（计算机软件与理论专业论文）汽车纵向避撞预警算法的设计与仿真实现.pdf

，： at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nc q 啦乜丛! s q 呈型曼r 垒塾亟：! ：b ! = q 【y d e s i g n a n ds i m u l a t e di m p l e m e n t a t i o no fv e h i c l e s ， f r o n t a lc o l l i s i o nw a r n i n g a l g o r i t h m b yz h ut i a n t i a n s u p e n ，i s o r ：a s s i o a t ep r o f e s s o rw a n gj i a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 锣 j u n e2 0 0 8 ，!_j 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 6 二 思。 学位论文作者签名：桀罗刀 日期：删- - 1 7 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年眇一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：拜回锄 签字日期：& 哟7 7 导师签名： 签字日期： 1 多、 7 7 1 i i i 东北大学硕士学位论文 摘要 摘要 汽车行驶安全是交通发展的永恒主题。随着汽车保有量的迅速增加，公路交通事故 发生率居高不下，交通安全问题同益突出。汽车纵向避撞预警系统能够及时地向驾驶员 提供前方危险警示信号，避免可能发生的追尾碰撞事故，提高汽车的主动安全性。但是 目前已有的汽车纵向避撞预警算法( v e h i c l e s f r o n t a lc 0 1 1 i s i o nw a m i n ga l g o r i t h m ， v f c w a l 还不能很好地保障汽车的安全。此外，由于驾驶员行为特性对v f c w a 有不同 要求，而目前大多数v f c w a 不能满足驾驶员行为特性的需求，学术界对这方面的研究 很少。因此，设计和实现合理的v f c w a 对减少或避免追尾碰撞事故的发生、满足驾驶 行为特性的需求具有十分重要的应用价值。 安全车距模型是w r a 的基础。本文通过分析以往的安全车距模型的不足，对安 全车距模型提出了修j 下方案，建立了一种有效的安全车距模型。同时，基于硼应 该适合驾驶员驾驶行为特性的要求，提出利用b p 神经网络建立驾驶员减速制动行为模 型( d r i v i n g b r a k i n gb e h a v i o rm o d e l ，d b b m ) 的方案。然后，提出将d b b m 与安全车距 模型相结合以制定有效避撞预警策略的v f c w a 。 文章首先介绍了现有的v f c w a ，在分析汽车制动过程的基础上，建立了安全车距 模型，解决了以往安全车距模型建立不够精确的问题。其次，基于v f c w a 的适应性要 求和驾驶行为理论，提出利用驾驶员减速制动行为来描述危险情况下驾驶特性的方法。 接着，利用b p 神经网络建立了d b b m ，通过仿真实验验证了该模型的学习和预测结果。 然后，基于改进的安全车距模型和d b b m ，提出了反映驾驶行为的珊。为了验证 算法的正确性和适应性，在v c + + 下用o p e l l g la p i 实现虚拟驾驶系统，并将安全车距 模型算法和在m a t l a b 环境下建立的b p 神经网络载入到v c 抖环境中，在此系统上进 行实验，并对实验结果进行分析。实验表明算法具有很强的正确性和适应性。最后，对 v f c w a 进行总结，分析算法中存在的不足，提出下一步研究的方向。 关键词：纵向避撞预警；安全车距；驾驶行为；b p 神经网络；o p e n g l l ， ， - 、 鲁 东北大学硕士学位论文 a b s tr a c t d e s i 印a n d s i m u l a t h n p l e m e n 仨西o n o f v e h i c l e s f r o n t a lc o i s i o nw a m i n g 舢g o r i a b s t r a c t t h ei s s u eo ft r a 伯cs a f e t yi sap e 巾e n j a l t h 锄e w i t ht h er a p i di n c r e a s eo ft h en u m b e ro f t h ev e c h i c