基于虛擬行駛環(huán)境下的汽車車道保持技術(shù)研究

陸孟雄

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

基于虛擬行駛環(huán)境下的汽車車道保持技術(shù)研究

陸孟雄

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

隨著汽車智能化駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展，以汽車車道保持技術(shù)為核心的汽車智能輔助駕駛研究成為無人駕駛技術(shù)的研究重點。從關(guān)鍵技術(shù)來看，汽車車道保持系統(tǒng)是建立在視覺傳感器檢測基礎(chǔ)上，利用圖像識別與汽車智能化轉(zhuǎn)向控制技術(shù)來實現(xiàn)對車道的準確控制。基于試驗場地的局限，以實車試驗其成本相對較高，周期較長，且存在較多危險性，而利用虛擬行駛環(huán)境來模擬汽車車道保持技術(shù)具有較高的實用性。

虛擬技術(shù)；車道保持；視覺模擬；汽車智能化

隨著汽車數(shù)量的增長，各類交通事故發(fā)生率也在增長。從造成事故因素來看，一方面是汽車保有量的增加，以及道路設(shè)施安全系統(tǒng)的不完善所致，另一方面與駕駛?cè)思靶腥税踩庾R不足有關(guān)，特別是駕駛?cè)艘蜃呱瘛⒗Ь爰安涣捡{駛習(xí)慣等原因，成為引發(fā)突發(fā)事故的主要因素。基于此，從優(yōu)化汽車智能化技術(shù)上來輔助駕駛?cè)藖硖嵘{駛安全性就顯得尤為重要。虛擬環(huán)境下汽車車道保持技術(shù)，從人、車、環(huán)境三方相互作用關(guān)系上，利用視覺圖形圖像混合建模技術(shù)來構(gòu)建車道場景，分別從轉(zhuǎn)向力感分析、力矩反饋以及虛擬場景車道線檢測、駕駛員意圖識別等方面來創(chuàng)建一個仿真環(huán)境，以實現(xiàn)對虛擬環(huán)境下系統(tǒng)有效性的全面測試。

1 虛擬行駛環(huán)境下仿真平臺及架構(gòu)

虛擬行駛環(huán)境是基于仿真軟件平臺來實現(xiàn)對車道保持系統(tǒng)的測試。通常情況下，利用后視鏡上的車載數(shù)字攝像設(shè)備來獲取道路信息，并從車道線檢測上來形成車道線形狀、位置，借助于車道保持控制器來進行采集和處理，調(diào)整汽車方向盤、車速等來實現(xiàn)對處理行駛狀態(tài)的安全操縱。其功能模塊主要有：一是汽車動力學(xué)模塊，以滿足不同車輛車型的仿真實驗；二是信息采集模塊，以獲取汽車行駛過程中的周邊環(huán)境數(shù)據(jù)；三是智能化仿真平臺，通過對采集信息的處理，反饋到控制器，并有控制器來操縱汽車行駛狀態(tài)。具體來講，HostPc主機是虛擬車道保持技術(shù)的核心，其功能由軟件測試環(huán)境數(shù)據(jù)、道路信息、車輛信息、傳感器及主車參數(shù)信息等；dSpace是高速處理器，能夠根據(jù)視覺傳感器模塊及測距模塊，來進行數(shù)據(jù)處理，并通過輸出油門信號、制動信號來調(diào)整車速及行駛軌跡；駕駛員模擬器是對駕駛環(huán)境進行模擬的設(shè)備，其主要功能是通過環(huán)形屏幕來優(yōu)化油門、制動、力矩方向盤等設(shè)備，實現(xiàn)對車輛狀態(tài)的模擬；Embedded是擴展模塊，主要連接攝像系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)，為駕駛員提供人機交互界面。

2 虛擬環(huán)境下視覺傳感技術(shù)

利用虛擬環(huán)境來替代真實測試環(huán)境，視覺傳感器是實現(xiàn)虛擬場景建模與仿真的重要技術(shù)。車道保持系統(tǒng)中的環(huán)境感知的精度與可靠性，關(guān)系到整個虛擬行駛技術(shù)的有效性，因此在搭建虛擬環(huán)境汽車車道保持系統(tǒng)時，需要從虛擬環(huán)境圖像生成，虛擬場景置信度分析兩方面來完成。

2.1 視覺傳感系統(tǒng)模擬技術(shù)

虛擬場景下的場景建模與渲染，需要利用視覺傳感器來獲取真實場景信息，再通過三維圖形學(xué)技術(shù)來進行場景處理，最終構(gòu)建虛擬場景圖像。如在數(shù)字成像系統(tǒng)中有場景、光學(xué)系統(tǒng)、傳感器及圖像處理單元，場景是對真實環(huán)境進行光譜輻射的量化表示，以模擬真實環(huán)境的輻射亮度、譜密度等信息；光學(xué)系統(tǒng)是利用光學(xué)鏡片或鏡片組，以通過調(diào)整光通量、焦距、透射率等屬性來實現(xiàn)對圖像的采集；CCD為電荷耦合單元，主要是滿足光信號向電信號的轉(zhuǎn)換；圖像處理單元是對CCD單元的電信號進行處理，以滿足虛擬影像場景建模需要。

