CARLA 交通信号灯识别与响应

车辆接近信号灯路口时，读取灯色和到停止线的距离，决定该停车、减速还是直接 通过，再用纵向控制器执行。

代码在 src/ground/carla_traffic_light/。

为什么做这个

地面载具板块已经有不少模块，但把现有文档翻了一遍，「信号灯」和 「traffic light」一次都没有出现：

CARLA 自带的信号灯 API 也足够用，实测 get_state()、get_stop_waypoints() 都能正常返回。

决策规则

红灯

必定停车。任意时刻的目标速度按停车曲线给：

v_target = sqrt(2 · a_comfort · (d − margin))

d 是剩余距离，a_comfort 是舒适减速度（默认 2.0 m/s²），margin 是相对停止线 留的余量（默认 0.5 m）。这样速度随距离平方根下降，到停止线时自然归零。

如果按最大减速度（默认 6.0 m/s²）都停不住，就转为全力制动。

黄灯

黄灯不是简单的"减速"，要看当前速度下能不能在停止线前停住：

制动距离 d_brake = v² / (2 · a_max)

d_brake ≤ d    → 能停，减速停车
d_brake > d    → 停不住，保持通过

这也是真实信号灯辅助系统的做法：强行急刹反而更容易被追尾。

两个例外：

• 速度已经低于 min_speed（默认 0.3 m/s）时直接停——都在慢慢蹭了， 停下来总比越线安全
• 距离小于 yellow_min_gap（默认 1.0 m）时一律通过

绿灯 / 灯不亮

正常通过，不限制速度。

已经越过停止线

不再因红灯停车，这是为了避免车压在线上时来回犹豫。

纵向控制器

CARLA 的车辆控制接口吃的是 throttle ∈ [0,1] 和 brake ∈ [0,1]，不直接给 加速度，所以要有一层转换：

a_cmd = a_ff + kp·(v_target − v) + ki·∫(v_target − v)
a_cmd ≥ 0 → 油门 = a_cmd · throttle_gain
a_cmd < 0 → 刹车 = −a_cmd · brake_gain

为什么需要前馈

这一点是调试时发现的。停车曲线按 a = 2.0 m/s² 设计，如果只用 PI：

• 速度一接近目标，误差变小，刹车随之变弱
• 结果差一点没停住，冲过停止线

实测：黄灯场景下车辆减速到 3.29 m/s、距停止线 2.46 m 时，PI 只给出 0.39 的 刹车（约 2.3 m/s²），最后压线通过。

加上前馈 a_ff = −a_comfort 之后，曲线规定的减速度直接喂进去，PI 只负责 修正偏差，跟踪精度立刻就上来了。

运行结果

参数：舒适减速 2.0 m/s²，最大减速 6.0 m/s²，停车余量 0.5 m，初速 12 m/s， 初始距停止线 60 m。

红灯

蓝线是实际速度，灰线是停车曲线给的目标速度。两条线基本重合，说明控制器跟得住。

距离单调下降到 0 附近并稳定住，没有反向穿过。

前段给一点油门保持速度，进入停车曲线后刹车逐渐加深。

黄灯

黄灯在 60 m 外时按最大减速能停住（需要 12 m），所以选择和红灯一样的策略。

距离从 60 m 平滑降到 1.5 m 后保持，没有越过停止线。

油门全程为 0，刹车量在末段升到满值并保持，对应车辆停在停止线前。

绿灯

不加限制，保持 12 m/s 通过。

距离一路下降、穿过停止线后变为负值（到 −180 m），说明没有停车动作。

离线模型没有行驶阻力，保持 12 m/s 匀速既不需要油门也不需要刹车，两条曲线都贴在 0 上。

CARLA 真机运行

在 Ubuntu 20.04 上用 CARLA 客户端连 Windows 上跑的 CarlaUE4 服务端（0.9.16 ↔ 0.9.16）， 真实场景实测。CARLA 本身就是客户端/服务端分离的架构，两边分机器部署是官方支持的方式。

车从 52 m 外开始，按停车曲线减速，最终停在停止线前 1.44 米。全程灯色为红， 没有任何一次"通过"决策。

调试这一段时踩了几个坑，记下来免得后面再犯：

• 不能在停止线上生成自车。最初直接用 stop_waypoints[0].transform 生成， 结果距离一上来就是 0，全程"已越过停止线"，什么也测不到。要沿车道往回退。
• 必须给转向。只控油门刹车的话车会直直冲出路口撞墙，最后卡在那里速度一直是 0。
• 只盯目标灯。生成车用的是 A 灯，行驶时如果扫描所有灯取最近的那个，可能盯着 B 灯（B 是绿的），于是根本不停车。
• 异步模式会让车一卡一卡。服务器按自己帧率跑，客户端 20 Hz 发指令，两者对不齐。 改用 synchronous_mode + fixed_delta_seconds，由客户端 world.tick() 推帧后就平滑了。

CARLA 里的实现

carla_runner.py 做的事：

1. 连接 CARLA，找一台车生成到信号灯停止线附近
2. 挂一个前视 RGB 相机，用于存截图
3. 每帧：
4. 读自车位置与速度
5. 在信号灯里找前方最近的、且停止线在车前的那个
6. 读灯色，用自车到 stop_waypoints 的前向投影距离作为 d
7. 调 decide() 得动作与目标速度
8. 调控制器得油门/刹车，写回车辆
9. 按 save_every 间隔存截图