l e s ，t h en u m b e ro ft r a 衢ca c c i d e n t se a c hy e a ri sa l w a y sh i 曲a n dv e h i c l e s s a f e t y p r o b l e mh a sb e c o m ea ni n c r e a s i n g 向c u s v 幽i c l e s 矗o n t a lc o l l i s i o nw 锄i n gs y s t e mc o u l d a v o i dc 0 1 l i s i 彻w i t h 疗o n t a lv e h i c l eb yo 虢一n gs o u n do rl i g l l tw a m i n gs i 印a l ，b u tt h e 南砷e r v e c h i c l e s 矗i o n t a lc o l l s i o nw 踟i n ga l g o t h m ( v f c w a ) h a v 锄，ta c h i e v et h i sa i m f u r t u r em o r e ， a l t h o u g hd r i v e r sh a v ed i 脓咖r e q u i r e m e n t so f v f c ，a ，s t u d y0 nt h i sp o i n ti s 缸丘o f l le n g o u t h s od e s i 印i n gar e a s o n a b l ev e h i c l e s 疗d n t a lc o l l i s i o nw a m i n ga 1 9 0 r i m mh a s 黟e a tv a l u et o i m p r o v et h ev e h i c l e si n i t i a t i v es e c u r i t ya n dt om e e tt h en e e d s o fd v i n 争b e h a v i o r s a f e t yd i s t a n c em o d e li s t h eb a s i so ft h ef b n t a lc o l l i s i o nw a m i n ga l g o r i t h m a r e r a i l a l y z i n g 柚da m e n d i n gt h ef o 珊e rm o d e l s ，孤e 艉c t i v es a f e t yd i s t a n c em o d e lh a sb e e i l p r o p o s e di nt h i st h e s i s i na d d i t i o n ，b e c a u s et h ev e h i c l c s 劬n t a lc 0 1 l i s i o nw a m i n ga 1 9 0 r i t h m s h o u l da l s oa d a p tt ot h ed v i n 争b e h a v i o rc h a r a c t 甜s t i c ，a 嘶v e r sb 础i n 争b e h a 讥o rm o d e l ( d b b m ) u s i n gb pn e m r a ln e m o r kh a sb e e nd 商印e dt op r e d i c tt h ed n v i n g - b e h a v i o r t h ， t h en e w6 o n t a lc o l l i s i o nw 锄i n ga l g o 五t h mi sf o u n d e dw h i c hc o m b i n e st h es a f e t yd i s t a l l c e m o d e la n dt h eb r a k i n g - b e h a v i o rm o d e l f i r s t l y s e v e r a le x i s t i n gs c h e m e s0 nf 沁n t a lc o l l i s i o nw a m i n ga l g o n t h n la r ei n t r o d u c e d a r e r 锄a l y z i n gt h ep r o c e s so fv e c h i c l e sb r e a 玉【i n & 觚i m p r o v e ds a f e t yd i s t a n c em o d e l i s p r o p o s e d ，w h i c hs o l v e st h ed i s a d v a