楊 丹， 杜 釗， 徐 彬

(東北大學 信息科學與工程學院， 遼寧 沈陽 110819)

車輛防碰撞Carsim/Simulink仿真研究

楊 丹， 杜 釗， 徐 彬

(東北大學 信息科學與工程學院， 遼寧 沈陽 110819)

本文以國家大學生創(chuàng)新性實驗為背景，以車輛防碰撞仿真研究為例，介紹了利用Carsim/Simulink聯(lián)合仿真的一般步驟，闡述了Carsim/Simulink聯(lián)合仿真在實踐教學中的可行性和實用性，文中的實例為學生在實際問題中的算法研究與系統(tǒng)實現(xiàn)起到了有效的示范和說明作用。

國家大學生創(chuàng)新性實驗；車輛防碰撞；Carsim/Simulink聯(lián)合仿真

0 引言

“國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃” 是高等學校本科教學的重要組成部分，旨在提高學生的專業(yè)素養(yǎng)與各方面的能力，調動學生的積極性與創(chuàng)造性，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)新意識[1]。

筆者于2015年成功申請了“車輛防撞預警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)”的國家級大學生創(chuàng)新實驗項目，開展面向實際問題的實踐教學工作，期望探索一種有效培養(yǎng)學生對實際工程問題分析、處理能力的教學方法。

本文結合該創(chuàng)新實驗項目，就基于Carsim/Simulink聯(lián)合仿真的車輛防碰撞系統(tǒng)建模展開討論，并介紹一種從模型、算法到系統(tǒng)的虛擬仿真平臺的實踐過程。

1 車輛防碰撞預警思路

圖1為車輛在十字路口處發(fā)生碰撞的一種情況，如果能夠提前給駕駛員發(fā)出消息，做出行進的調整則很有可能阻止這類碰撞的發(fā)生。

本次創(chuàng)新實驗項目立足于十字路口處，兩車的防碰撞系統(tǒng)建模。車輛行駛到交通十字路口時，車輛可能直行、左轉、右轉，不同的行動將影響車輛的行駛軌跡。本設計采用基于碰撞時間和防碰撞時間的差值的防碰撞預警機制[2]。

圖2所示為任意交叉路口兩車行車場景。圖中，(x1,y1)表示車輛1當前位置，v1、θ1表示車輛1的速度及方向；(x2,y2)表示車輛2當前位置，v2、θ2

圖1 兩車在十字路口碰撞的一種情況

圖2 任意交叉路口場景

表示車輛2的速度及方向。(x+,y+)表示可能的碰撞點。

建模的具體步驟：

(1)根據(jù)兩輛車輛狀態(tài)，預測軌跡，估計可能的碰撞點(x+,y+)；

(2)根據(jù)車輛自身狀態(tài)信息(位置，速度，轉向角)分別計算出兩車輛到達碰撞點時間TTX ( time to intersection)；

(3)如果不同車輛的TTX相差很小，認為有碰撞可能，估計碰撞點的時間TTC (time to collision)；

(4)根據(jù)受駕駛員的反應時間、車輛制動的敏捷性計算出防撞時間TTA(time to avoidance)；

(5)比較兩車輛的TTX1、TTX2是否同時等于碰撞時間TTC，并且當TTC-TTA

2 Carsim/Simulink聯(lián)合仿真

Carsim軟件是由Mechanical Simulation Corporation公司開發(fā)的一款針對車輛動力學的仿真軟件，采用面向特性的參數(shù)化建模手段，通過數(shù)學模型來表現(xiàn)車輛的特性[3]。Carsim的模型創(chuàng)建包括: miscellaneous data(包括道路模型、開閉環(huán)車輛控制模型等)、test specification(包括車輛配置和模擬駕駛員控制)、Run control with Simulink(包括系統(tǒng)輸入輸出參數(shù)、開始與停止時間及位置)三部分。基于本項目的設計需求，具體建模過程如下：

2.1 道路交通模型建立

在主界面Miscellaneous Data中，選擇Roads:3D surface，創(chuàng)建新數(shù)據(jù)庫(new dataset)，將標題(Title for new dataset)命名為“Flat and Long”。 在“Flat and Long”數(shù)據(jù)庫中，設計道路模型，將各數(shù)據(jù)庫組裝成一個可動畫演示的三維路面描述架構，如圖3所示。

