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高速汽车车道偏离预警系统的算法研究

董因平  
【摘要】:车道偏离预警系统是一种辅助驾驶员保持车辆在车道内行驶的车道偏离警示系统。在单调驾驶环境如高速公路中,驾驶员过度疲劳、疏忽或突发疾病时,对可能存在的车道偏离危险及时向驾驶员预警,减小交通事故发生的可能,从而提高驾驶安全性和车辆的主动安全性。 目前国内外各大汽车厂商、公司、研究机构等都开展了车道偏离警示系统的研究,并已开发出相应的产品投放市场,装备于某些高档轿车以及长途货运汽车。我国在此领域的研究才起步,仅集中于相关大学及研究机构中。并且还没有建立起完善的研究方法和试验手段,因此在理论及应用等各方面都需要进一步的深入研究。 目前国内外对车道偏离预警系统及算法的研究具有以下特点: 通过预测未来一定时间范围内车辆行驶轨迹的方法来预测车辆偏离车道的时间,对于时间小于一定阈值的,则认为该车辆将发生车道偏离。 对于车辆的行驶轨迹主要有三种形式假设。第一种假设是假设车辆的侧向和纵向运动均是匀速直线运动,因此车辆的行驶轨迹为直线;第二种假设是假设车辆的侧向和纵向运动为匀加速运动,因此车辆的行驶轨迹为曲线。第三种假设是假设车辆的运动是跟踪车道曲线的曲率变化而变化的,因此车辆的行驶轨迹与车道曲线的形式是一致的。 无论对于何种轨迹预测方式,其算法在预测计算过程中都采用了车辆的航向角不变的假设,忽略了航向角对车辆行驶轨迹曲率变化的影响。 首先,从平面运动的角度来说,车辆的运动至少包括平动和绕质心的转动,其运动规律是一种复杂的变速运动。因此车辆的运动规律是由车辆的速度和加 WP=123 速度共同决定的,其行驶轨迹是曲线形式。同时在运动过程中,由于车辆横摆角速度的影响,车辆的航向角也是不断发生变化的。而航向角的变化又对应着车辆行驶轨迹的曲率变化,因此要准确预测车辆的行驶轨迹就应该考虑车辆运动过程中航向角的变化。 其次,车道偏离预警系统的车道偏离决策行为实际上与驾驶员保证车辆不偏离车道在本车道内行驶的安全决策行为是一致的,因此车道偏离预警系统完全可以通过驾驶员行为特性建模的角度实现。 最后,近几年吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室在驾驶员行为特性建模的研究方面已经取得了一定的成果,提出了基于驾驶员方向和速度综合控制的最优预瞄加速度模型。考虑可以应用到本文的研究基础,一是其稳态预瞄动态校正假说,假设驾驶员总是通过车辆的稳态响应特性进行轨迹预测,并在轨迹预测过程中充分考虑了车辆航向角变化对车辆行驶轨迹的影响。因此对于简单车道(如直线车道和小曲率转弯车道)和复杂车道(如大曲率转弯)行驶工况,根据最优预瞄加速度模型都能准确预测车辆的行驶轨迹。二是在最优预瞄加速度模型建立的驾驶员轨迹决策指标体系中,安全性评价指标反映了驾驶员是如何通过车辆与车道之间的横向距离来考虑安全性,以保证车辆在本车道行驶。 正是基于以上原因,本文提出了高速汽车车道偏离预警系统及算法的研究项目。课题的研究目的是在吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室先期对驾驶员操纵行为建模研究的基础上,应用驾驶员方向与速度综合控制的最优预瞄加速度模型的基本原理,研究汽车车道偏离预警系统的数学模型及相应的决策算法;建立道路视觉感知算法,解决车道偏离预警系统的车道信息感知问题;基于稳态预瞄动态校正假说,建立车辆行驶轨迹曲线积分预测算法,解决车道偏离预警系统对车辆运动轨迹的预测问题;结合驾驶员对汽车行驶安全的考虑,采用汽车预期行驶轨迹相对左右车道线的横向距离,建立了车道偏离警示的模糊评价指标及其Sigmoid函数描述,实现了车道偏离警示算法。 本文首先简要描述驾驶员方向与速度综合控制的最优预瞄加速度模型的基本原理及构成,应用稳态预瞄动态校正假说提出了本文建立的汽车车道偏离预警系统的稳态预瞄基本原理,并建立了道路可行区域视觉感知模型及算法、车辆行驶轨迹曲线积分预测算法以及车道偏离稳态预瞄评价算法,最后结合29自由度车辆动力学模型和开发型驾驶模拟器,进行了仿真计算和实验验证。综观全文,可以将研究内容分为如下几个方面: 综述了高速汽车车道偏离预警系统的研究与发展历史、现状及应用。简介了典型车道偏离预警系统工作的基本原理,并结合当前车辆智能驾驶和驾驶员辅助系统研究的发展,分析了高速汽车车道偏离预警系统研究的意义及重要性,同时论述了本文的研究目的和意义。随后讨论了高速汽车车道偏离预警系统研究的主要内容,包括视觉感知系统和算法、偏离评价系统和算法的研究内容及现状。并在此基础之上提 WP=124 出了本文算法研究的主要内容和技术路线; 论述了可描述驾驶员方向与速度综合控制行为的最优预瞄加速度模型的基本原理及构成。基于稳态预瞄动态校正假说,该驾驶员模型划分为信息感知、预瞄决策以及控制校正等三个环节。在此基础上,确定了基于驾驶员最优预瞄加速度模型的高速汽车车道偏离预警系统预警算法的基本原理,分析了用一阶线性模型描述汽车速度和方向控制特性的方法、基于横向距离安全性的车道偏离评价方法以及前方道路可行区域视觉感知的基本原理; 建立基于驾驶员稳态预瞄的车道偏?


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