n t a g et h a ti sn o te n o u 曲a c c a u t eo ft h ef o m e rs a f e t y d i s t a l l c em o d e l s s e c o n d l y b a s e do nt h ea d a p t a b i l i t ) ，r e q u i r 锄e i l to fc o l l i s i o nw a n l i n g a l g o r i t h m 锄dt h e k n o w l e ( 1 9 e o f d r i v i n g _ b e h a v i o rt h e o r y ， am e t h o dw h i c hu s 懿 d r i v i n 争b 冰i n gb e h a v i o rt od e s c b et h ed r i v i n g b e h a v i o rc h a r a c t e s t i ci nd a n g e r o u ss i t u a t i o n i sp m p r o s e da 1 1 dd e s i 印e d 卟e n ，t l l ed b b mi sf o u n d e db yb pn e u r a ln e t w o r k a r e 刑a r d s ， v f c w a r e f l e c t i n gd r i v i n g b e h a v i o ri sb u i l t ，w h i c hc o m b i n e s l es a f e t yd i s t a n c em o d e l 锄d d b b m 1 no r d e rt ov 甜母t h eb u i l tc o l l i s i o nw a m i n ga l g o n t h n l ，av i r t l l a ld r i v i n gs y s t 锄i n v c + + u s i n go p e n g la p ii si m p l 锄e n t e d ，a i l dt h es i m u l a t e di m p l 锄e n t a t i o ni sa c c o m p l i s h e d i nt h i sv i r t i l a ls y s t e i n f i n a l l y t h eb u i l tc o l l i s i o nw 帅i n ga 1 9 0 r i m mi s a i l a l y s e da n d s u m m 撕z e d ， a n ds o m ed i s a d v 柚t a g e so ft h ea l g o t h ma r cp o i n t e do u tf o r向n h e r i m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：f r o n t a lc o l l i s i o nw 锄i n 吕s a f e t yd i s t a l l c e ；d r i v i n g b e h a v i o r ；b pn e u r a ln e t w o r k ； o p e n g l i i l ， ， 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明1 摘要i i a b s 仃。a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 汽车避撞预警系统的应用现状1 1 3 汽车纵向避撞预警系统的关键技术3 1 4 论文的研究意义和主要内容4 1 4 1 论文的研究意义4 1 4 2 论文的主要内容4 第2 章现有汽车纵向避撞预警算法简介及改进方案7 2 1 现有安全车距模型简介7 2 1 1 国内安全报警算法简介7 2 1 2 国外安全预警算法简介8 2 1 3 早期安全预警算法9 2 2 汽车纵向避撞预警算法的改进要求l o 2 3 驾驶行为理论介绍1 0 2 3 1 驾驶行为过程分析1 0 2 3 2 驾驶行为的特点。1 l 2 3 3 驾驶行为潜在的避撞特性1 2 2 3 4 驾驶行为影响因素分析1 2 2 4 汽车纵向避撞预警算法改进方案1 3 2 5 本章小结- 13 第3 章安全车距模型。1 5 3 1 安全车距和临界安全车距的概念1 5 3 2 恶劣环境对安全车距的影响1 5 3 - 3 安全车距模型的建立1 7 3 3 1 制动距离1 7 一l v 东北大学硕士学位论文 3 4 2 直道的安全车距 3 4 3 弯道的安全车距模型 3 4 本章小结 第4 章基于b p 神经网络的驾驶员减速制动行为模型。 