Modelbase智能駕駛仿真與應(yīng)用 課件 第5章智能駕駛功能仿真應(yīng)用

第五章?智能駕駛功能仿真應(yīng)用《ModelBase智能駕駛建模仿真與應(yīng)用

》導(dǎo)讀智能駕駛功能仿真是車輛智能駕駛功能開發(fā)及驗(yàn)證的重要手段，可有效縮短智能駕駛功能開發(fā)周期和成本。本章詳細(xì)介紹智能駕駛仿真流程、各智能駕駛功能的建模和仿真實(shí)例。通過本章的學(xué)習(xí)，讀者深入了解常見的智能駕駛功能的工作原理，掌握智能駕駛功能的Model_x0002_Base建模仿真方法，為后續(xù)章節(jié)的聯(lián)合仿真奠定基礎(chǔ)。5.1?概述智能駕駛功能仿真是整個(gè)智能駕駛系統(tǒng)開發(fā)流程中的重要環(huán)節(jié)之一，其通過傳感器仿真、車輛動(dòng)力學(xué)仿真、交通流仿真、數(shù)字仿真、駕駛場景構(gòu)建等技術(shù)模擬實(shí)車道路測試環(huán)境，并在仿真中添加智能駕駛算法，從而搭建相對(duì)真實(shí)的駕駛場景，以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能駕駛功能的虛擬仿真測試。5.2?前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)前向碰撞預(yù)警（ForwardCollisionWarning，F(xiàn)CW）系統(tǒng)通過雷達(dá)或攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)測前方車輛，判斷本車與前車之間的距離、方位及相對(duì)速度，當(dāng)系統(tǒng)判斷存在潛在碰撞危險(xiǎn)時(shí)，將對(duì)駕駛者進(jìn)行警告。FCW系統(tǒng)本身不會(huì)采取任何制動(dòng)措施去避免碰撞或控制車輛。在不立即采取糾正措施，就很可能發(fā)生碰撞的情況下，有的車型前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)會(huì)發(fā)出蜂鳴音，并在儀表板上以紅色高亮顯示前方車輛。以下是前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)的使用場景及其具體功能。（1）使用場景為直道工況，車速為10～70km/h。（2）當(dāng)主車與前車存在追尾風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)通過預(yù)警方式提醒駕駛員進(jìn)行制動(dòng)。（3）前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警策略分級(jí)為一級(jí)預(yù)警和二級(jí)預(yù)警。（4）駕駛員可通過App進(jìn)行前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)功能的開啟和關(guān)閉操作。（5）當(dāng)駕駛員通過大角度轉(zhuǎn)向或急打方向盤進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)時(shí)，前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)功能關(guān)閉；當(dāng)駕駛員主動(dòng)干預(yù)結(jié)束后，前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)功能將會(huì)自動(dòng)恢復(fù)。（6）當(dāng)駕駛員打轉(zhuǎn)向燈準(zhǔn)備轉(zhuǎn)彎時(shí)，前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)功能關(guān)閉；當(dāng)轉(zhuǎn)向燈關(guān)閉后，前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)功能將會(huì)自動(dòng)恢復(fù)。（7）在開啟雙閃的狀態(tài)下，前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)功能關(guān)閉。5.2?前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)5.2.1?系統(tǒng)建模前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)建模的關(guān)鍵是如何確定碰撞時(shí)間（TimetoCollision,TTC），最早提出的碰撞時(shí)間只由自車與前車相對(duì)距離和自車與前車的相對(duì)速度計(jì)算獲得動(dòng)態(tài)碰撞時(shí)間閾值為當(dāng)TTC<Tthr時(shí)，需要觸發(fā)前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)。5.2?前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)5.2.2?仿真實(shí)例在ModelBase軟件中搭建對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行仿真測試。5.2?