路染妮,賈 佳

(西安航空職業(yè)技術學院 自動化工程學院，陜西 西安 710089)

1 引言

中國是東亞獨立國家，人口約14．28 億，是世界上人口最多的國家。國內(nèi)生產(chǎn)總值的4．5%左右來自交通運輸，高速公路的基礎設施優(yōu)于本地區(qū)其他國家，特別是印度、巴基斯坦和孟加拉國，公路是中國重要的交通運輸工具，總里程14．25 萬公里，計劃增加到168 公里，到2020年達到478 公里。自動公路系統(tǒng)(AHS)的應用可以增加到公路的通行能力。

在發(fā)達國家，AHS已經(jīng)引起了許多研究者的興趣，它可以降低交通事故的風險，保護旅客。AHS 的一個更重要的方面是有效地利用空曠的道路，最大限度地發(fā)揮總通行能力，減少交通擁擠所造成的時間損失，通過對公路上所有汽車的自主控制和有效的相互組織，將提高出行者的體驗。AHS 的另一個好處是確保汽車以允許的速度行駛，并遵守政府規(guī)定的所有規(guī)章制度。

大多數(shù)撞車事故都是由于人為失誤造成的。原因包括疲勞、困倦、打手機電話或者其他任何可能分散駕駛員注意力的事情[1-2]。AHS 將確保不需要人機界面，這將幫助駕駛員擺脫一個方向駕駛數(shù)小時的累人工作，這將駕駛不那么麻煩。圖1為連接首都北京和中央海岸上海的部分高速公路(中國稱為北京高速公路)，全長1212公里，于2006年竣工。

圖1 高速公路圖

AHS包括使用控制，檢測和汽車跟蹤技術，以提高公路通行能力和安全性為目的的汽車跟蹤技術。各種數(shù)據(jù)表明，自動化可使給定的通行能力提高5個數(shù)量級，并將顯著減少交通阻塞。假設速度暫時不變，大量的車輛需要在高速公路上行駛的車輛之間有更近的距離。這種將變道變得困難，因為車輛會尋找開口以移動到其他車道。此外，在變道時可能需要額外的間距。

考慮上述因素，擬議AHS 的目標是最大限度地利用現(xiàn)有基礎設施的公路容量。公里容量可以描述為：

式中，C表示車輛數(shù)量，V是速度，Xr表示車輛之間的距離，L表示車輛長度。容量可以定義為給定速度、車輛間距和長度下的車輛數(shù)量(即流量“q”)。在瞬態(tài)過程中，流量可能超過通行能力，從而違反最大允許速度上消除了這些違規(guī)行為，從而維護安全。

如前所述，車道上的車輛數(shù)量可以隨著速度的增加而增加，但由于剎車的作用，流量可以減少或停止，因此每輛車之間必須保持最小的距離，稱為“安全距離”[3]。在中國，交通事故是造成傷亡的主要原因，世界衛(wèi)生組織(WHO)數(shù)據(jù)顯示，中國每10萬輛汽車中就有104人死于交通事故，而美國為33人，東南亞為101人，這些數(shù)據(jù)足以說明多智能體AHS在中國的應用前景十分廣闊。解決這些困難的一個好辦法是公路自動化，許多研究者提出了公路自動化方法，提出了不僅提高了公路通行能力和安全性，而且節(jié)省駕駛員的努力。由于技術的進步，自主車輛編隊的研究領域非常廣泛。在為編隊設計分布式控制器之前，必須考慮以下問題：①地層穩(wěn)定性；②隊形可控性；③信息不確定性。有多種技術可用于解決這些編隊控制問題。

本文設計了一個基于巡航控制車道跟蹤的AHS，其中每輛車作為一個組的單一代理，每輛車作為其跟隨著的主控。此外，當任何其他車輛加入一組并啟動巡航控制時，它將作為編隊的一部分，并作為其他車輛的主控或從控。在一個系統(tǒng)中，代理人同意的利益必然是一些共同的利益，而這些利益不一定是單個代理人的共同利益，如單個車輛的運動，因此有必要考慮代理人網(wǎng)絡中的同意問題。

