智能汽車安全鄰域搜索

1、智能汽車安全鄰域的搜索摘要：基于機器視覺的智能汽車的自主導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)之一就是行駛路線的搜索。由人駕駛汽車的行為模式出發(fā)，提出了汽車行駛安全鄰域的概念。然后將道路模型由等距曲線給出，由此在行駛道路上讓智能汽車就前進過程中如何搜索安全鄰域做了詳細的理論探討，得到了一種安全鄰域建立方法，這種方法對于研究智能汽車仿真時尤為適用。關(guān)鍵詞：智能汽車仿真安全鄰域1 引言無人駕駛汽車是一種智能汽車，也可以稱之為輪式移動機器人，主要依靠車內(nèi)以計算機系統(tǒng)為主的智能駕駛儀實現(xiàn)無人駕駛。它一般是利用車載傳感器感知車輛周圍環(huán)境，并根據(jù)感知所獲得的道路、車輛位置和障礙物等信息，控制車輛的轉(zhuǎn)向和速度，從而使車輛能夠安全、可

2、靠地在道路上行駛。通過對駕駛員的駕駛行為進行分析可知，對基于機器視覺的智能汽車的運動控制行為， 應(yīng)當(dāng)與駕駛員的駕駛行為相似， 即讓汽車始終處在無危險障礙的區(qū)域內(nèi)行駛，這樣才能保證汽車安全行駛。國內(nèi)外在智能汽車控制方面已做了大量的研究工作，目前面臨的主要問題是在仿真時，對于未知環(huán)境 （道路） 的數(shù)學(xué)模型很難準(zhǔn)確得到。本文對智能汽車如何尋找行駛路線進行研究，研究方法是模仿人工駕駛行為，得到了一中讓智能汽車自主搜索行駛路線的方法，這種方法在智能汽車的仿真研究時可以起到關(guān)鍵作用。2 安全鄰域的定義安全鄰域就是指汽車在道路的某個區(qū)域內(nèi)能正常、無障礙的行駛， 將這個區(qū)域稱之為安全鄰域。因此，由安全鄰域的定

3、義，可知安全鄰域內(nèi)是沒有障礙物的。從數(shù)學(xué)上看，安全鄰域?qū)嶋H上就是n 維空間中的一個集合，在這個集合中無障礙物，這樣才能保證汽車正常行駛。常見安全鄰域的形狀及其數(shù)學(xué)模型：根據(jù)實際的行駛環(huán)境和傳感器的位置、個數(shù)不同，可以得到不同形狀的安全鄰域。在此，為了后面討論的需要，將安全鄰域的模型簡化，只考慮道路上的情況，因此得到的安全鄰域是2 維的，這種2 維的安全鄰域有利于智能駕駛的仿真 . 常見的 2 維安全鄰域的形狀可以取為圓形、矩形、 扇形等。 將車輛看成是道路上的一個質(zhì)點，并將道路抽象到平面直角坐標(biāo)系下，便可得到下面幾種安全鄰域的數(shù)學(xué)模型。(1)圓形型安全鄰域圖 1數(shù)學(xué)模型：其中 P0(x0 ，y

4、0)表示車輛所在位置， r 表示該鄰域的半徑。顯然 r 越大，對應(yīng)的安全鄰域便越大。(2)矩形型安全鄰域圖 2數(shù)學(xué)模型：其中 P0(x0 ， y0)表示車輛所在位置，l1， l2 分別表示該安全鄰域的長和寬。顯然l1 越大，表示前方無障礙的距離越遠。l2 越大，表示車輛行駛的道路越寬。陶笛送媽媽禮物(3)扇形型安全鄰域圖 3數(shù)學(xué)模型：其中 P0(x0 ，y0)表示車輛所在位置，r 表示該扇形的半徑， 是直線 l1，l2 的夾角，也是該扇形安全鄰域的夾角。顯然r 和越大，表示扇形型安全鄰域越大。上述所描述只是一種情況，其它情況的數(shù)學(xué)模型可以由B1 ，B2 的符號和后面不等號的方向來刻畫。本文僅就

5、扇形型安全鄰域的搜索進行討論。3 道路模型的數(shù)學(xué)描述現(xiàn)實生活中道路大多都是等寬的，假設(shè)道路的兩邊是由平面上兩條光滑曲線C1和C2構(gòu)成，首先做下面的定義：定義1( 曲線上的點到另一曲線的距離)：若 A C1，過 A 點作曲線 C1 的法線與曲線C2 交于點Bi ，記 d 為點 A 到曲線 C2 的距離，其中。定義2( 等距曲線 )：設(shè) C1， C2 是平面 R2 的兩條連續(xù)曲線。若C1， C2 滿足(1)C1， C2 在平面 R2 內(nèi)不相交；(2) 對，設(shè)過點 A 的法線為 l 在曲線上 C2 至少存在一點 B ，使得過B 的法線與l 重合，則稱曲線C1 與曲線 C2 等距。由上面的定義1 和

