Modelbase智能駕駛仿真與應用 課件 第5章智能駕駛功能仿真應用

第五章?智能駕駛功能仿真應用《ModelBase智能駕駛建模仿真與應用

》導讀智能駕駛功能仿真是車輛智能駕駛功能開發(fā)及驗證的重要手段，可有效縮短智能駕駛功能開發(fā)周期和成本。本章詳細介紹智能駕駛仿真流程、各智能駕駛功能的建模和仿真實例。通過本章的學習，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、車輛動力學仿真、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，從而搭建相對真實的駕駛場景，以實現(xiàn)對智能駕駛功能的虛擬仿真測試。5.2?前向碰撞預警系統(tǒng)前向碰撞預警（ForwardCollisionWarning，F(xiàn)CW）系統(tǒng)通過雷達或攝像頭實時監(jiān)測前方車輛，判斷本車與前車之間的距離、方位及相對速度，當系統(tǒng)判斷存在潛在碰撞危險時，將對駕駛者進行警告。FCW系統(tǒng)本身不會采取任何制動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警系統(tǒng)會發(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）當主車與前車存在追尾風險時，前向碰撞預警系統(tǒng)通過預警方式提醒駕駛員進行制動。（3）前向碰撞預警系統(tǒng)的預警策略分級為一級預警和二級預警。（4）駕駛員可通過App進行前向碰撞預警系統(tǒng)功能的開啟和關(guān)閉操作。（5）當駕駛員通過大角度轉(zhuǎn)向或急打方向盤進行主動干預時，前向碰撞預警系統(tǒng)功能關(guān)閉；當駕駛員主動干預結(jié)束后，前向碰撞預警系統(tǒng)功能將會自動恢復。（6）當駕駛員打轉(zhuǎn)向燈準備轉(zhuǎn)彎時，前向碰撞預警系統(tǒng)功能關(guān)閉；當轉(zhuǎn)向燈關(guān)閉后，前向碰撞預警系統(tǒng)功能將會自動恢復。（7）在開啟雙閃的狀態(tài)下，前向碰撞預警系統(tǒng)功能關(guān)閉。5.2?前向碰撞預警系統(tǒng)5.2.1?系統(tǒng)建模前向碰撞預警系統(tǒng)建模的關(guān)鍵是如何確定碰撞時間（TimetoCollision,TTC），最早提出的碰撞時間只由自車與前車相對距離和自車與前車的相對速度計算獲得動態(tài)碰撞時間閾值為當TTC<Tthr時，需要觸發(fā)前向碰撞預警系統(tǒng)。5.2?前向碰撞預警系統(tǒng)5.2.2?仿真實例在ModelBase軟件中搭建對應的工況進行仿真測試。5.2?前向碰撞預警系統(tǒng)5.2.2?仿真實例在ModelBase軟件中搭建對應的工況進行仿真測試。050607085.3?自適應巡航控制系統(tǒng)自適應巡航控制（AdaptiveCruiseControl，ACC）系統(tǒng)是一種功能更為強大，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距離超過安全距離時，它會采取相應操作控制汽車的行駛速度，如制動力矩、發(fā)動機節(jié)氣門開度等，避免交通事故發(fā)生，減輕駕駛的勞動強度，同時提高通行效率。通常ACC系統(tǒng)在控制汽車制動時，會將制動減速度控制在不影響乘車舒適性的范圍內(nèi)，當需要更大的減速度時，ACC系統(tǒng)會發(fā)出預警信號以提醒駕駛員采取制動操作，以燃油汽車為例，自適應巡航控制系統(tǒng)主要由信息感知模塊、ECU、執(zhí)行控制模塊和人機交互模塊組成。5.3?自適應巡航控制系統(tǒng)5.3.1?系統(tǒng)建模（1/3）駕駛員啟動自適應巡航控制系統(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，同時輪速傳感器采集車速信號。如果主車前方?jīng)]有車輛或與前車距離很遠或主車速度很快，自適應巡航控制系統(tǒng)就會激活巡航控制模式，同時根據(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調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度或制動壓力，使主車達到設(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，自適應巡航控制系統(tǒng)就會激活跟隨控制模式，同時根據(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算出期望車距，并與車距傳感器采集的實際距離進行比較，自動調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度或制動壓力，使汽車以一個安全車距穩(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、啟動控制模式，自適應巡航控制系統(tǒng)工作模式。5.3?自適應巡航控制系統(tǒng)5.3.1?系統(tǒng)建模（3/3）ACC系統(tǒng)工作時需要明確車輛的運動情況，因此需要建立合適的模型。首先根據(jù)縱向運動學構(gòu)建車輛縱向運動學模型，之后根據(jù)自適應巡航控制系統(tǒng)的下層控制器進行逆縱向動力學系統(tǒng)建模。（1）構(gòu)建車輛縱向運動學模型：（2）車輛逆縱向系統(tǒng)動力學建模1）驅(qū)動控制與逆發(fā)動機控制模型：2）制動控制與逆制動系統(tǒng)模型：5.3?自適應巡航控制系統(tǒng)5.3.2?仿真實例在ModelBase軟件中搭建對應的工況進行仿真測試。5.4?車道偏離