前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)5.2.2?仿真實(shí)例在ModelBase軟件中搭建對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行仿真測試。050607085.3?自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)自適應(yīng)巡航控制（AdaptiveCruiseControl，ACC）系統(tǒng)是一種功能更為強(qiáng)大，適用場景更廣泛的巡航技術(shù)。它通過安裝在汽車前部的車距傳感器感知監(jiān)測前方道路的交通參與者情況，例如，自車和前車之間的相對(duì)距離超過安全距離時(shí)，它會(huì)采取相應(yīng)操作控制汽車的行駛速度，如制動(dòng)力矩、發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度等，避免交通事故發(fā)生，減輕駕駛的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提高通行效率。通常ACC系統(tǒng)在控制汽車制動(dòng)時(shí)，會(huì)將制動(dòng)減速度控制在不影響乘車舒適性的范圍內(nèi)，當(dāng)需要更大的減速度時(shí)，ACC系統(tǒng)會(huì)發(fā)出預(yù)警信號(hào)以提醒駕駛員采取制動(dòng)操作，以燃油汽車為例，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)主要由信息感知模塊、ECU、執(zhí)行控制模塊和人機(jī)交互模塊組成。5.3?自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)5.3.1?系統(tǒng)建模（1/3）駕駛員啟動(dòng)自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)后，安裝在汽車前部的車距傳感器持續(xù)掃描汽車前方的道路狀況，同時(shí)輪速傳感器采集車速信號(hào)。如果主車前方?jīng)]有車輛或與前車距離很遠(yuǎn)或主車速度很快，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)就會(huì)激活巡航控制模式，同時(shí)根據(jù)駕駛員設(shè)定的車速和輪速傳感器采集的主車速度自動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度或制動(dòng)壓力，使主車達(dá)到設(shè)定的車速并巡航行駛；如果前車距離較近或主車速度很慢，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)就會(huì)激活跟隨控制模式，同時(shí)根據(jù)駕駛員設(shè)定的安全車距和輪速傳感器采集的主車速度計(jì)算出期望車距，并與車距傳感器采集的實(shí)際距離進(jìn)行比較，自動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度或制動(dòng)壓力，使汽車以一個(gè)安全車距穩(wěn)定地跟隨前車行駛。以燃油車為例，ACC系統(tǒng)的工作原理如圖所示。5.3?自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)5.3.1?系統(tǒng)建模（2/3）為了適用更多工況，ACC還有減速控制、加速控制、停車控制、啟動(dòng)控制模式，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)工作模式。5.3?自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)5.3.1?系統(tǒng)建模（3/3）ACC系統(tǒng)工作時(shí)需要明確車輛的運(yùn)動(dòng)情況，因此需要建立合適的模型。首先根據(jù)縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)建車輛縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，之后根據(jù)自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的下層控制器進(jìn)行逆縱向動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)建模。（1）構(gòu)建車輛縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：（2）車輛逆縱向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模1）驅(qū)動(dòng)控制與逆發(fā)動(dòng)機(jī)控制模型：2）制動(dòng)控制與逆制動(dòng)系統(tǒng)模型：5.3?自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)5.3.2?仿真實(shí)例在ModelBase軟件中搭建對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行仿真測試。5.4?車道偏離

