路染妮,賈 佳

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化工程學(xué)院，陜西 西安 710089)

1 引言

中國(guó)是東亞獨(dú)立國(guó)家，人口約14．28 億，是世界上人口最多的國(guó)家。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的4．5%左右來(lái)自交通運(yùn)輸，高速公路的基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)于本地區(qū)其他國(guó)家，特別是印度、巴基斯坦和孟加拉國(guó)，公路是中國(guó)重要的交通運(yùn)輸工具，總里程14．25 萬(wàn)公里，計(jì)劃增加到168 公里，到2020年達(dá)到478 公里。自動(dòng)公路系統(tǒng)(AHS)的應(yīng)用可以增加到公路的通行能力。

在發(fā)達(dá)國(guó)家，AHS已經(jīng)引起了許多研究者的興趣，它可以降低交通事故的風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)旅客。AHS 的一個(gè)更重要的方面是有效地利用空曠的道路，最大限度地發(fā)揮總通行能力，減少交通擁擠所造成的時(shí)間損失，通過(guò)對(duì)公路上所有汽車的自主控制和有效的相互組織，將提高出行者的體驗(yàn)。AHS 的另一個(gè)好處是確保汽車以允許的速度行駛，并遵守政府規(guī)定的所有規(guī)章制度。

大多數(shù)撞車事故都是由于人為失誤造成的。原因包括疲勞、困倦、打手機(jī)電話或者其他任何可能分散駕駛員注意力的事情[1-2]。AHS 將確保不需要人機(jī)界面，這將幫助駕駛員擺脫一個(gè)方向駕駛數(shù)小時(shí)的累人工作，這將駕駛不那么麻煩。圖1為連接首都北京和中央海岸上海的部分高速公路(中國(guó)稱為北京高速公路)，全長(zhǎng)1212公里，于2006年竣工。

圖1 高速公路圖

AHS包括使用控制，檢測(cè)和汽車跟蹤技術(shù)，以提高公路通行能力和安全性為目的的汽車跟蹤技術(shù)。各種數(shù)據(jù)表明，自動(dòng)化可使給定的通行能力提高5個(gè)數(shù)量級(jí)，并將顯著減少交通阻塞。假設(shè)速度暫時(shí)不變，大量的車輛需要在高速公路上行駛的車輛之間有更近的距離。這種將變道變得困難，因?yàn)檐囕v會(huì)尋找開口以移動(dòng)到其他車道。此外，在變道時(shí)可能需要額外的間距。

考慮上述因素，擬議AHS 的目標(biāo)是最大限度地利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的公路容量。公里容量可以描述為：

式中，C表示車輛數(shù)量，V是速度，Xr表示車輛之間的距離，L表示車輛長(zhǎng)度。容量可以定義為給定速度、車輛間距和長(zhǎng)度下的車輛數(shù)量(即流量“q”)。在瞬態(tài)過(guò)程中，流量可能超過(guò)通行能力，從而違反最大允許速度上消除了這些違規(guī)行為，從而維護(hù)安全。

如前所述，車道上的車輛數(shù)量可以隨著速度的增加而增加，但由于剎車的作用，流量可以減少或停止，因此每輛車之間必須保持最小的距離，稱為“安全距離”[3]。在中國(guó)，交通事故是造成傷亡的主要原因，世界衛(wèi)生組織(WHO)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)每10萬(wàn)輛汽車中就有104人死于交通事故，而美國(guó)為33人，東南亞為101人，這些數(shù)據(jù)足以說(shuō)明多智能體AHS在中國(guó)的應(yīng)用前景十分廣闊。解決這些困難的一個(gè)好辦法是公路自動(dòng)化，許多研究者提出了公路自動(dòng)化方法，提出了不僅提高了公路通行能力和安全性，而且節(jié)省駕駛員的努力。由于技術(shù)的進(jìn)步，自主車輛編隊(duì)的研究領(lǐng)域非常廣泛。在為編隊(duì)設(shè)計(jì)分布式控制器之前，必須考慮以下問(wèn)題：①地層穩(wěn)定性；②隊(duì)形可控性；③信息不確定性。有多種技術(shù)可用于解決這些編隊(duì)控制問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于巡航控制車道跟蹤的AHS，其中每輛車作為一個(gè)組的單一代理，每輛車作為其跟隨著的主控。此外，當(dāng)任何其他車輛加入一組并啟動(dòng)巡航控制時(shí)，它將作為編隊(duì)的一部分，并作為其他車輛的主控或從控。在一個(gè)系統(tǒng)中，代理人同意的利益必然是一些共同的利益，而這些利益不一定是單個(gè)代理人的共同利益，如單個(gè)車輛的運(yùn)動(dòng)，因此有必要考慮代理人網(wǎng)絡(luò)中的同意問(wèn)題。