4 1 驾驶员减速制动行为与汽车纵向避撞预警算法的关系 4 2 神经网络特点 4 3b p 神经网络结构及算法 4 4 输入变量的分析与预处理 4 4 1 样本参数选择 4 4 2 样本的选取 4 4 3 样本归一化 4 5 神经网络结构设计 4 5 1 传递函数的选取 4 5 2 神经网络各层单元数的选取 4 5 3 初始权值的选取 4 5 4 学习率的选取 4 6m a t l a b 下驾驶员减速制动行为模型的建立及实验 4 7 汽车纵向避撞预警算法的描述及预警策略的定性分析 4 8 本章小结 第5 章汽车纵向避撞预警算法的验证 5 1 引言一4 l 5 2 虚拟驾驶软件的设计与实现4 l 5 2 10 l p e n g l 简介4 1 5 2 2 虚拟驾驶软件的整体框架。4 2 5 2 3 虚拟驾驶系统实现4 5 5 3 汽车纵向避撞预警算法的仿真实验环境的搭建5 1 5 3 1 安全车距模型的实现5 1 5 3 2v c + + 和m a t l a b 的混合编程5 2 5 3 3 仿真实验环境5 4 5 4 仿真实验5 5 5 5 本章小结5 9 第6 章结论6 l v 一 东北大学硕士学位论文 6 1 结论 6 2 未来工作及展望一 参考文献一 致谢 攻读硕士期间参加的项目一 一v l 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 从1 8 8 6 年1 月2 9 同世界上第一辆汽车诞生之r 起，汽车技术有了很大的提高，人 们也充分感受到了汽车带来的巨大便利。然而，在享受汽车带给我们便利的同时，公路 交通事故的频繁发生给人们的生命财产安全带来了极大威胁。近些年来，随着我国公路 特别是高速公路的飞速扩建和汽车保有量迅速增加，公路交通事故也呈现不断上升的趋 势。我们国家的道路交通死亡的人数也是全世界最高的，连续数年居世晃第一位。在我 国每年几十万起交通事故带来的直接经济损失就在数百亿元以上。从上个世纪8 0 年代 末到现在，我国的交通事故已经连续1 1 年居世界第一而且交通事故伤亡数字呈逐年增 长的趋势，这和我们国家的汽车保有量是非常不相称的，我们目前汽车保有量只占世界 1 9 ，占美国市场的l 9 ，同本市场的1 6 ，但是全球1 5 的交通事故发生在中国。表 1 1 是我国最近几年交通事故数据统计。从表1 1 可以看出，近几年我国公路交通事故呈 现不断上升趋势，道路交通事故死亡人数一直居高不下，已成为影响社会生活的一大公 害。 表1 1 我国近几年道路交通事故数据统计【2 】 t a b l e1 1t 翰硒ca c c i d e n ts t a t i s t i co fc h i n ai nr e c e n ty e a r s 随着计算机技术的高速发展，人们认识到可以利用计算机运算速度快、存储量大的 特点，通过汽车主动安全系统辅助驾驶员驾驶，可以减少或避免交通事故的发生。据有 关资料表明：驾驶员只要在碰撞危险的o 5 s 前得到“预警”，就可以避免至少6 0 的追尾 碰车事故，3 0 的迎面碰车事故，5 0 的路面相关事故：若有1 s 钟的“预警”时间，就可 避免9 0 的事故发型3 1 。因此，研究具有避撞预警功能的汽车安全辅助驾驶系统具有重 要现实意义和广阔市场前景。这种系统能够提醒驾驶员存在的潜在车辆追尾的交通事 故，从而使驾驶员能及时做出j 下确处理，避免类似交通事故的发生。 1 2 汽车避撞预警系统的应用现状 在欧洲，第t 届i t s ( 智能交通) 世界大会上提出了基本概念：e s a f e t y 计划1 4 j 。2 0 0 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 年9 月该计划得到欧盟委员会( e u r o p e a nc o m m i s s i o n ，e c ) 的认可并列入欧盟的计划。这 项计划的主要内容是：充分利用先进的信息与通信技术( 1 c t ) ，加快安全系统的研发与集 成应用。为道路交通提供全面的安全解决方案。除自主式的车载安全装置外，还需考虑 车路协调合作方式。即通过车路通信技术获取道路环境信息，从而更有效地评 估潜在危险并优化车载安全系统的功能。 美国的研究相对于欧洲和同本来说起步较晚，但目前美国的汽车防撞技术已经处于 世界的领先水平。福特汽车研究并应用了s e n s o rc a r 技术【5 1 。福特s e n s o rc a r 概念车中 采用的碰撞预警系统技术主要是为了减少追撞和伤害行人的事故，对于今后在事故防范 方面的进展具有重要的意义。s e n s o rc a r 概念车应用的新技术主要有： ( 1 ) 用安装在格棚上的激光雷达来监测车前行人，如果监测到有人走入汽车的行驶 路线便点亮警示灯，使前扬声器扬声，甚至会鸣响喇叭。