汽车驾驶智能型防碰撞系统

JournalofChongqingUniversity(NaturalScienceEdition)

Vol.24　No.4Jul.2001

第24卷第4期

　　文章编号:1000-582x(2001)04-0038-04

汽车驾驶智能型防碰撞系统

(重庆大学自动化学院,重庆　400044)

Ξ

柴　毅,黄席樾,周　欣,汪先矩,黄瀚敏

摘　要:汽车行驶与安全驾驶构成了一个多变量、具有不确定性、响应延迟的控制系统。把汽车自身

和周围环境作为一个整体,作者提出了一种基于汽车-环境特征模型来描述驾驶过程中出现的各种状态的知识表达方法,讨论了汽车驾驶辅助操作专家系统的构成。仿真说明了所讨论的知识表示方法和系统构成法的可行性以及正确性。

关键词:汽车;道路;环境特征模型;不确定性;知识系统中图分类号:TP182　　　　　　　文献标识码:A　　在汽车行驶中,任何紧急事态的发生都是瞬息出现的,高速行驶的汽车对异常情况的突发,常常是驾驶人员难于预料和防范的。如行人突然穿越公路,在前方路口突然驶出违章车辆,前方行驶着的车辆突然紧急制动等,如果汽车驾驶人员处理不好,或者是驾驶人员根本来不及作出反应,便可能酿成大祸,甚至车毁人亡。汽车安全报警辅助驾驶专家系统是利用计算机存储量大,运算速度快的特点,通过专家系统将汽车驾驶知识作为各种情况下的辅助指导操作手段,在紧急情况下进行报警并代替人的操作,避开行人、阻碍车辆或其他障碍物,或者紧急制动(刹车)避免交通事故发生,保证车辆和人员的安全。针对如何提高汽车安全性这个问题,笔者提出一种高可靠性的汽车实时报警辅助驾驶专家系统,并用计算机仿真结果来证明所讨论的知识表示方法和系统构成法是可行的、正确的,且有很好的应用前景。

描述驾驶状态的各特征参数(自身状况、环境因素)的集合唯一地确定了每一时刻的行驶状态。为表达过程特征参数与行驶状态的对应关系[1,2],在此引入了汽车-环境特征模型,记为:

Φ={a,w},a∈{as,asg,ats,ap,aav,av-v}(1)式中:a表示前方目标与道路信息,本车与前后左右障碍物的距离,本车与目标的相对速度、相对加速度;ap表示有人在车道上穿越公路与本车的距离;aav,表示前方车辆及其间的相对距离;av-v为本车与前车的相对车速;as∈{asi},asi(i=1,2,3)为十字路口红黄绿灯指示;asg表示单行道信号标志;ats表示在铁路交道口有火车通过时的信号标志。

w表示天气情况,w∈{wsun,wrain,wsnow,wfog,wwind},表示天气状况,wsun=1表示晴天,wrain=1表

示雨天,wsnow=1表示下雪天,wfog=1表示雾天,wwind

=1表示有风。Qi(Φ)为在ti时刻的行驶状态;特征模

1　汽车行驶状态的知识描述—汽车-环境特征模型

汽车在行驶过程中,其自身状况(车速、车况、驾驶人员的状态等)和环境因素(天气状况、道路状况、行人和公路上的车辆情况)构成一种驾驶状态,这种状态体现出了瞬息万变、不确定、无法精确描述的特点,长期以来一直困扰着对自动驾驶和提高驾驶安全性的研究。

Ξ

型表达了对行驶状态的操作,控制就是对行驶状态的改变,即:

Qi+1(Φ)={a,w}=pi{Qi(Φ)}

i

(2)

p为与环境不相关的只对汽车发生作用的操作算子。

式(2)说明了过程期望的行驶状态Qi+1(Φ)可以通过对过程特征参量aji(j=1,2,…,k)进行调整(即用指导或报警pi来操作汽车实现),达到人们所期望的安

收稿日期:2000-08-27

基金项目:国家自然科学基金资助项目(69674012)

作者简介:柴毅(1962-),男,安徽芜湖人,副教授。主要研究方向:计算机视觉,模式识别与人工智能。

第24卷第4期　　　　　　　　　　　　柴　毅等:　汽车驾驶智能型防碰撞系统39

全行驶目标。

(2)的汽车2环境特征模型描述构成了在ti式(1)、

　　由图2可见:首先将通过汽车上安装的各种传感器反映出来的车况和环境状况数据送到任务级别调度,安全优先级别最高时操作p无条件执行,确保汽车驾驶人员安全。对常规级任务进行实时求解,向驾驶人员提供辅助操作的指导信息。2.1　安全优先级与常规级