預警系統(tǒng)車道偏離預警系統(tǒng)（LaneDepartureWarningSystem，LDWS）通過車載攝像頭或傳感器技術(shù)識別車輛所在的車道線，并在車輛偏離車道線時發(fā)出警告，提醒駕駛員及時糾正車輛行駛方向，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，被廣泛應用于高速公路、城市道路等多種路況下。普通工況：當車輛在規(guī)定的車道內(nèi)行駛時，車道偏離預警系統(tǒng)對車道進行實時檢測，并在車輛偏離車道線時發(fā)出聲音或震動等提示，提醒駕駛員及時調(diào)整行駛方向。在這種情況下，車道偏離預警系統(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致車禍的風險。侵入警告工況：當車輛逐漸靠近車道線時，車道偏離預警系統(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)。如果駕駛員不及時做出反應，車道偏離預警系統(tǒng)發(fā)出更強烈的警告，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：當車輛行駛在高速公路或其他限速區(qū)域時，如果后車行駛速度高于前車，并且距離較近，車道偏離預警系統(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?車道偏離預警系統(tǒng)5.4.1?系統(tǒng)建模車道偏離預警系統(tǒng)的主要目標是預測車輛即將偏離車道時，提前給駕駛員發(fā)出警示信號，確保提前預警的同時還要減少誤警率。LDWS越早觸發(fā)警報，提供給駕駛員的糾正時間就越多，相反，越容易觸發(fā)誤警給駕駛員造成困擾。因此需要建立準確的數(shù)學模型，確定預警觸發(fā)時間。橫越車道線時間tLC可由以下公式計算獲得：5.4?車道偏離預警系統(tǒng)5.4.2?仿真實例在ModelBase軟件中搭建對應的工況進行仿真測試。5.4?車道偏離預警系統(tǒng)5.4.2?仿真實例在ModelBase軟件中搭建對應的工況進行仿真測試。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)不僅可以通過報警等方式提醒駕駛員注意，還可以輔助駕駛員實現(xiàn)對轉(zhuǎn)向和制動系統(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，因而它主要是實現(xiàn)對車輛的橫向運動控制，因此必要建立輪胎模型和汽車橫向動力學模型。（1）輪胎模型：（2）汽車橫向動力學模型：5.5?車道保持系統(tǒng)5.5.2?仿真實例下面在ModelBase軟件中搭建對應的工況進行仿真測試。010203045.5?車道保持系統(tǒng)5.5.2?仿真實例面在ModelBase軟件中搭建對應的工況進行仿真測試結(jié)果。5.6?自動泊車系統(tǒng)（1/2）自動泊車系統(tǒng)（AutonomousParkingSystem，APS）是利用車載傳感器探測周圍有效泊車空間，并幫助駕駛員自動將汽車泊入目標車位處，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，自動泊車一般分為橫向泊車，縱向泊車和斜向泊車，共計3大類。5.6?自動泊車系統(tǒng)（2/2）自動泊車系統(tǒng)的運行過程主要分為車位檢測、路徑規(guī)劃、軌跡跟蹤三步。5.6?自動泊車系統(tǒng)5.6.1?系統(tǒng)建模在MATLAB/Simulink中搭建典型的自動泊車系統(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，并對其進行簡單濾波。通訊模塊將油門開度、制動壓力、方向盤轉(zhuǎn)角和檔位的控制信號傳遞給ModelBase中的車輛動力學模型。5.6?自動泊車系統(tǒng)5.6.2?仿真實例在ModelBase中搭建對應的工況進行仿真測試。5.7?基于導航的自動駕駛系統(tǒng)對于高速NOP，目前在高精地圖覆蓋的范圍內(nèi)，高速NOP具體可以實現(xiàn)如下功能：自動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)導航規(guī)劃自動切換至下一條高速/高架自動駛離主路基于導航的自動駕駛系統(tǒng)也被稱為導航輔助駕駛，其允許車輛在特定條件下按照高精地圖導航規(guī)劃的路徑自動巡航行駛，并具備自動變道、自主超車等能力，將導航系統(tǒng)、高精地圖、自動輔助駕駛系統(tǒng)緊密結(jié)合在一起，在一定程度上實現(xiàn)了點到點的完全自動駕駛。NOP（NavigateonPilot，NOP）系統(tǒng)本質(zhì)是將“導航”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警、自適應巡航控制、車道偏離預警、車道保持輔助等功能）加上配備高精地圖的導航信息，自動變道行駛，從而實現(xiàn)從A點到B點的自動駕駛。5.7?基于導航的自動駕駛系統(tǒng)

(5.7.1?系統(tǒng)建模)自動駕駛系統(tǒng)需要對車輛進行運動控制，所以需要建立一個準確的車輛運動學模型，模型的準確性將影響車輛的跟蹤控制效果。自動駕駛系統(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)信息對車輛的任務、行為和運動進行規(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，最終實現(xiàn)車輛的自動駕駛功能。1235.5?車道保持系統(tǒng)5.7.2?仿真實例在ModelBase中搭建對應的工況進行仿真測試。010203045.8?代客泊車系統(tǒng)自主代客泊車(AutonomousValetParking，AVP)，是目前最高級別的自動泊車技術(shù)，V即Valet酒店侍從，意為代客泊車。實現(xiàn)從停車場入口、出口與停車位之間的特定區(qū)域內(nèi)完全自主的自動駕駛。作為自動駕駛在泊車場景下的應用，自主代客泊車幫助用戶節(jié)省大量尋找停車位、停車及找車時間，解決高峰期排隊停車的痛點。5.8?代客泊車系統(tǒng)車端、場端、云端及手機端聯(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)合自動地鎖、自動充電、無線充電和自動洗車等基礎(chǔ)服務，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