这种行人报警器还能通过汽车 的后扬声器单独发出一种警示讯响，为驾驶员显示危险的速度和方向。 ( 2 ) 后保险杠中安装有监测后方车流情况的传感器，传感器的数据传入高速计算机 控制程序，计算机比较自车与其他汽车的距离、速度等数据以确定有无与之相撞的可能。 如果系统确认有可能发生重大的追撞，扬声器便发出警报讯响，同时点亮警示灯，提醒 驾驶员注意危险。如果接近车的速度大到需要进行紧急制动的时候，s e n s o rc a r 便判定 碰撞马上就要发生，此时，电动卷收器会立刻拉紧前座腰肩式安全带，使驾驶员和前排 乘客贴紧座椅靠背和头枕，减少受到追撞时向后移动的距离，将会减小受伤程度，这是 一种主动安全和被动安全的组合避撞系统。 9 0 年代以来，f 1 本的各大汽车生产厂商均参与了运输省提出的称为先进安全汽车 a s v ( a d v a n c e ds a f e t yv c ：h i c l e ) 的计划i 引。日本在制定未来汽车发展计划中也明确地把开 发更复杂的智能汽车和安全驾驶支持系统作为交通安全的关键技术之一。丰田公司的雷 克萨斯r x 3 3 0 前期车型h 删e rs u v 的雷达系统在碰撞行将发生时会警告驾驶员。2 0 0 4 年，该系统进行了升级，当驾驶员未能对险情做出反应时，汽车会自动制动。日本车商降 低碰撞事故发生的解决途径有： ( 1 ) 车路通信：丰田和本田用各种传感器感知汽车所在交通流的危险情况，从而做 出预警策略。 ( 2 ) 保护行人：马自达正在使用雷达和摄像来感知路上行人。当驾驶者没有意识到 时，系统可自动刹车并在保险杠上触发气囊以减缓冲撞。 ( 3 ) g p s 辅助：本f f l 利用卫星数据来感知前方路面车辆的速度。如车速太快，计算 机将启动刹车以减车速。 我国目前处在进入汽车社会的起步阶段，汽车安全意识较为淡薄，对汽车安全技术 重视不高，许多重要的汽车安全技术均未制定国家标准；同时，在汽车安全市场上也只 一2 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 有一些中小厂商小打小闹，尚未形成主导格局；跨国公司在中困的汽车安全领域处于绝 对的技术垄断地位。但是经过国内研究人员的f i 懈努力，也取得了许多瞩目的成绩。在 实际应用领域：2 0 0 8 年1 月，麦特集团奔腾远程汽车信息服务有限公司在北京召丌汽车 碰撞预警系统产品技术研讨会，郑重推出国内首款汽车前碰撞道路偏离追尾预警系统 a w s ( a d v a n c ec o l l i s i o nw a n l i n gs y s t e m ) ，户州s 设有前方碰撞预警系统( f c w s ) 、车道偏 离预警系统( l d w s ) 、车距监控预警系统( h m w s ) 及后车追尾预警系统( l f w s ) 四大功能。 a w s 突破以往主动安全研究范围，针对公路交通事故的主要原因，进行创造性的研究 设计，可以在汽车事故前，智能化、人性化的提示驾驶员，从而有效阻止交通事故的发 生。f c w s 监测前方车辆，并计算碰撞时问在可能发生碰撞的2 7 秒前发出一个碰撞警 告，让司机采取行动，避免交通事故发生。l d w s 监测车辆在车道中的位置，在非故意 的车道偏离发生时，提前o 5 秒发出警告。h m w s 测量与前方车辆间的距离，并使用主 体车辆的行进速度来计算前方距离及到达前方车辆的时间。a w s 显示前距数值，并在 前方距离减少时发出不同级别的警告。l f w s 监测后方车辆，发现存在危险的可能时， 除发出警告提示司机外，还通过立即闪烁刹车灯警示后方车辆，以免追尾。据报道，a w s 系统推广5 年后，可以使我国道路交通事故整体降低l o ，减少经济将损失超过2 亿。 1 3 汽车纵向避撞预警系统的关键技术 有关数据表明，有7 0 一9 0 的交通事故是由于驾驶员操作失误所致。如果能够在 事故发生前提醒驾驶员注意并在紧急情况下提醒驾驶员采取安全措施，对减少交通事故 的发生无疑非常有用，汽车避撞预警系统正是实现这一功能的。汽车避撞预警系统利用 传感器技术来获取外界信息，将外界信息( 如自车车速、自车与其它车辆的距离，其他 车辆的车速等) 传递给驾驶员的同时综合利用这些信息，判断自车当前的运行状态是否 安全，进行危险检测，并在适当的时机给予报警，提示驾驶员危险物的方向以及危险程 度，以便让驾驶员采取措施( 如减速，停车等) 避开危险，保证汽车安全行驶或最大限度 的减小事故的伤害程度。汽车只有具备了这样的主动安全性，才可能从根本上减少交通 事故，提高驾驶的安全性。 