本研究的主要目標(biāo)是：

(1)設(shè)計(jì)基于巡航控制車道跟蹤的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)；

(2)規(guī)劃巡航控制模型，其中每輛車作為一個(gè)組的單一代理，每輛車作為其跟隨者的主控；

(3)確保每當(dāng)一輛新車加入一個(gè)組時(shí)，它必須作為編隊(duì)的一個(gè)組成部分，并作為其他車輛的主控或從空工作；

(4)使用Matlab對(duì)自動(dòng)巡航控制系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真；

(5)仿真結(jié)果表明了我們提出的自動(dòng)巡航控制系統(tǒng)的有效性和安全性。

2 車輛跟蹤和車道檢測(cè)

近年來(lái)，車道檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)(AHS)中，其主要目標(biāo)是保護(hù)乘客和輔助駕駛[4]。車道檢測(cè)與跟蹤是汽車在道路上的跟蹤和定位的關(guān)鍵技術(shù)，在此介紹了車道和車輛檢測(cè)方法，提出了兩種新的車道檢測(cè)和車輛檢測(cè)方法。

2.1 車道檢測(cè)

車道檢測(cè)的目的是在不同的情況下，用彩色車道標(biāo)志來(lái)跟蹤車道，我們提出了一種新的車道檢測(cè)技術(shù)，以提高并行車道檢測(cè)的效率和有效性，并提出了一種適用于各種交通困難情況的車道檢測(cè)技術(shù)。我們使用圖像處理來(lái)檢測(cè)車道。在車道模型中，土地標(biāo)記像素的確定是至關(guān)重要的，可以通過(guò)尋峰方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。該方法的墓的是發(fā)現(xiàn)掃描圖像中的峰值。這些像素在車道檢測(cè)的過(guò)程中表現(xiàn)為噪聲，通過(guò)去除交通模型中的被跟蹤車輛的像素點(diǎn)，可以有效地降低這些噪聲。

圖2為車道檢測(cè)流程圖，在此流程圖中，首先使用像素處理來(lái)檢測(cè)車道，然后在圖像下面來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，接下來(lái)識(shí)別高速公路的垂直邊緣，然后將這兩個(gè)特征結(jié)合起來(lái)，最后將信息發(fā)送給考慮中的車輛，并命令其慢行或快行跟上其它車輛。

圖2 車道檢測(cè)流程圖

2.2 車輛檢測(cè)

粒子濾波器不僅能提供最后的檢測(cè)結(jié)果，而且能給出候選粒子最近的觀測(cè)結(jié)果，粒子濾波器的樣本是從垂直邊緣獲取的，在對(duì)稱性和尾燈下以及交通模型限制了樣本位置，交通模型不僅可以對(duì)車道跟蹤車輛進(jìn)行記錄，而且可以連續(xù)監(jiān)測(cè)他們之間的關(guān)系，因此當(dāng)車輛在特定車道上被跟蹤時(shí)，就不會(huì)產(chǎn)生其它樣本，從而提高性能。

圖3所示為車輛檢測(cè)的流程圖，通過(guò)使用圖像處理來(lái)檢測(cè)車輛，在圖像中進(jìn)行車道線標(biāo)記，檢測(cè)車道標(biāo)線，然后構(gòu)造車道模型，最后將信息發(fā)送給車輛。

圖3 車輛檢測(cè)流程圖

3 多車編組

在隊(duì)形中，代理以期望的模式移動(dòng)并完成期望的任務(wù)。每個(gè)獨(dú)立的代理跟隨它提供和一個(gè)局部信息。隊(duì)形的感念收到生物例子的鼓勵(lì)，例如鳥群、魚群和螞蟻群。

對(duì)于移動(dòng)代理，執(zhí)行了三個(gè)群集規(guī)則，它模仿鳥類群集“Boids”，群集描述了一組鳥的行為，一群魚一起游動(dòng)或昆蟲群集的行為。它的規(guī)則是：分離，避免與相鄰代理碰撞；對(duì)齊，與相鄰代理速度相同；還有凝聚力，繼續(xù)靠近鄰近的特工。這里，相同的速度是一個(gè)矢量，表示方向和速度。避免碰撞是避免擁擠和相互碰撞的一種分離技術(shù)，而群聚中心使車輛靠近群聚中心或者群聚附近。群聚過(guò)程可視為隊(duì)形控制的一個(gè)子集，需要車輛沿同一路徑緊密行駛，但特定車輛占用的道路條件微不足道。與群集相比，編隊(duì)更為嚴(yán)格，需要車輛在通過(guò)道路時(shí)保持特定的比較位置。

通過(guò)使道路上的所有車輛自動(dòng)化，并使這些車輛無(wú)縫地相互協(xié)調(diào)，將提高乘客旅行的舒適性。這種系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是確保車輛以合法的速度行駛，并遵守國(guó)家實(shí)施的所有其它法律。這將避免任何罰款和駕駛執(zhí)照上的分?jǐn)?shù)，而不僅僅是改善道路安全。

