黃中友，張永棠,2

(1. 廣東東軟學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 佛山 528225；2. 南昌工程學(xué)院 江西省協(xié)同感知與先進(jìn)計(jì)算技術(shù)研究所，江西 南昌 330003)

0 引言

汽車自動(dòng)操作是很多公司和研究小組積極地研究的課題[1-3]。自動(dòng)操作技術(shù)包括自動(dòng)避障、自動(dòng)制動(dòng)、自動(dòng)停車、自動(dòng)駕駛、自動(dòng)跟蹤等。另一方面，大數(shù)據(jù)是各種研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，是智能控制的基礎(chǔ)[4-6]。文獻(xiàn)[7]將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于汽車的自動(dòng)操作問(wèn)題。然而，從大數(shù)據(jù)的角度來(lái)看，自動(dòng)操作技術(shù)的研究數(shù)量很少。在未來(lái)的大數(shù)據(jù)時(shí)代，大數(shù)據(jù)技術(shù)在自動(dòng)駕駛汽車的實(shí)際利用方面是非常需要的。

我們研究了一種基于大數(shù)據(jù)和即時(shí)建模的汽車碰撞障礙控制方法。在即時(shí)建模技術(shù)中，我們將包含系統(tǒng)的大量輸入和輸出數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)視為系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并且我們通過(guò)使用來(lái)自數(shù)據(jù)庫(kù)的一些提取數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算控制輸入[8-9]。也就是說(shuō)，即時(shí)建模是大數(shù)據(jù)的應(yīng)用之一。在文獻(xiàn)[7][10]提出了一種基于大數(shù)據(jù)和即時(shí)建模的汽車避障控制方法，并表明該方法可以計(jì)算出一種可以使汽車避開遇到障礙的控制輸入。然而，在某些情況下，汽車隨著障礙物的運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)，因此控制方法存在改進(jìn)的空間。

為此，本文在闡述關(guān)于汽車避障控制問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型。在即時(shí)建模的基礎(chǔ)上開發(fā)了一種新的有效的汽車避障控制控制方法，通過(guò)數(shù)值模擬仿真，驗(yàn)證了該新方法的有效性。

1 問(wèn)題描述

在本節(jié)中，將介紹汽車避障控制問(wèn)題的問(wèn)題表述。本研究將二維平面上的下一個(gè)非完整汽車模型視[11-12]為汽車的數(shù)學(xué)模型：

其中(x,y)是汽車的中心點(diǎn)，θ是汽車的航向角。另外，u1，u2是控制輸入，如圖1所示，其中u1是航向角方向的速度，u2是角速度。

圖1 汽車的描述示意圖Fig.1 The setting of a car

接下來(lái)，我們對(duì)障礙物的設(shè)置進(jìn)行描述。假設(shè)障礙物的形狀是圓形的，并且障礙物的半徑Ro＞ 0 ，障礙物的中心位于x軸的坐標(biāo)點(diǎn)為(Xo,0)，且Xo＞ 0 。如圖2所示。

圖2 汽車和障礙物Fig.2 A car and an obstacle

假設(shè)控制輸入u1，u2，其表現(xiàn)形式為：

其中Vc是汽車的恒定速度，A是增益，Tc是避讓時(shí)間。必須注意的是，如果將式（2）的控制輸入應(yīng)用到式（1）的汽車數(shù)學(xué)模型，則汽車的行駛路徑如圖3所示。也就是說(shuō)，汽車以避開障礙物的方式行駛，然后返回x軸。

圖3 汽車的避障控制Fig.3 Obstacle avoidance control for a car

在本研究中，我們考慮了以下汽車避障控制問(wèn)題。即：對(duì)于一組給定數(shù)據(jù)，汽車速度和圓形障礙物，，在式（2）中找到控制輸入u2的增益A*和避讓時(shí)間，這可以避免汽車與障礙物的碰撞。如果增益A和避讓時(shí)間Tc的值不適合，則汽車與障礙物碰撞。為此，我們將研究一種基于即時(shí)建模的新方法，作為上述避障問(wèn)題的解決方案。

2 避障控制的即時(shí)建模方法

2.1 建模概述

在本節(jié)中，將開發(fā)一種基于即時(shí)建模（Just-in-Time Modeling）的汽車避障控制的新方法。首先，對(duì)即時(shí)模型進(jìn)行簡(jiǎn)要的概述，具體即時(shí)建模算法的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