汽车纵向避撞预警算法( v e c h i c l e sf r o n t a lc o l l s i o nw a l l l i n g a l 9 0 r i t h m ，v f c w a ) 的关 键技术如下：第一，判断自车当前的运行状态是否安全，自车与其他车辆问车距是否在 允许的范围之内，即安全车距问题是汽车避撞预警系统首先需要解决的问题。若自车与 其他车辆之间的当前距离小于安全车距，则自车目前处于危险状态，另外，由于汽车所 处的环境复杂多变，因此需要考虑外界因素因素来确定当前环境下适当的安全车距。第 二，建立合适的坐标系对于建立安全车距具有重要的意义，特别是在车辆转弯时，安全 车距的计算比在直道情况下复杂很多，更需要建立合适的坐标系，运用物理学运动学原 理和微积分原理确定当前状态下的安全车距。第三，由于汽车避撞预警系统是辅助驾驶 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 员驾驶的系统，冈此，v f c w a 中必须考虑驾驶员的驾车习惯和驾车特性，而由于不同 驾驶员的驾驶特性不同，建立驾驶员行为模型是v f c w a 的关键技术。 综上所述，只有解决了如上几个关键i 、u j 题，v f c w a 才能既保证汽车的安全性能， 又不打扰到驾驶员的驾驶习惯而对驾驶员造成困扰。只有这样，v f c w a 才能发挥作用。 1 4 论文的研究意义和主要内容 1 4 1 论文的研究意义 对公路交通事故的研究表明，8 0 以上的交通事故是由于驾驶员反应不及所引起 的，超过6 5 的车辆由于追尾发生碰撞事故【_ 7 1 。另外据美国全国高速公路驾驶安全管理 委员会统计，只要给驾驶员增加o 5 5 的反应时间，就能够减少6 0 的交叉路口汽车碰 撞事故和3 0 的汽车前撞事故。汽车避撞预警系统可以在危险情况下为驾驶员提供危险 报警，能给驾驶员争取一定的时间来采取措施，从而提高交通安全，减少交通事故伤亡 人数，对改善我国道路交通安全状况具有十分重要的理论意义和实际应用价值，对提高 我国道路交通安全水平、降低交通事故发生率和减少生命财产的损失，具有巨大的实际 意义。而v f c w a 是避撞系统的核心控制部分。显然，研究和开发v f c w a 具有极大的 实际意义。另一方面，在智能车辆的安全保障技术领域的探索，可以为我国智能车辆和 自动驾驶的研究提供必要的技术储备，并为我国汽车安全辅助驾驶系统的应用研究提供 现实的技术支撑。 1 4 2 论文的主要内容 避撞预警系统通过各种传感器对车辆行驶过程中的各种工况进行监测，并且将得到 的实时数据传输到高速计算机中，高速计算机中的控制单元将对这些实时数据进行分 析，从而判断出目前自车是否处于安全状态，当自车将要出现危险时，系统将发出警报， 提示驾驶员应采取减速或刹车等措施，避免交通事故的发生。 关于v f c w a 的研究非常广泛，但这些算法要么太过简单，未能充分考虑影响车辆 行驶的诸多因素，报警准确率不高；要么没有考虑驾驶员的驾车习惯，造成驾驶员的驾 驶困扰，被关闭失效。综合以上现实状况及v f c w a 的功能要求，本文旨在建立一种符 合驾驶员行为特性的v f c w a 。系统还是建立在由汽车制动过程和牛顿运动学原理构建 的安全车距模型基础上，在安全车距模型的建立中考虑恶劣环境因素，分别建立在直道 和弯道路况下的纵向安全车距模型，当自车与前车的当前车距小于模型计算的安全车距 时，说明白车当前如果不采取措施，一定会发生碰撞。另外，本文通过分析驾驶员危险 状况下的驾驶行为与v f c w a 之问的关系，说明建立驾驶员制动减速模型对于v f c w a 的必要性。然后，在驾驶行为复杂性和模糊性特点的基础上，说明利用神经网络构建驾 驶员制动减速行为的可行性，并且应用b p 神经网络建立了驾驶员制动减速行为模型。 一4 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 从而建立起符合驾驶员行为特性的v f c w a ，并j j 实验验证了该算法。本论文是在了解 汽车理论的基础上，阅读了大量国内外文献，研究了安全车距模型和驾驶员行为模型的 设计方法，从而设计出符合驾驶员行为特性的v f c w a 。 前人的研究为v f c w a 的设计奠定了坚实的牲础。孔辉院士提出的预瞄最优曲率模 型建立了汽车操纵特性与驾驶员基本特性之间的关系，为弯道前方预警系统的研究提供 了理论基础；2 0 0 0 年，吉林大学管欣教授等人提出了驾驶员方向与速度综合控制模型的 研究这一课题，并建立了驾驶员最优预瞄加速度模型，并将此模型应用到汽车弯道避撞 预警的在避撞预警算法方面，取得了良好的效果；2 0 0 2 年侯德藻等人在分析了汽车主动 避撞系统特性的基础上，综合考虑了驾驶员的特性，建立了反映驾驶员特点的主动避撞 系统；张磊等人研究了基于驾驶员跟车习惯的报警避撞算法；刘雁飞研究了驾驶行为的 建模方法；吉林大学的王维旭进行了汽车追尾避险中驾驶员制动行为特性分析。