时刻行驶状态的知识描述。行驶过程的特征参数集合唯一地描述了每一时刻的行驶状态,状态映射为操作

pi,使汽车行驶向着期望的行驶状态Qi+1(Φ)转化。pi

操作可用产生式规则来实现[3]。

汽车-环境特征模型Φ={a,w}表达了特征参数与驾驶状态的一种对应关系,获取ti时刻汽车行驶

ii

状态的参数后,对特征参数a1,a2,…,aik逐个进行求

在汽车行驶时,安全是首位的。因此一切制约安全的因素都具有最高优先级,在任务级别调度管理中,一旦获取最高优先级信号,如交通红灯信号、前方车辆紧急停车,突然有人穿越公路或出现违章车辆等。系统将报警并直接操纵汽车紧急刹车,以避免车毁人亡的事故发生,确保驾驶人员的安全。为了进一步提高安全性,任务级别调度中将考虑气候状况,强调雨、雪、雾、大风天气对安全的不利影响。优先考虑这些最高优先级信号。

常规级任务将处理正常行驶时的情况,包括行人穿越公路时车辆正常行驶或减速、穿过十字路口、驶入

解、判断,得到过程的状态Qi(Φ),然后根据状态

Qi(Φ)施加一种确定的操作pi。如图1所示。

2　汽车报警防撞系统

在汽车行驶中,任何紧急事态的发生都是在瞬息出现的,高速行驶的汽车对异常情况的突发,常常是驾驶人员难以预料和防范的,当驾驶人员对突发事情作出反应时,往往会由于人的动作响应时间延时和汽车自身的惯性,难以避免事故的发生,导致车毁人亡。汽车安全报警辅助操作专家系统是利用放置於汽车上的专用高速计算机存储量大、运算速度快的特点,通过专家系统将汽车驾驶知识作为各种情况下的辅助指导操作手段,在紧急情况下进行报警并代替人的操作,避开行人、障碍车辆或其他障碍物,或者紧急制动(刹车),避免交通事故发生。汽车安全报警辅助操作专家系统结构如图2所示。

单行道等。为了最大程度地提高匹配求解的速度,在知识库中采用自推举的动态学习排序算法,将多次出现的特征量(值)移到检索的入口指针处。用S表示aj行驶状态对应规则的使用率,SN为的启用次数,FN为不用次数,则S=SN/(SN+FN),每个行驶状态aj都有其S值,S值越大则行驶状态aj在知识库中的位置就越靠近检索的入口指针处。

2.2　基于汽车-环境特征状态模型的知识库

把(1)式的特征状态模型,根据气候状况、环境状况和汽车行驶状态(方向、速度、加速度等)详细分解为各种情况下的特征状态体,按优先级和常规级分别存储于知识库中。特征状态体结构如下:优先级别,特征状态,控制操作。2.3　气候状况和环境状况

在雨、雪、雾、大风等恶劣气侯条件下,会给道路和行驶带来不同程度的影响,汽车在行驶中实时检测这些数据,给出不同的量化值,作为特征状态体中的一个重要因素。

环境状况主要包括了上述的气候条件、与正在行驶的汽车密切相关的前后左右其他车辆的距离、相对距离、速度、相对速度、加速度、相对加速度等因素。例如在前方有一辆同向行驶的汽车,在一定的速度v1下,晴天其相对距离s不得小于s1(s1为在速度v1下刹车距离),那么雨天的相对距离s就不得小于s2(速度