預(yù)警系統(tǒng)車道偏離預(yù)警系統(tǒng)（LaneDepartureWarningSystem，LDWS）通過車載攝像頭或傳感器技術(shù)識(shí)別車輛所在的車道線，并在車輛偏離車道線時(shí)發(fā)出警告，提醒駕駛員及時(shí)糾正車輛行駛方向，以防止意外事故的發(fā)生。LDWS已經(jīng)成為了現(xiàn)代汽車上常見的安全輔助系統(tǒng)之一，被廣泛應(yīng)用于高速公路、城市道路等多種路況下。普通工況：當(dāng)車輛在規(guī)定的車道內(nèi)行駛時(shí)，車道偏離預(yù)警系統(tǒng)對(duì)車道進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并在車輛偏離車道線時(shí)發(fā)出聲音或震動(dòng)等提示，提醒駕駛員及時(shí)調(diào)整行駛方向。在這種情況下，車道偏離預(yù)警系統(tǒng)可以幫助駕駛員更好地掌控車輛，降低因疲勞或注意力不集中而導(dǎo)致車禍的風(fēng)險(xiǎn)。侵入警告工況：當(dāng)車輛逐漸靠近車道線時(shí)，車道偏離預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出警告，提醒駕駛員將車輛轉(zhuǎn)回規(guī)定的車道內(nèi)。如果駕駛員不及時(shí)做出反應(yīng)，車道偏離預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出更強(qiáng)烈的警告，提醒駕駛員調(diào)整車輛行駛方向，避免發(fā)生意外事故。追車提示工況：當(dāng)車輛行駛在高速公路或其他限速區(qū)域時(shí)，如果后車行駛速度高于前車，并且距離較近，車道偏離預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出警告，提醒駕駛員需要注意后車，并注意調(diào)整車速或車道。5.4?車道偏離預(yù)警系統(tǒng)5.4.1?系統(tǒng)建模車道偏離預(yù)警系統(tǒng)的主要目標(biāo)是預(yù)測車輛即將偏離車道時(shí)，提前給駕駛員發(fā)出警示信號(hào)，確保提前預(yù)警的同時(shí)還要減少誤警率。LDWS越早觸發(fā)警報(bào)，提供給駕駛員的糾正時(shí)間就越多，相反，越容易觸發(fā)誤警給駕駛員造成困擾。因此需要建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，確定預(yù)警觸發(fā)時(shí)間。橫越車道線時(shí)間tLC可由以下公式計(jì)算獲得：5.4?車道偏離預(yù)警系統(tǒng)5.4.2?仿真實(shí)例在ModelBase軟件中搭建對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行仿真測試。5.4?車道偏離預(yù)警系統(tǒng)5.4.2?仿真實(shí)例在ModelBase軟件中搭建對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行仿真測試。5.5?車道保持系統(tǒng)車道保持系統(tǒng)（LaneKeepingSystem，LKS），是在車道偏離預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，該系統(tǒng)不僅可以通過報(bào)警等方式提醒駕駛員注意，還可以輔助駕駛員實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向和制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，糾正車輛在行駛過程中偏離所在車道的錯(cuò)誤，保持車輛在本車道內(nèi)行駛，減少交通事故的發(fā)生。5.5?車道保持系統(tǒng)5.5.1?系統(tǒng)建模車道保持系統(tǒng)主要功能是防止車輛偏離車道，使車輛穩(wěn)定地行駛在道路正確位置，因而它主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的橫向運(yùn)動(dòng)控制，因此必要建立輪胎模型和汽車橫向動(dòng)力學(xué)模型。（1）輪胎模型：（2）汽車橫向動(dòng)力學(xué)模型：5.5?車道保持系統(tǒng)5.5.2?仿真實(shí)例下面在ModelBase軟件中搭建對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行仿真測試。010203045.5?車道保持系統(tǒng)5.5.2?仿真實(shí)例面在ModelBase軟件中搭建對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行仿真測試結(jié)果。5.6?自動(dòng)泊車系統(tǒng)（1/2）自動(dòng)泊車系統(tǒng)（AutonomousParkingSystem，APS）是利用車載傳感器探測周圍有效泊車空間，并幫助駕駛員自動(dòng)將汽車泊入目標(biāo)車位處，完成車輛泊車操作的汽車輔助駕駛系統(tǒng)。根據(jù)車位類型的不同，自動(dòng)泊車一般分為橫向泊車，縱向泊車和斜向泊車，共計(jì)3大類。5.6?自動(dòng)泊車系統(tǒng)（2/2）自動(dòng)泊車系統(tǒng)的運(yùn)行過程主要分為車位檢測、路徑規(guī)劃、軌跡跟蹤三步。5.6?自動(dòng)泊車系統(tǒng)5.6.1?