前向投影那一步很关键：直接用欧氏距离的话，车从停止线旁边开过去时距离会先 变小再变大，判定会抖动。投到车头方向上就单调了。

环境准备

开发和验证都在 Ubuntu 20.04 + Python 3.8 上做。代码里没有任何平台相关调用。

安装 CARLA 客户端

推荐直接用 CARLA 自带 PythonAPI 里的 egg，版本一定对得上：

export CARLA_HOME=~/CARLA_0.9.13
export PYTHONPATH=$PYTHONPATH:$CARLA_HOME/PythonAPI/carla/dist/carla-0.9.13-py3.7-linux-x86_64.egg

也可以 pip3 install carla==0.9.13。

验证：

python3 -c "import carla; print('ok')"

运行方法

离线仿真（不需要 CARLA）

cd src/ground/carla_traffic_light/scripts
python3 main.py                  # 红灯
python3 main.py --light Yellow
python3 main.py --all-lights     # 红黄绿依次跑

连接 CARLA

cd ~/CARLA_0.9.13
./CarlaUE4.sh -quality-level=Low -windowed -ResX=1000 -ResY=700

另开终端：

cd src/ground/carla_traffic_light/scripts
python3 main.py --carla --duration 30

launch 启动

roslaunch carla_traffic_light offline.launch
roslaunch carla_traffic_light main.launch

两个 launch 的参数都是 arg，由 args 拼成命令行传给 main.py。脚本本身不 import rospy、也不收发 ROS 消息，roslaunch 只负责把它当普通可执行文件拉起， 所以配置只能走命令行，不能写成 <param>。覆盖参数用 名字:=值：

roslaunch carla_traffic_light main.launch carla_host:=192.168.148.1 duration:=60
roslaunch carla_traffic_light offline.launch light:=Green

参数

config/tl_params.yaml：

环境与验证

以下结果都在 Ubuntu 20.04 + Python 3.8 上实际跑出：

$ python3 -m unittest discover -s tests
..............................................
----------------------------------------------------------------------
Ran 46 tests in 0.005s

OK

上面这段是加入 tests/test_launch.py 之前的 Ubuntu 记录。本轮新增 4 个用例， 总数 46 → 50；新用例在 Windows + Python 3.12 上跑通，Ubuntu 侧未重跑。

$ python3 scripts/main.py --all-lights
...
三种灯色的判决都已跑完

traffic_light_logic.py 与 longitudinal.py 只依赖标准库，不需要 CARLA、不需要 GPU，因此任何装了 Python 3.8 的机器都能复现。

关于 CARLA 集成：CARLA 的客户端与服务端本来就可以分机器部署。本项目在 Windows 上跑 CarlaUE4 服务端（0.9.16）验证真机闭环。Ubuntu 侧要当客户端的话需要 0.9.16 版本的客户端库，而 PyPI 上最高只发布到 0.9.15，两者协议不兼容（0.9.15 客户端读 0.9.16 的 world 会 std::bad_alloc 崩溃），所以跨机器联调这条路没走通。真机验证只在 Windows 上做。

测试

tests/test_logic.py 一共 46 个测试，覆盖两块：

信号灯决策（traffic_light_logic.py）

• 停车距离公式 d = v²/2a 及其平方关系
• 需要减速度与停车距离互为逆运算
• 停车曲线 v = sqrt(2ad)
• 红灯在远端 / 线前 / 停不住三种情况
• 目标速度随距离递减
• 已过线不再停
• 黄灯能停 / 停不住 / 距离过近 / 速度过低
• 黄灯边界条件（恰好够停应判为可停）
• 非法灯色与非法参数

纵向控制器（longitudinal.py）

• 无误差不输出
• 偏慢给油门、偏快给刹车
• 输出限幅到 [0,1]
• 停车指令给满刹车
• 积分限幅
• 死区抑制抖动
• reset 清空状态
• 闭环收敛到目标速度
• 能从 10 m/s 刹停

其中"黄灯边界条件"那条是把 d_brake == d 的临界情况固定住，避免以后改参数 时把判据改偏。

另有 tests/test_launch.py 4 个用例，专门盯 launch 与 package.xml 的接线：

• main.launch 启动时必须带 --carla，否则跑的是离线分支
• args 里引用的每个 $(arg x) 都得有 <arg> 声明，否则 roslaunch 直接报错
• launch 里不得出现 <param> / <rosparam>——脚本不读 ROS 参数
• package.xml 不得声明代码里没用到的 ROS 依赖

这 4 条都是"配了但不生效"类的错，跑起来不报错、只看输出也不易发现，所以 放进单元测试。

文件结构

src/ground/carla_traffic_light/
├── package.xml / CMakeLists.txt / setup.py
├── launch/
│   ├── main.launch          连 CARLA
│   └── offline.launch       离线
├── config/tl_params.yaml
├── scripts/
│   ├── traffic_light_logic.py   决策（纯 Python）
│   ├── longitudinal.py          PI + 前馈（纯 Python）
│   ├── carla_runner.py          CARLA 集成
│   ├── simple_plot.py           PNG 折线图
│   └── main.py                  入口
├── tests/test_logic.py
└── README.md

已知限制

• 只做纵向，不转向。自车保持直线，不做跟车绕行
• 依赖 CARLA 的 get_stop_waypoints()。如果某张地图上信号灯没有停止线， 该信号灯会被跳过
• 单车，不考虑其他交通参与者