📚 课程目录第4章行为规划基础

4. 行为规划基础

在 Autoware 的规划栈中，行为规划位于全局路线规划与局部运动规划之间，承担“当前该做什么”的决策职责。它不直接计算方向盘转角或油门开度，而是把感知、地图、定位和任务信息综合成一组离散的行为意图，例如车道保持、跟车、变道、路口等待、靠边停车。运动规划再把这些意图翻译成平滑、可执行的轨迹。理解行为规划，核心是理解状态、条件、迁移与优先级。

一、核心原理：从状态到行为的映射

行为规划的本质是一个离散决策系统。系统在任意时刻处于某个行为状态，当满足特定条件时发生状态迁移。形式化地，可以表示为：

Behavior = f(State, Perception, Map, Mission)
Transition: State_i --[Condition]--> State_j

其中 State 是当前行为状态，Perception 提供动态障碍物、交通灯、行人等信息，Map 提供车道、路口、限速等静态语义，Mission 提供目的地与路线约束。行为规划的输出通常是一段带有时间戳和优先级的行为指令序列，供下游运动规划消费。

行为规划解决的是“做什么”，运动规划解决的是“怎么做”。二者边界清晰，但接口必须稳定：行为层输出语义化指令，运动层负责几何与动力学可行性。

二、有限状态机：直观但易膨胀

有限状态机（FSM）是最早被广泛采用的行为规划方法。它把驾驶任务拆成有限个状态，并用迁移条件连接。典型状态包括：

LANE_KEEP：沿当前车道行驶，保持横向偏差与速度约束。
FOLLOW：前方存在慢车，保持安全时距跟车。
LANE_CHANGE：满足间隙与安全条件后执行变道。
INTERSECTION_WAIT：接近路口，等待信号灯或让行。
PULL_OVER：到达目的地附近，靠边停车。

FSM 的优点是可解释性强、实现简单、调试直观。但缺点同样明显：当状态和条件增多时，迁移关系呈组合爆炸，容易出现“状态遗漏”或“条件冲突”。例如同时满足变道条件和跟车条件时，若优先级未定义，系统行为将不确定。

三、行为树：模块化与可组合的决策结构

行为树（Behavior Tree, BT）用树形结构组织决策逻辑，节点分为控制节点和执行节点。常见控制节点包括：

节点类型	语义	典型用途
Sequence	顺序执行，全部成功才成功	“先检查间隙，再变道”
Selector	依次尝试，任一成功即成功	“优先变道，否则跟车”
Parallel	并行执行，按策略判定	“同时监控障碍与车道”
Decorator	修饰子节点，如取反、超时	“条件不满足时重试”

行为树的优势在于模块化、可复用、可组合。每个子树可以独立测试，整棵树通过 tick 信号驱动，天然支持优先级与回退。Autoware 中常见的场景规划、路口决策、避障选择都可以用行为树表达。

四、场景理解与行为选择

行为选择不是孤立的条件判断，而是建立在场景理解之上。场景理解需要回答三个问题：

我在哪：定位与地图匹配，确定当前车道、路口、区域类型。
周围有什么：动态障碍物、交通参与者、信号灯、标志标线。
接下来会发生什么：基于预测轨迹判断交互风险与通行权。

在 Autoware 中，场景理解常通过场景模块实现，例如路口场景、人行横道场景、停车场景。每个场景模块负责识别触发条件、生成候选行为、评估代价并输出决策。行为选择则依据安全、效率、舒适、合规四个维度进行排序。

五、案例：无保护左转的行为决策

以无保护左转为例，行为规划需要综合对向直行车流、行人、信号灯和路口几何。一个简化的决策流程如下：

if 信号灯 == 绿灯 and 对向无冲突车辆:
    行为 = 左转通过
elif 对向有车辆 but 间隙足够:
    行为 = 左转通过
elif 对向有车辆 and 间隙不足:
    行为 = 路口等待
elif 行人正在横穿:
    行为 = 让行等待
else:
    行为 = 减速观察

在行为树中，这可以表达为 Selector 下的多个 Sequence：每个 Sequence 先检查条件，再执行动作。若条件不满足，则回退到下一个分支。这种结构比嵌套 if-else 更清晰，也更容易扩展新场景。

行为树的条件节点应尽量保持“无副作用”，只做判断；动作节点才改变车辆状态。这样便于单元测试和回放调试。

六、常见误区与复盘

把行为规划写成巨型 if-else：短期可行，长期难以维护，条件冲突时行为不可预测。
忽略优先级定义：多个条件同时满足时，必须明确安全优先于效率。
场景理解不足：只依赖障碍物距离，不结合地图语义，容易在路口误判通行权。
行为与运动规划耦合过紧：行为层输出过于具体的轨迹，失去语义抽象，难以复用。
缺少回放与可视化：行为切换过程不可观测，排障成本极高。

行为规划的安全边界必须显式定义：任何行为选择都不能突破碰撞避免、交通法规和车辆动力学约束。优先级排序中，安全永远第一。

总结来看，有限状态机适合简单、确定性的场景；行为树适合复杂、可组合的决策逻辑；场景理解提供决策依据；行为选择则依据安全、合规、效率、舒适进行排序。在 Autoware 工程实践中，通常将三者结合：用场景模块识别当前场景，用行为树组织决策逻辑，用状态机管理底层行为状态，最终输出稳定、可解释、可测试的行为指令。