系統(tǒng)建模在MATLAB/Simulink中搭建典型的自動(dòng)泊車系統(tǒng)模型，共分為傳感器接口、感知模塊、軌跡規(guī)劃模塊、軌跡跟蹤模塊、通訊模塊和可視化模塊。傳感器接口接收ModelBase中傳輸過來的所有傳感器信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行簡單濾波。通訊模塊將油門開度、制動(dòng)壓力、方向盤轉(zhuǎn)角和檔位的控制信號(hào)傳遞給ModelBase中的車輛動(dòng)力學(xué)模型。5.6?自動(dòng)泊車系統(tǒng)5.6.2?仿真實(shí)例在ModelBase中搭建對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行仿真測試。5.7?基于導(dǎo)航的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對(duì)于高速NOP，目前在高精地圖覆蓋的范圍內(nèi)，高速NOP具體可以實(shí)現(xiàn)如下功能：自動(dòng)匯入主路在主路中巡航行駛，車輛智能選擇最優(yōu)車道根據(jù)導(dǎo)航規(guī)劃自動(dòng)切換至下一條高速/高架自動(dòng)駛離主路基于導(dǎo)航的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)也被稱為導(dǎo)航輔助駕駛，其允許車輛在特定條件下按照高精地圖導(dǎo)航規(guī)劃的路徑自動(dòng)巡航行駛，并具備自動(dòng)變道、自主超車等能力，將導(dǎo)航系統(tǒng)、高精地圖、自動(dòng)輔助駕駛系統(tǒng)緊密結(jié)合在一起，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)到點(diǎn)的完全自動(dòng)駕駛。NOP（NavigateonPilot，NOP）系統(tǒng)本質(zhì)是將“導(dǎo)航”和“輔助駕駛”結(jié)合在一起，在原來L2輔助駕駛的基礎(chǔ)上（如前文所介紹的前向碰撞預(yù)警、自適應(yīng)巡航控制、車道偏離預(yù)警、車道保持輔助等功能）加上配備高精地圖的導(dǎo)航信息，自動(dòng)變道行駛，從而實(shí)現(xiàn)從A點(diǎn)到B點(diǎn)的自動(dòng)駕駛。5.7?基于導(dǎo)航的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)

(5.7.1?系統(tǒng)建模)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)需要對(duì)車輛進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，所以需要建立一個(gè)準(zhǔn)確的車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，模型的準(zhǔn)確性將影響車輛的跟蹤控制效果。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)分為感知系統(tǒng)、規(guī)劃系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。感知系統(tǒng)通過車載傳感器、車聯(lián)網(wǎng)信息、車載高精地圖等感知駕駛環(huán)境、車輛定位信息，為車輛規(guī)劃提供必要的感知信息；規(guī)劃系統(tǒng)通過感知信息和車輛網(wǎng)信息對(duì)車輛的任務(wù)、行為和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃，為車輛的控制提供決策信息；控制系統(tǒng)通過路徑跟蹤和軌跡跟蹤控制，最后通過下層控制器的執(zhí)行器跟蹤控制，最終實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)駕駛功能。1235.5?車道保持系統(tǒng)5.7.2?仿真實(shí)例在ModelBase中搭建對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行仿真測試。010203045.8?代客泊車系統(tǒng)自主代客泊車(AutonomousValetParking，AVP)，是目前最高級(jí)別的自動(dòng)泊車技術(shù)，V即Valet酒店侍從，意為代客泊車。實(shí)現(xiàn)從停車場入口、出口與停車位之間的特定區(qū)域內(nèi)完全自主的自動(dòng)駕駛。作為自動(dòng)駕駛在泊車場景下的應(yīng)用，自主代客泊車幫助用戶節(jié)省大量尋找停車位、停車及找車時(shí)間，解決高峰期排隊(duì)停車的痛點(diǎn)。5.8?代客泊車系統(tǒng)車端、場端、云端及手機(jī)端聯(lián)合構(gòu)成了完整的基于車場融合的自主代客泊車系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合了車端和場端的優(yōu)勢，結(jié)合自動(dòng)地鎖、自動(dòng)充電、無線充電和自動(dòng)洗車等基礎(chǔ)服務(wù)，構(gòu)建更加智能、安全、豐富的閉環(huán)生態(tài)場景。因此車場融合是未來自主代客泊車技術(shù)的發(fā)展方向。5.8?代客泊車系統(tǒng)5.8.1?系統(tǒng)建模