以上这 些研究对v f c w a 的研究提供了重要的理论依据。 本文的研究工作主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 分析汽车的制动过程，并在汽车制动过程中运用运动学原理和微积分知识，结 合恶劣环境参数，利用运动学原理和相关数学知识，建立在直道和弯道工况下的纵向安 全车距模型。 ( 2 ) 分析v f c w a 中考虑驾驶员驾驶习惯和驾驶特性的必要性，分析驾驶员减速制 动行为与v f c w a 的关系，结合驾驶行为的复杂性和模糊性等特点与神经网络解决问题 的特点，建立了驾驶员制动减速行为模型。 ( 3 ) 定性分析考虑驾驶员驾驶特性的汽车纵向避撞预警策略。 ( 4 ) 运用m a t l a b 神经网络工具箱进行b p 神经网络的仿真实验。 ( 5 ) 在v c 卜 6 0 环境下运用c i p e n g la p l 丌发虚拟驾驶系统桌面仿真软件，实现在 虚拟驾驶软件中调用m a t l a b 神经网络函数，并实现v f c w a 进行仿真，给出并分析 仿真结果。 一5 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 一6 一 r 式中：f l 为驾驶员反应时间，一般为o 5 _ s ；乞为制动协调时间，一般为0 2 s ；m 为 自车的速度；匕为前车速度：q ，口：分别为自车和前车最大减速度。 此模型的建立考虑了驾驶员反应时间对制动距离的影响，并且也将制动过程进行了 划分。但是，模型并没有考虑环境因素比如路面附着系数对安全车距模型的影响，而且 对危险级别没有做出划分，不符合驾驶员的萨常行为模式，具有很大的局限性，不符合 一7 一 东北大学硕士学位论文第2 章现有汽车避撞预警算法简介及改进方案 实际要求，因此需要改进。 2 1 2 国外安全预警算法简介 ( 1 ) h i d e oa r a k i 安全车距模型 1 9 9 6 年，h i d e oa r a k i 等人提出了一种安全车距模型，模型描述如下【5 1 】： “2 揣c h d 户菩一善( h 旦屹) z “2二“l口2 其中丸为安全车距，v l 和口l 代表白车当前的速度和制动减速度，屹和口：代表前车当 前的速度和加速度。此模型考虑了前后车的运动关系，并且根据前后车当前的运动状态 分为两种情况，当自车速度相对比较小时，最终制动结束的条件为两车速度相等；而当 自车相对速度比较大时，制动结束条件为两车的速度均为零。但此模型没有对前车下一 步的运动状态做出预测和讨论，因此模型建立时具有一定的局限性。 ( 2 ) 马自达安全车距模型 f 1 本马自达公司研制开发了自动控制的防追尾系统，是为了防止高速公路上行驶的 车辆之间或行驶车辆与路边停放车辆间的碰撞。模型建立的思想足：当前车以稳定的制 动减速度减速时，后车传感器发现并开始向系统传达这种信息。当前后车间距离低于制 动距离时系统给制动器发出指令，自车开始减速，最后与前车均减速到零，此时两车相 距5 m 。模型中系统延迟时间和自车减速时间两个参数是通过大量实验测定的，另外前后 两车的制动减速度是根据路面情况设定的，本模型中前后两车的制动减速度分别取了不 同值。马自达制动报警距离计算公式如下【5 2 。5 5 】： d 。：委( i 一望) + h f l + ( m 一屹) 乞+ 以 z “l“2 m ：本车速度；吃：前车速度；：两车相对速度；口。：本车制动减速度；口： 前车制动减速度；f 。：驾驶员反应时间；f ：制动系统延迟时间；以：停车间距；巩： 安全车距。 在实际应用中，当两车距离接近d 。时，系统将发出报警，即在小于d 。+ s 时驾驶员 收到报警信号，占为系统参数；当两车距离小于丸时系统启动刹车装置。马自达模型使 用了停车间距的概念，使安全车距模型更为合理化，但是，它是一个保守的制动报警距 离，没有考虑前后车的相对运动关系和路面因素对安全车距的影响。 ( 3 ) 本田安全车距模型 本田公司研制的v f c w a 采用的是分级报警方式两级报警。第一次报警称作提 一8 一 东北大学硕士学位论文 第2 章现有汽车避撞预警算法简介及改进方案 醒报警，第二次报警称作制动报警。在进行提醒报警车距的确定前，先对驾驶员进行多 次实验，然后对实验数据进行回归分析最终得出安全车距的计算公式。实验方法如下： 当汽车接近个障碍物时驾驶员被告知要打方向盘，当距离小于驾驶员应该丌始打方向 盘的距离时便丌始报警，在极度危险的情况下，驾驶员可能来不及制动而采取打方向盘 的操作，故该报警距离实际上就是驾驶员在开始打方向盘时距离前车的安全车距。制动 报警距离计算公式中的制动时间，也是通过实验获得的。