本研究的主要目標是：

(1)設計基于巡航控制車道跟蹤的自動駕駛系統(tǒng)；

(2)規(guī)劃巡航控制模型，其中每輛車作為一個組的單一代理，每輛車作為其跟隨者的主控；

(3)確保每當一輛新車加入一個組時，它必須作為編隊的一個組成部分，并作為其他車輛的主控或從空工作；

(4)使用Matlab對自動巡航控制系統(tǒng)進行建模和仿真；

(5)仿真結(jié)果表明了我們提出的自動巡航控制系統(tǒng)的有效性和安全性。

2 車輛跟蹤和車道檢測

近年來，車道檢測系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于自動駕駛系統(tǒng)(AHS)中，其主要目標是保護乘客和輔助駕駛[4]。車道檢測與跟蹤是汽車在道路上的跟蹤和定位的關鍵技術，在此介紹了車道和車輛檢測方法，提出了兩種新的車道檢測和車輛檢測方法。

2.1 車道檢測

車道檢測的目的是在不同的情況下，用彩色車道標志來跟蹤車道，我們提出了一種新的車道檢測技術，以提高并行車道檢測的效率和有效性，并提出了一種適用于各種交通困難情況的車道檢測技術。我們使用圖像處理來檢測車道。在車道模型中，土地標記像素的確定是至關重要的，可以通過尋峰方法來實現(xiàn)。該方法的墓的是發(fā)現(xiàn)掃描圖像中的峰值。這些像素在車道檢測的過程中表現(xiàn)為噪聲，通過去除交通模型中的被跟蹤車輛的像素點，可以有效地降低這些噪聲。

圖2為車道檢測流程圖，在此流程圖中，首先使用像素處理來檢測車道，然后在圖像下面來進行檢測，接下來識別高速公路的垂直邊緣，然后將這兩個特征結(jié)合起來，最后將信息發(fā)送給考慮中的車輛，并命令其慢行或快行跟上其它車輛。

圖2 車道檢測流程圖

2.2 車輛檢測

粒子濾波器不僅能提供最后的檢測結(jié)果，而且能給出候選粒子最近的觀測結(jié)果，粒子濾波器的樣本是從垂直邊緣獲取的，在對稱性和尾燈下以及交通模型限制了樣本位置，交通模型不僅可以對車道跟蹤車輛進行記錄，而且可以連續(xù)監(jiān)測他們之間的關系，因此當車輛在特定車道上被跟蹤時，就不會產(chǎn)生其它樣本，從而提高性能。

圖3所示為車輛檢測的流程圖，通過使用圖像處理來檢測車輛，在圖像中進行車道線標記，檢測車道標線，然后構(gòu)造車道模型，最后將信息發(fā)送給車輛。

圖3 車輛檢測流程圖

3 多車編組

在隊形中，代理以期望的模式移動并完成期望的任務。每個獨立的代理跟隨它提供和一個局部信息。隊形的感念收到生物例子的鼓勵，例如鳥群、魚群和螞蟻群。

對于移動代理，執(zhí)行了三個群集規(guī)則，它模仿鳥類群集“Boids”，群集描述了一組鳥的行為，一群魚一起游動或昆蟲群集的行為。它的規(guī)則是：分離，避免與相鄰代理碰撞；對齊，與相鄰代理速度相同；還有凝聚力，繼續(xù)靠近鄰近的特工。這里，相同的速度是一個矢量，表示方向和速度。避免碰撞是避免擁擠和相互碰撞的一種分離技術，而群聚中心使車輛靠近群聚中心或者群聚附近。群聚過程可視為隊形控制的一個子集，需要車輛沿同一路徑緊密行駛，但特定車輛占用的道路條件微不足道。與群集相比，編隊更為嚴格，需要車輛在通過道路時保持特定的比較位置。

通過使道路上的所有車輛自動化，并使這些車輛無縫地相互協(xié)調(diào)，將提高乘客旅行的舒適性。這種系統(tǒng)的另一個優(yōu)點是確保車輛以合法的速度行駛，并遵守國家實施的所有其它法律。這將避免任何罰款和駕駛執(zhí)照上的分數(shù)，而不僅僅是改善道路安全。