圖3 道路模型設計界面

(1)幾何尺度設置(Geometry)：在中心線高度(Centerline elevation)選項下創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫“Flat”，設“Constant Centerline elevation”值為0米，即中心線高度設置為平面。在分段建立路面(Centerline geometry: Road segment builder)選項下創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫“Crossroads”。其幾何設計采用分段建立的方法：將(0,0)到(400,0)繪制為直線；(400,0)到(200,-200)繪制為四分之三圓；(200,-200)到(200,200)繪制為直線，全程路線約為1742米。繪制信息如圖4所示。

圖4 道路模型中心線繪制信息

(2)道路摩擦系數(shù)(Friction)：項目建模中，將道路模擬成光滑混凝土。創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫“constant Mu”，設“Constant Friction coefficient”為0.85，即滑動摩擦系數(shù)設置為0.85，并設“Rolling resistance”值為1.0，即滾動阻力設置為1.0。

(4)動畫演示參數(shù)(Animator Support)：在Update Shapes選項下創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫“Road Builder: Crossroads”，設置道路為雙行雙車道，寬度共8米，起始位置0米，終止位置1750米。

2.2 車輛控制模型

在主界面Test Specifications中選擇Vehicle configuration與 Procedure選項進行設計。

(1)車輛配置(Vehicle Configuration)：1號車Car1選擇數(shù)據(jù)庫“E-Class, Sedan”，2號車 Car2選擇數(shù)據(jù)庫“Large European Van”，其車身、動力系統(tǒng)等配置選用Carsim vehicle庫中的模型。1號車E-class, Sedan如圖5所示，2號車Large European Van如圖6所示。

圖5 Car1模型

圖6 Car2模型

(2)車輛程序設置(procedures)：創(chuàng)建Car1數(shù)據(jù)庫first car；創(chuàng)建Car2數(shù)據(jù)庫second car。兩輛車分別設置速度為130千米/小時與90千米/小時，換擋控制設置為閉環(huán)，兩輛車直線行駛，Car1從位置0米移動到位置400米，Car2從位置1400米移動到位置1600米。

2.3 仿真控制模型設置

在軟件Carsim主界面中選取命令Run Control with Simulink下選擇Models: Simulink，控制器選擇ABS控制系統(tǒng)。Car2為無駕駛意圖的車輛，Car1為有駕駛意圖的車輛。Car2無輸入?yún)?shù)，輸出參數(shù)包括車輛實時的速度、在地圖上的XY坐標、XY方向的加速度，其輸出參數(shù)，如圖7所示。

圖7 Car2輸出參數(shù)

Car1輸入?yún)?shù)包括車輛剎車控制、油門控制、車輛轉向控制，分別對應車輛的加速、減速或停止、轉向，如圖8所示。輸出參數(shù)包括車輛速度、在地圖上的XY坐標，用來檢測車輛的防碰撞系統(tǒng)是否合理，如圖9所示。

圖8 Car1輸入?yún)?shù)

圖9 Car1輸出參數(shù)

另外，在主界面設置Car1起始時間與停止時間分別為0 s和10 s，起始位置與停止位置分別為0米和400米。Car2起始時間與停止時間分別為0 s和10 s，起始位置與停止位置分別為1400米和1600米。兩車互相添加關聯(lián)，即在Overlay animations and plots with other runs選項添加另一輛車。

通過上述Carsim軟件建模后，先點擊按鈕Run Now，再點擊Animate觀看車輛及道路建模效果，根據(jù)動畫效果判斷參數(shù)設置是否滿足仿真需求，分別截取車輛啟動及在十字路口相遇的效果，分別如圖10和圖11所示。

2.4 與Simulink聯(lián)合仿真

通過Carsim的“Send to Simulink”，將建模的道路及車輛送入Simulink進行控制算法的聯(lián)合仿真。

圖10 車輛啟動行駛模擬動畫

圖11 車輛十字路口相遇模擬動畫

Carsim的所有信息被封裝在S-Function中，而后對Car2數(shù)據(jù)進行采集并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒琅鲎蚕到y(tǒng)進行軌跡預測與防碰撞預警。當兩車之間的相對距離小于安全距離，通過對Car1減速、加速或轉向達到防碰撞的目的。并通過示波器檢驗、評估算法合理性。具體設計如下：