6、2 可知，若C1 ，C2 是等距曲線，則對于其中一條曲線上的每一點到另外一條曲線的距離都是相等的。因此，現(xiàn)實中的等寬道路可以看成兩條等距曲線構(gòu)成。為了后面討論的需要，假設(shè)道路的兩邊始終處在同一平面之內(nèi)，并且道路的兩邊可以抽象為在地面固定的坐標(biāo)系下離散的點列組成，下面給出一種在MA TLAB 里道路模型的構(gòu)建方法。選定曲線C1 作為路的一邊，在曲線C1 取點列，其中（q 為設(shè)定的一個常數(shù)） 。過點Ai作直線 AiAi+1的法線，在法線上取點Ai ，使得（其中d0 就是路的寬度） ，用折線將Ai 依次連接起來便得到路的另一邊。這樣生成的路是近似等寬的，并且下標(biāo)增加的方向作為行路者前進的方向。如我們

7、以為路的一邊，便可得到如圖4 的一段路。圖 4由上面的介紹，可得到如下結(jié)論：結(jié)論：設(shè)則在該平面內(nèi)存在曲線C 使得 C 與 C1，C2C1， C2 是同一平面內(nèi)的兩條等距曲線，都等距， 且。在現(xiàn)實中， C 便是道路的中心線。4 扇形安全鄰域的確定本節(jié)就在仿真道路上，給出扇形安全鄰域具體的尋找方法。要確定一個扇形安全鄰域需要確定三個關(guān)鍵點，下面就對這三個關(guān)鍵點給出具體的確定方法。在實際中， 圓心的確定很簡單，它就是車輛質(zhì)心所在的點，記為。第二個點可以路的兩邊的路標(biāo)上選擇。在這里，為了后面算法的需要，在路的兩邊上取等距點列Ai 和 Ai 。圖 5將第二個點取為Ai或 Ai 中的點， 這樣便確定了兩個

8、點。下面給出第三個點的確定步驟：步驟： (1)連結(jié)，則線段的長度分別為由的取法可知，并且 i 越大，線段的長度越大。(2)在線段中任取兩條線段（可以在同側(cè)，也可以在異側(cè)），記為和，作為所要尋找的扇形鄰域的半徑。在這邊不妨設(shè)。(3)以為圓心，為半徑作圓與線段交于一點P。該點就是需要確定的第三點。通過以上三步， 便可以得到很多的扇形鄰域，但并不是所有的扇形鄰域都可以作為安全鄰域。 為了讓汽車能安全行駛，那么得到的扇形鄰域的夾角必須滿足一定的范圍。這些扇形鄰域稱為可行安全鄰域，下面給出其數(shù)學(xué)定義。定義(可行安全鄰域)：是指的如上面找出的扇形鄰域中，夾角的扇形鄰域。其中是根據(jù)實際行車需要給出的一個數(shù)值

9、。下面給出計算安全鄰域的夾角的算法：設(shè)找到的扇形鄰域為則，其中yi 是點 Ai 的縱坐標(biāo)。從而扇形鄰域的夾角便可看作是直線OAi與 OP 的夾角，記為，則若 0，則該扇形鄰域就是可行安全鄰域。 通過尋找安全鄰域的方法， 可知安全鄰域的安全半徑和夾角是成反向關(guān)系的。 因此， 在實際中， 要根據(jù)不同的情況來選擇最終的安全鄰域。如車輛速度比較大時，則應(yīng)該選擇半徑較大的安全鄰域；若車輛本身體積較大時，則應(yīng)選擇夾角更大的作為行車的安全鄰域。但有一個基本原則，在角度相等時， 選擇安全半徑較大的； 在安全半徑相等時，選擇角度較大的。 下面討論特殊情況下的安全鄰域，若路中間有障礙物時（如圖 7）。此時可將障礙物插入到路的兩邊的序列 Ai 或 Ai 中。這樣就可以看成是扇形鄰域的邊界。由前面的討論可知 , 這樣找出來的安全鄰域里就不再有障礙物。因此，可以讓車輛順利地達到避障的目的。由上面安全領(lǐng)域的尋找方法可知， 當(dāng)智能汽車沿著安全領(lǐng)域的中心線行使時， 經(jīng)過一段距離的調(diào)整，會沿著路的中心線行使，這樣