假設(shè)我們有n個(gè)具有線性動(dòng)力學(xué)的車輛：

其中，xi∈Rm是車輛狀態(tài)，ui∈Rp是控制，i是車輛指數(shù)，i∈V={1，…，n}。

假設(shè)每輛車檢測(cè)到的數(shù)據(jù)是：

而j∈Ni和yi∈Rk是內(nèi)部測(cè)量，而zij∈R1是相對(duì)于其他人的外部測(cè)量。我們假設(shè)每輛車都能感應(yīng)到其他車，即Ni≠0。由于單輛車無(wú)法將驅(qū)動(dòng)為零，因此需要在測(cè)量中加入一個(gè)誤差。

一個(gè)分布式控制器K映射yi，zi到ui與內(nèi)部狀態(tài)vi∈Rs。

圖4為一個(gè)多車輛編隊(duì)的典型例子，車輛之間保持安全距離，并以恒定速度行駛。

4 自動(dòng)巡航控制

本文設(shè)計(jì)一個(gè)能保證從機(jī)與主機(jī)保持一定距離的系統(tǒng)，該系統(tǒng)也能保證從機(jī)遵循主機(jī)的速度或最大允許速度，同時(shí)也能保證主機(jī)與從機(jī)之間或兩個(gè)或多個(gè)從機(jī)之間不發(fā)生碰撞。

巡航控制模型是在汽車不穩(wěn)定的情況下，通過(guò)對(duì)車速進(jìn)行評(píng)估，使車速與參考車速相匹配，從而根據(jù)控制規(guī)律自動(dòng)調(diào)節(jié)油門來(lái)維持汽車的穩(wěn)定速度。將巡航模型建立在比例積分微分控制器(PID 控制器)的基礎(chǔ)上，PID 控制器是一種用于工業(yè)化控制的裝置，用于調(diào)節(jié)溫度、速度和其他應(yīng)用。PID控制器使用控制回路反饋來(lái)控制變量，是最精確和穩(wěn)定的控制器。PID 控制是引導(dǎo)系統(tǒng)達(dá)到目標(biāo)的一種穩(wěn)定可行的方法。PID控制使用閉環(huán)控制反饋，使過(guò)程的實(shí)際輸出盡可能接近輸出目標(biāo)和設(shè)定點(diǎn)[5-8]。

該巡航模型的PID控制器中，P代表比例，P(s)=Kpe(t)，I代表積分，代表微分控制，。X(s)代表測(cè)量的過(guò)程值，而u 代表所需的過(guò)程值或設(shè)定點(diǎn)。

假設(shè)一輛質(zhì)量為m的汽車，它受到在道路路面的支撐力u，運(yùn)動(dòng)阻力和風(fēng)阻力的作用。系統(tǒng)由以下等式定義：

結(jié)果是

假設(shè)一輛質(zhì)量為1500kg，阻尼系數(shù)為20N．s/m的車輛，因?yàn)樗俣仁俏ㄒ坏淖兞浚韵到y(tǒng)的狀態(tài)空間表示為：

在零初始條件下，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

圖5為巡航控制仿真模型。本設(shè)計(jì)在PID 控制器之前使用一個(gè)積分器，以使輸出更穩(wěn)定。一個(gè)階躍輸入和輸出反饋到積分器，然后再反饋給PID 控制器，最終得到了PID 控制汽車模型。

圖5 巡航控制仿真模型

5 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證本文提出的巡航控制方法的有效性，本研究在MATLAB 上進(jìn)行了多次仿真，仿真計(jì)算機(jī)采用Intel i7第9代處理器、32GB內(nèi)存、64位Win8．1操作系統(tǒng)和Matlab 2016A仿真軟件[9-11]。

模擬結(jié)果如圖6和圖7所示。圖6顯示了從機(jī)和主機(jī)所覆蓋的距離及其在整個(gè)形成中的加速度之間的關(guān)系圖。

從圖6可以看出，從車緊跟著它的主車，當(dāng)主車的加速度改變?？v軸表示加速度，橫軸表示距離。它還顯示車道跟蹤的結(jié)果，并驗(yàn)證在巡航控制的幫助下，每個(gè)從車在特定車道上以恒定速度跟隨其主車，并與主車保持特定的距離。

圖6 加速度和距離圖

圖7顯示了系統(tǒng)在階躍輸入下的響應(yīng)，該圖減小了超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間，對(duì)上升時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差影響較小，如圖7所示，系統(tǒng)接近穩(wěn)定，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制器的有效性。

圖7 控制器響應(yīng)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種多車主從車道跟蹤編隊(duì)。一輛車領(lǐng)先另一輛車被認(rèn)為是它的主人。從機(jī)以恒定的速度行駛，并通過(guò)巡航控制始終保持與主機(jī)的特定距離，從而避免任何碰撞。