設計goto模塊A對Car2速度進行提取，模塊B對Car2的位置即XY坐標進行提取，模塊C對加速度在X、Y方向上的分量進行提取。用示波器velocity1對Car2速度進行檢測，示波器X2 coordinate、Y2 coordinate對位置進行檢測，示波器a2(x)，a2(y)對加速度在X、Y方向上的分量進行提取。利用From模塊A、B、C分別將Car2的速度、位置與加速度傳輸?shù)絪ubsystem子系統(tǒng)。subsystem分析數(shù)據(jù)，改變Car1的剎車、油門、與方向盤行動，使車輛之間不會發(fā)生碰撞。并用示波器Velocity對Car1速度進行監(jiān)控，示波器X1 coordinate、Y1 coordinate對位置進行監(jiān)控。所述如圖12所示。

Car1行駛速度為130 km/h，Car2行駛速度為90 km/h。對于Car1，當與Car2的距離小于安全距離時，通過不到4 s，減速到80 km/h，從而避免碰撞。Car1和Car2的速度示波器顯示分別如圖13和圖14所示。

圖12 Carsim與Simulink聯(lián)合仿真

圖13 Car1速度坐標圖

圖14 Car2速度坐標圖

3 案例總結

本文所探討的車輛防碰撞實例，需要學生使用兩種仿真的工具軟件Carsim和Simulink。其中Carsim主要用于車輛道路模型建模，Simulink主要用于控制算法仿真。項目實施過程中，不但要求學生具有扎實的專業(yè)基礎理論知識，還要求掌握較強的計算機仿真應用技術；在實驗中遇到許多實際問題，學生會帶著實際問題請教指導教師，查閱相關書籍，學習相關知識。通過參與本實踐項目，三名參與學生初步具備了基礎的科研素養(yǎng)，提高了發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，同時也培養(yǎng)了學生們的團隊合作精神。

4 結語

本文介紹了在大學生創(chuàng)新項目的背景下，通過Carsim建模技術仿真建模的一般步驟；針對車輛防碰撞系統(tǒng)的實例，遵循由需求分析到仿真實踐，由單元模型到系統(tǒng)構成的思維過程。目前項目已由仿真研究進入到系統(tǒng)實現(xiàn)階段。Carsim建模技術，對于學生深入認識車輛特性起到了積極作用，整個案例的仿真研究為學生后續(xù)實踐中從事相關方面的研究及工作打下良好的基礎。本文對整個防撞預警系統(tǒng)作了簡化處理，在實際應用當中，還需考慮工作環(huán)境、交通條件等額外的狀況；開展三輛或者三輛以上的駕駛系統(tǒng)的聯(lián)合防撞進一步研究。

[1] 喬連全。我國研究型大學“大學生創(chuàng)新性實驗計劃”的現(xiàn)狀與反思[J].武漢:高等教育研究，2011.32(3)：81-87

[2] S.Tak, S.Woo, and H. Yeo. Sampling-based Collision Warning System with Smartphone in Cloud Computing Environment, 2015 IEEE Intelligent Vehicles Symposium(IV),June 28-July 1,2015,COEX,Seoul, Korea,1181-1186

[3] Mechanical Simulation Corporation: Carsim Reference Manual, Version 6.03, July ,2005

Carsim/Simulink Simulation Research for Vehicle Avoiding Collision Warning

YANG Dan, DU Zhao, XU Bin

(SchoolofInformationScienceandEngineering,NortheasternUniversity,Shenyang10819,China)

Under the background of National College Students Innovation Experiment, this paper introduced the basic steps of CARSIM/SIMULINK Joint Simulation by the case of vehicle collision warning simulation, and expounded the feasibility and practicability of the Carsim/Simulink joint simulation in the practice teaching. The example presented has the effective demonstration and significant explanation for the students in the actual problem algorithm research and system realization.

national college students innovation experiment; vehicle collision warning; Carsim/Simulink joint simulation

2016-03-23;

2016-09- 19

楊 丹(1979-)，女，博士，講師，主要從事信號檢測、建模及應用方面的教學和研究工作，E-mail:yangdan@mail.neu.edu.cn

TP399

A

1008-0686(2017)01-0143-05