40重庆大学学报　(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2001年

v1下雨天的刹车距离,s2>s1),一旦雨天s了能否加速,或能否超车等操作。

仿真证明了本文所述的知识表达和系统构成法的可行性和正确性。

例如汽车公路上直行:特征模型Qi=p{as,ap,

aav,avehicle,w}=p{ar,ap,aav,w}avehicle

施行刹车操作。2.4　交通管理信号

为了车辆有序、安全地行驶,在道路的交叉口、单行道入口等都有交通管理的红绿灯和信号标志。车辆必须按照这些交通规则行驶。

若

{av-v(min)∶{aav,as,ap,w}}则正常行驶,如直行加速,则警告,p为减速;在行车道且旁边无车时,可到超车道超车。若车。若

av-v>{av-v(min)∶{aav,as,ap,w}}av-v<{av-v(min)∶{aav,as,ap,w}}

则可加速行驶,在行车道且旁边无车时,可到超车道超

则不能加速行驶,不能超车,p为减速行驶。

以上讨论气候状况w为晴天时的情况。对于其他天气状况下,车速为c・av-v,c<1,表示了在下雨、有

图3　汽车防撞报警仿真研究模型

雾、刮大风、下雪时,行驶车速应当相应减小。c为减小的系数,分析方法同上。由于篇幅有限这里就不作讨论。

3　系统实现

作者对由图2所示的系统在微机上用C语言完成了一个仿真程序,作为汽车安全报警防撞系统的研究模型。系统是在一个包括十字路口、单行道、火车与公路平面交道口和直行车道的公路地图上进行仿真。如图3所示,图中大白框表示建筑物,虚线表示街道的中心线。它有效地模拟了实验汽车在直行路段、十字路口、单行道和火车与公路的平面交道口等各种条件下,特别是在有行人或别的车辆突然出现的情况下,如何回避、如何绕行或采取紧急刹车的现实状态。所有汽车均由特征模型来描述,屏幕上动态汽车的自动仿真行驶体现了汽车-环境特征模型是有效的。当汽车通过十字路口、火车与汽车交叉口、直行路段或单行道口时

(2)式描述汽车行驶的特征,以及对汽车分别由(1)、

4　结　　论

在高安全性智能汽车驾驶辅助操作专家系统的研究中,针对汽车驾驶这个涉及到多变量、事件具有突发性、驾驶状态时变和不确定等现实情况。笔者提出了一种基于汽车---环境特征状态模型的知识表示方法和系统构成,仿真研究表明,由该方法构造的防撞安全系统,根据实际的行驶信息,可以实时推断出目前所采取的行动是否安全或要进行的下一步操作是否安全、合理,如果这些行为违反安全规则,立即报警提示,甚至直接操纵汽车紧急停车,确保驾驶人员的安全,对汽车行驶安全系统的研究有一定的参考价值。参考文献:

[1]　柴毅,黄席樾,石为人1自适应预报过程状态的实时专家

车速和紧急情况下停车的操作p。在仿真程序中,汽车的行驶速度、加速度是随机的;到达十字路口时,汽车行驶的方向也是随机产生的;火车出现的时刻也是随机的;行人横穿公路以及车辆突然停车等也都是随机出现的。这样就更能体现汽车行驶中的不确定性和突发性,使仿真研究模型更能逼近真实状况。如当汽车行驶在直行路段随机加速时,系统则根据(2)式给出行驶状态Qi,得到施加于汽车的操作p,这时的p就体现

系统[J],重庆大学学报,1999,22(4):58262.

[2]　蔡自兴,徐光佑.人工智能及其应用[M].北京:清华大学

出版社,1999.

[3]　黄席樾,柴毅,邓仁明1基于特征模型求解的操作指导专

家系统[J],重庆大学学报,1996,19(2):61266.

第24卷第4期　　　　　　　　　　　　柴　毅等:　汽车驾驶智能型防碰撞系统41

IntelligentInitiativeSecurityVehicleSystem

CAIYi,HUANGXi2yue,ZHOUXin,WANGXian2ju,HUANGHan2ming

(AutomationCollege,ChongqingUniversity,Chongqing400044)

Abstract:Auto2drivingandsafe2drivingconstituteacontrolsystemwhichhasmultiplevariablesandfeaturesofuncertainersanddelayresponse.Anautomobileanditssuroundingsareconsideredasawholeandanauto-suroundingsfeaturemodelispresentedbasedonknowledgeexpressingmethodwhichdescriblesthestatusappearinthedrivingprocess.Theconstitutionofauto2drivingauxiliaryoperationexpertsystemisdiscussed.Thecomputersimulationresultsshowthattheproposedknowledgeexpressingmethodandsysytemconstitutionmethodareeffectiveandfeasible.Keywords:auto2driving;environmentfeaturemodel;uncertainer;knowledgesystem;

(责任编辑　吕赛英)

(上接第37页)

StudyontheNumericalManifoldMethodRemeshingTechnique

andItsApplicationinmetalFormingProcesses

LUOShao2ming,CAIYong2chang,ZHANGXiang2wei

(EngineeringSchoolofShantouUniversity,Guangdong,Shantou515063,China)

Abstract:Thecriterionforremeshingandtheautomaticgeneratingmethodofnewmeshsystemarestudied.TheparametertransmittingmethodfortheinformationtransferringbetweennewandoldmeshesisputforwardbyusingSherpardshapefunction.Ageneralremeshingmethodsuitablefortwodimensionalrigidplasticanalysisisderived.Thenumericalexamplesshowthatthemethodisofhighpresicionandefficiency.

Keywords:numericalmanifoldmethod(NMM);remesh;metalforming

(责任编辑　吕赛英)