车道更改提出了一个安全驱动的互动计划框架。为了防止过度保守计划，我们确定周围车辆的驾驶行为并评估其侵略性，然后以互动方式相应地适应了计划的轨迹。如果在预测的最坏情况下，即使存在安全的逃避轨迹，则自我车辆可以继续改变车道；否则，它可以停留在当前的横向位置附近或返回原始车道。我们通过广泛而全面的实验环境以及在自动驾驶汽车公司收集的现实情况下进行了广泛的模拟，定量证明了计划者设计的有效性及其优于基线方法的优势。

游戏理论运动计划者是控制多个高度交互式机器人系统的有效解决方案。大多数现有的游戏理论规划师不切实际地假设所有代理都可以使用先验的目标功能知识。为了解决这个问题，我们提出了一个容忍度的退缩水平游戏理论运动计划者，该计划者利用了与意图假设的可能性相互交流。具体而言，机器人传达其目标函数以结合意图。离散的贝叶斯过滤器旨在根据观察到的轨迹与传达意图的轨迹之间的差异来实时推断目标。在仿真中，我们考虑了三种安全至关重要的自主驾驶场景，即超车，车道交叉和交叉点，以证明我们计划者在存在通信网络中存在错误的传输情况下利用替代意图假设来产生安全轨迹的能力。

仿真是对机器人系统（例如自动驾驶汽车）进行扩展验证和验证的关键。尽管高保真物理和传感器模拟取得了进步，但在模拟道路使用者的现实行为方面仍然存在一个危险的差距。这是因为，与模拟物理和图形不同，设计人类行为的第一个原理模型通常是不可行的。在这项工作中，我们采用了一种数据驱动的方法，并提出了一种可以学会从现实世界驱动日志中产生流量行为的方法。该方法通过将交通仿真问题分解为高级意图推理和低级驾驶行为模仿，通过利用驾驶行为的双层层次结构来实现高样本效率和行为多样性。该方法还结合了一个计划模块，以获得稳定的长马行为。我们从经验上验证了我们的方法，即交通模拟（位）的双层模仿，并具有来自两个大规模驾驶数据集的场景，并表明位表明，在现实主义，多样性和长途稳定性方面可以达到平衡的交通模拟性能。我们还探索了评估行为现实主义的方法，并引入了一套评估指标以进行交通模拟。最后，作为我们的核心贡献的一部分，我们开发和开源一个软件工具，该工具将跨不同驱动数据集的数据格式统一，并将现有数据集将场景转换为交互式仿真环境。有关其他信息和视频，请参见https://sites.google.com/view/nvr-bits2022/home

在公共道路上大规模的自动车辆部署有可能大大改变当今社会的运输方式。尽管这种追求是在几十年前开始的，但仍有公开挑战可靠地确保此类车辆在开放环境中安全运行。尽管功能安全性是一个完善的概念，但测量车辆行为安全的问题仍然需要研究。客观和计算分析交通冲突的一种方法是开发和利用所谓的关键指标。在与自动驾驶有关的各种应用中，当代方法利用了关键指标的潜力，例如用于评估动态风险或过滤大型数据集以构建方案目录。作为系统地选择适当的批判性指标的先决条件，我们在自动驾驶的背景下广泛回顾了批判性指标，其属性及其应用的现状。基于这篇综述，我们提出了一种适合性分析，作为一种有条不紊的工具，可以由从业者使用。然后，可以利用提出的方法和最新审查的状态来选择涵盖应用程序要求的合理的测量工具，如分析的示例性执行所证明。最终，高效，有效且可靠的衡量自动化车辆安全性能是证明其可信赖性的关键要求。

自主驾驶的典型轨迹计划通常依赖于预测周围障碍的未来行为。近年来，由于其令人印象深刻的性能，基于深度学习的预测模型已被广泛使用。但是，最近的研究表明，在长尾驾驶场景分布之后，在数据集上训练的深度学习模型将遭受“尾巴”的大量预测错误，这可能会导致计划者的失败。为此，这项工作定义了预测模型不确定性的概念，以量化由于数据稀疏而导致的高错误。此外，这项工作提出了一个轨迹规划师，以考虑对更安全性能的这种预测不确定性。首先，由于培训数据不足而导致的预测模型的不确定性是由集成网络结构估算的。然后，轨迹规划师的设计目的是考虑预测不确定性引起的最坏情况。结果表明，在数据不足引起的预测不确定性下，提出的方法可以提高轨迹计划的安全性。同时，使用足够的数据，该框架不会导致过度保守的结果。这项技术有助于在现实世界的长尾数据分布下提高自动驾驶汽车的安全性和可靠性。

Accurately predicting interactive road agents' future trajectories and planning a socially compliant and human-like trajectory accordingly are important for autonomous vehicles. In this paper, we propose a planning-centric prediction neural network, which takes surrounding agents' historical states and map context information as input, and outputs the joint multi-modal prediction trajectories for surrounding agents, as well as a sequence of control commands for the ego vehicle by imitation learning. An agent-agent interaction module along the time axis is proposed in our network architecture to better comprehend the relationship among all the other intelligent agents on the road. To incorporate the map's topological information, a Dynamic Graph Convolutional Neural Network (DGCNN) is employed to process the road network topology. Besides, the whole architecture can serve as a backbone for the Differentiable Integrated motion Prediction with Planning (DIPP) method by providing accurate prediction results and initial planning commands. Experiments are conducted on real-world datasets to demonstrate the improvements made by our proposed method in both planning and prediction accuracy compared to the previous state-of-the-art methods.

然而，由于各种交通/道路结构方案以及人类驾驶员行为的长时间分布，自动驾驶的感应，感知和本地化取得了重大进展，因此，对于智能车辆来说，这仍然是一个持开放态度的挑战始终知道如何在有可用的传感 /感知 /本地化信息的道路上做出和执行最佳决定。在本章中，我们讨论了人工智能，更具体地说，强化学习如何利用运营知识和安全反射来做出战略性和战术决策。我们讨论了一些与强化学习解决方案的鲁棒性及其对自动驾驶驾驶策略的实践设计有关的具有挑战性的问题。我们专注于在高速公路上自动驾驶以及增强学习，车辆运动控制和控制屏障功能的整合，从而实现了可靠的AI驾驶策略，可以安全地学习和适应。