Step.1構(gòu)造一個(gè)包含系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)；

Step.2為了計(jì)算查詢數(shù)據(jù)的輸出，提取查詢數(shù)據(jù)的一些鄰域數(shù)據(jù)；

Step.3從獲得的鄰域數(shù)據(jù)導(dǎo)出查詢數(shù)據(jù)的局部線性模型；

Step.1使用局部線性模型，計(jì)算查詢數(shù)據(jù)的輸出。

圖 4展示了即時(shí)建模的示意圖。即時(shí)建模的優(yōu)點(diǎn)：我們不推導(dǎo)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，它不僅適用于線性系統(tǒng)，而且適用于非線性系統(tǒng)；并且可以減少查詢數(shù)據(jù)輸出的計(jì)算量[13-15]。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

我們首先要構(gòu)建一個(gè)關(guān)于汽車避障的數(shù)據(jù)庫(kù)，并且確定數(shù)據(jù)庫(kù)的范圍。

圖4 關(guān)于即時(shí)建模的說(shuō)明Fig.4 An illustration on just-in-time modeling

其中Nfail是未實(shí)現(xiàn)避障控制的數(shù)據(jù)的數(shù)量。數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)量對(duì)即時(shí)建模中的控制性能和計(jì)算量有較大影響。

2.3 增益和控制時(shí)間的計(jì)算

算法描述如下：

提出的基于實(shí)時(shí)建模的方法的優(yōu)點(diǎn)是：（1）一旦建立了包含車輛輸入和輸出數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，就可以用數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算出能夠?qū)崿F(xiàn)各種遇到障礙物避障的控制輸入，避免了復(fù)雜數(shù)學(xué)模型；（2）算法不需要復(fù)雜的計(jì)算，只需要簡(jiǎn)單的算法，如四個(gè)基本算術(shù)運(yùn)算符和排序，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。

將基于即時(shí)建模的汽車避障控制過(guò)程如圖 5所示。

圖5 通過(guò)即時(shí)建?？刂破嚨恼系K物Fig.5 Obstacle avoidance control of a car via just-in-time modeling

4 數(shù)值模擬

通過(guò)數(shù)值模擬及仿真，證實(shí)所提方法的有效性。首先，構(gòu)建了用于即時(shí)建模的汽車避障的數(shù)據(jù)庫(kù)。為了構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，將輸入數(shù)據(jù)的范圍設(shè)置為表1。

表1 用于構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)的參數(shù)設(shè)置Tab.1 The parameter settings for construction of a database

表2 獲得的數(shù)據(jù)庫(kù)的一部分Tab.2 A part of the obtained database

應(yīng)用本文構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫(kù)及提出的算法，我們按照表3的仿真參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行了6次數(shù)值模擬及仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。從圖上汽車在xy平面上的軌跡可以看出，汽車可以在各種情況下避開障礙物。同時(shí)也證明了所提出的控制方法計(jì)算時(shí)間短。

為了驗(yàn)證汽車的移動(dòng)效率，我們將本文所提出的方法與文獻(xiàn)[7]的方法進(jìn)行比較。文獻(xiàn)[7]方法中，控制時(shí)間Tc作為輸入，輸出僅為增益A。圖7描述了表3中前三個(gè)（No.1～No.3）模擬數(shù)值的文獻(xiàn)[7]的仿真結(jié)果。對(duì)比圖6（a）～（c）與圖7（a）～（c）可以看出，本文提出的方法汽車的行駛效率較高，產(chǎn)生的避讓損耗較少。因此，本文提出的避障控制方法是有效的。

表3 模擬數(shù)值設(shè)置Tab.3 The simulation settings

圖6 本文方法的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.6 Numerical simulation results by the new control method

圖7 文獻(xiàn)[7]的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.7 Numerical simulation results of reference [7]

5 結(jié)論

在本文中，通過(guò)即時(shí)建模開發(fā)了一種新的汽車避障控制方法。新的控制方法可以計(jì)算控制輸入的增益和控制時(shí)間，以避免遇到障礙，計(jì)算時(shí)間短。通過(guò)一些數(shù)值模擬，表明汽車可以避開各種障礙物，因此可以檢驗(yàn)所提方法的有效性。此外，與先前文獻(xiàn)方法產(chǎn)生的汽車相比，本文所提出的新方法產(chǎn)生的汽車的運(yùn)動(dòng)更有效。未來(lái)我們將基于大數(shù)據(jù)和即時(shí)建模對(duì)移動(dòng)障礙物的自動(dòng)停車和自動(dòng)駕駛的做擴(kuò)展研究。