当两车之间距离小于提醒报警 距离时系统便发出第一次报警，第二次报警则根据前车的运动参数分别考虑：一是在制 动结束末前车速度不为零，后车完全停1 七，两车间没有安全车距；另一种是在制动时问 末前后两车速度均为零，报警公式如下【5 2 彤】： 提醒报警距离计算模型为： d 。= 2 2 ( h 一吃) + 6 2 制动报警距离计算模型为： 当生f 2 时以l = f 2 + 口l f 2 一去口l f l 2 口2 z 当去引：时以：= v i f 2 ，( 1 ) 2 一芸口，zz 口 m ：本车速度；v 2 ：前车速度；：两车相对速度；口。：本车制动减速度；口： 前车制动减速度；，l ：系统延迟时问；，2 ：制动时问；吃：制动报警距离；以：提醒报 警距离。 本田模型提出了两段报警的方式，这种方式更符合人体工效学，对驾驶员的正常操 作影响较少，但是，该模型不能避免所有的碰撞，许多参数都是从实验中得出的，其准 确性较低，不能实时反映行车路面情况，对驾驶员因素考虑不够。 2 1 3 早期安全预警算法 除了上述安全车距报警算法以外，早期还有一些安全报警算法，也是基于安全车距 离的，下面做简单介绍。 ( 1 ) 固定距离保持法 以固定的距离c 作为门限值，当车问距离小于该值时便发出报警。模型可表示为【5 6 】： d 。= c 该算法较为简单，极易实现，然而安全车距计算应该考虑车速，驾驶员特性等一系列因 素，固定车距模型并没有考虑驾驶员，汽车和外界环境因素对安全车距的影响，因此， 此算法太过简陋。 ( 2 ) 车头时距算法 一9 一 东北大学硕士学位论文第2 章现有汽车避撞预警算法简介及改进方案 该算法可以表示为脚l ： d 。= u 宰f 。+ x 够 其中，v i 代表本车车速，“。为一定的车头时距，一般取1 o 2 o 秒，砀为一定的停车间 距。在实际行车过程中，前后车都讵常行驶的情况下，选取合适的车头时距值能够一定 程度上反映驾驶员的主观判断。在该算法中，安全距离和相对车速是线性递增的对应关 系，对于安全的保障要比固定车距方法可靠，同时算法的软硬件实现也非常简单。但是 如果考虑前车非正常行驶( 如紧急制动) ，采取从正常行驶情况下总结出的时距判断就会 带来安全隐患。 2 2 汽车纵向避撞预警算法的改进要求 汽车纵向避撞预警系统由传感器、电子控制单元、报警装置( 扬声器、警示灯等) 及 制动系统执行器等部分组成【8 】。其主要功能是及时发现车辆前方行驶中潜在的危险，利 用声光等方式为驾驶员提供警示信息，指示驾驶员及时采取正确的操作，避免交通事故 的发生。v f c w a 是系统的重要技术环节，关系到避撞预警系统执行报警的时机，因而 直接影响系统的安全性能。 由以上的分析可知，在已有的v f c w a 中，应用较多的方法是建立安全距离模型， 例如固定车距模型、固定车间时距模型、各种运动学模型等。这些模型都是通过分析车 间安全距离来确定系统的纵向报警避撞策略。其中，固定车距和固定车间时距模型比较 简单，不能适应较为复杂的工况；运动学模型是通过分析相邻车辆的车距与车速、加速 度之间的关系确定安全车距。运动学模型的建立以运动学的研究成果为基础，即研究主 要侧重车辆自身的控制方面，因此运动学模型的特点是安全性好，但是没有将驾驶员的 驾驶特性因素加入进去。避撞预警系统作为一种驾驶辅助系统，应当在不影响驾驶员正 常操作的前提下，尽可能为驾驶员提供辅助，因此，v f c w a 也应该从驾驶员的角度进 行考剧9 1 ( 建立驾驶员模型) ，以适应不同驾驶员的需求。综上所述，v f c w a 应该在汽车 的安全性和驾驶员驾车习惯之间寻找一个中问点，既能保证汽车的安全性，又能满足驾 驶员的驾驶特性，不至于不符合驾驶员的驾驶行为特性而被关闭，失去避撞预警系统的 存在意义。 建立安全车距模型的理论基础已很成熟，且熟知性较高，主要是当代物理学、数学 等相关知识。驾驶行为理论是建立考虑驾驶特性的v f c w a 的理论依据，且理论的熟知 度不高，下面简要介绍驾驶行为理论。 2 3 驾驶行为理论介绍 2 3 1 驾驶行为过程分析 驾驶行为是指为了一定的出行目的而执行的驾驶操作。驾驶员是驾驶行为的主体。 一1 0 东北大学硕士学位论文 第2 章现有汽车避撞预警算法简介及改进方案 驾驶员在驾驶行为过程中，不断获取所处的交通环境信息，然后根据这些信息实施驾驶。 驾驶行为是刺激机体反应模式的体现。图2 1 为驾驶行为过程示意副18 1 。 驾驶员 叫感知h 判断决策h 操作1 1 汽车运j j ：状 k ：鬲4 牟，口 - 1念 l ，义魍扒妒l ol 图2 1 弼驶行为过程不恿图 f i g 2 1s k e t c hm a po ft h e 眦e s so fd r i 啊n g - b e h a v i o r ( 1 ) 感知阶段 在这个阶段，驾驶员通过各种感觉器官和车上所安装的传感器感知汽车的行驶状态 以及汽车所处的交通环境信息，比如：自车