假設我們有n個具有線性動力學的車輛：

其中，xi∈Rm是車輛狀態(tài)，ui∈Rp是控制，i是車輛指數(shù)，i∈V={1，…，n}。

假設每輛車檢測到的數(shù)據(jù)是：

而j∈Ni和yi∈Rk是內(nèi)部測量，而zij∈R1是相對于其他人的外部測量。我們假設每輛車都能感應到其他車，即Ni≠0。由于單輛車無法將驅(qū)動為零，因此需要在測量中加入一個誤差。

一個分布式控制器K映射yi，zi到ui與內(nèi)部狀態(tài)vi∈Rs。

圖4為一個多車輛編隊的典型例子，車輛之間保持安全距離，并以恒定速度行駛。

4 自動巡航控制

本文設計一個能保證從機與主機保持一定距離的系統(tǒng)，該系統(tǒng)也能保證從機遵循主機的速度或最大允許速度，同時也能保證主機與從機之間或兩個或多個從機之間不發(fā)生碰撞。

巡航控制模型是在汽車不穩(wěn)定的情況下，通過對車速進行評估，使車速與參考車速相匹配，從而根據(jù)控制規(guī)律自動調(diào)節(jié)油門來維持汽車的穩(wěn)定速度。將巡航模型建立在比例積分微分控制器(PID 控制器)的基礎上，PID 控制器是一種用于工業(yè)化控制的裝置，用于調(diào)節(jié)溫度、速度和其他應用。PID控制器使用控制回路反饋來控制變量，是最精確和穩(wěn)定的控制器。PID 控制是引導系統(tǒng)達到目標的一種穩(wěn)定可行的方法。PID控制使用閉環(huán)控制反饋，使過程的實際輸出盡可能接近輸出目標和設定點[5-8]。

該巡航模型的PID控制器中，P代表比例，P(s)=Kpe(t)，I代表積分，代表微分控制，。X(s)代表測量的過程值，而u 代表所需的過程值或設定點。

假設一輛質(zhì)量為m的汽車，它受到在道路路面的支撐力u，運動阻力和風阻力的作用。系統(tǒng)由以下等式定義：

結(jié)果是

假設一輛質(zhì)量為1500kg，阻尼系數(shù)為20N．s/m的車輛，因為速度是唯一的變量，所以系統(tǒng)的狀態(tài)空間表示為：

在零初始條件下，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

圖5為巡航控制仿真模型。本設計在PID 控制器之前使用一個積分器，以使輸出更穩(wěn)定。一個階躍輸入和輸出反饋到積分器，然后再反饋給PID 控制器，最終得到了PID 控制汽車模型。

圖5 巡航控制仿真模型

5 仿真結(jié)果

為了驗證本文提出的巡航控制方法的有效性，本研究在MATLAB 上進行了多次仿真，仿真計算機采用Intel i7第9代處理器、32GB內(nèi)存、64位Win8．1操作系統(tǒng)和Matlab 2016A仿真軟件[9-11]。

模擬結(jié)果如圖6和圖7所示。圖6顯示了從機和主機所覆蓋的距離及其在整個形成中的加速度之間的關系圖。

從圖6可以看出，從車緊跟著它的主車，當主車的加速度改變?？v軸表示加速度，橫軸表示距離。它還顯示車道跟蹤的結(jié)果，并驗證在巡航控制的幫助下，每個從車在特定車道上以恒定速度跟隨其主車，并與主車保持特定的距離。

圖6 加速度和距離圖

圖7顯示了系統(tǒng)在階躍輸入下的響應，該圖減小了超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間，對上升時間和穩(wěn)態(tài)誤差影響較小，如圖7所示，系統(tǒng)接近穩(wěn)定，驗證了所設計控制器的有效性。

圖7 控制器響應

6 結(jié)束語

本文提出了一種多車主從車道跟蹤編隊。一輛車領先另一輛車被認為是它的主人。從機以恒定的速度行駛，并通過巡航控制始終保持與主機的特定距離，從而避免任何碰撞。