2.2 虛擬行駛環(huán)境置信度分析

在虛擬環(huán)境下對視覺感知信息來說容易受到外界環(huán)境的干擾，從而影像虛擬環(huán)境真實度。在車道保持系統(tǒng)視覺感知中，通常需要從虛擬場景獲取的信息進行真實性分析，來提高虛擬環(huán)境的有效性。從圖像信息構(gòu)成來看，像素點是由圖像處理算法來獲得和提取的，虛擬環(huán)境下影響視覺圖像的因素有兩類，一方面是對底層圖像特征的提取完整度，如圖像的亮度、顏色等；另一方面是圖像上層特征的真實性。因此在進行置信度檢驗上，需要對虛擬環(huán)境與真實場景進行一致性對比，然后通過圖像混合建模方法來對虛擬場景進行分析，得出圖像真實程度。以車道標識牌、信號燈識別為例，對于圖像處理單元所獲取的信號，可以歸為兩類，一類是基于顏色特征的圖像像素，另一類是基于亮度為特征的像素。顏色特征像素與亮度特征像素在整個圖像色彩與亮度描述中具有全局特征，在進行計算處理時，并不關(guān)注色彩、亮度像素的位置，而是關(guān)注不同顏色、亮度像素所占的比例。通過真實場景下拍攝的圖像顏色、亮度像素比例，與虛擬場景獲得的圖像顏色、亮度像素比例進行處理，來獲得足夠的置信度。

3 虛擬環(huán)境下轉(zhuǎn)向力感技術(shù)

在虛擬環(huán)境下進行車道保持技術(shù)研究，需要從人、車、環(huán)境之間相互關(guān)系的識別中來動態(tài)調(diào)整方向盤力感模塊，確保汽車行駛狀態(tài)安全性。轉(zhuǎn)向力感在汽車車道保持系統(tǒng)中具有關(guān)鍵作用，在真實環(huán)境中，汽車方向盤與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直接連接，方向盤可以從轉(zhuǎn)向論的變化中感知路面的作用。但對于虛擬環(huán)境來說，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要從模擬傳統(tǒng)車輛行駛的轉(zhuǎn)向力感中來感知行駛環(huán)境。

3.1 轉(zhuǎn)向力感的功能及影響因素

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從功能上看有兩點，一點是利用方向盤來改變車輛轉(zhuǎn)向狀態(tài)，另一點是從輪胎與路面的作用力中向駕駛?cè)颂峁┺D(zhuǎn)向力反饋力矩，即轉(zhuǎn)向力感。由于影響轉(zhuǎn)向力感的因素較多，如不同輪胎與路面的摩擦力不同，不同摩擦系數(shù)下所產(chǎn)生的的摩擦阻力矩不同，還有傳動系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之間的潤滑程度不同，以及不同車速、不同道路曲率變化、車輛載荷等都可能影響轉(zhuǎn)向力感。

3.2 力矩反饋模型及驗證

由于影響力矩反饋大小的因素較多，在本研究中對轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)設(shè)定為理想狀態(tài)，電機控制、傳動機構(gòu)僅對輪胎力、方向盤的力矩大小有關(guān)，由此來構(gòu)建轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩反饋模型。當(dāng)然，還要考慮助力情況下輪胎的反饋力矩，特別是當(dāng)車速變大時，其輪胎回正力由輪胎垂向力、側(cè)向力、回正力共同作用，當(dāng)車速降低時，回正力主要有輪胎與路面摩擦力構(gòu)成，而輪胎可以視為彈簧系統(tǒng)，即當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)小的角度時，所釋放的力矩通過轉(zhuǎn)盤傳遞給輪胎，而輪胎通過彈性回正力自動處理。為了對力矩反饋模型的仿真效果進行驗證，可以從虛擬力矩反饋模型與真實車輛技術(shù)參數(shù)進行對照分析。當(dāng)原地轉(zhuǎn)向時，方向盤轉(zhuǎn)向力矩反饋結(jié)果主要由前軸側(cè)偏角引起；車速在60km/h以下時，轉(zhuǎn)向力感與實車相關(guān)數(shù)據(jù)基本吻合，說明具有良好的模擬真實性。

3.3 駕駛員意圖識別

從虛擬行駛環(huán)境中，對于駕駛員自身意圖的識別是避免頻繁報警，增強車輛行駛穩(wěn)定性的重要內(nèi)容。駕駛員作為自動控制系統(tǒng)的最高等級者，既要強調(diào)駕駛員對汽車行駛狀態(tài)的監(jiān)控，又要避免對汽車車道保持的干擾。本研究中將通過制動踏板、油門踏板的開度，以及方向盤轉(zhuǎn)角、指向燈狀態(tài)等來識別駕駛員主要意圖，以有效實現(xiàn)對車輛的自動控制。如當(dāng)駕駛員對指示燈進行開啟時，其意圖可能要進行變道或轉(zhuǎn)彎；利用方向盤上設(shè)定的力矩閥值，來判斷駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖；利用制動踏板力矩，來判斷駕駛員對車輛狀態(tài)的控制意圖；利用油門踏板開度來識別是否要改變汽車運行速度等。

3.4 對車道保持力矩的控制

在車道保持力矩控制上，基于駕駛員心理或生理變化，從改變方向盤力矩大小上，以駛回車道方向為“省力”模式。因此在設(shè)計車道保持力矩上，要從力矩的方向性來控制方向盤的轉(zhuǎn)動狀態(tài)。如當(dāng)車輛向左偏離車道時，需要通過阻礙力矩來糾正方向盤，使其返回到正常車道狀態(tài)。在控制車道力矩最大值上，如果力矩設(shè)置太小，則對駕駛員的輔助控制力較弱，也不利于車道系統(tǒng)的有效識別；當(dāng)力矩過大時，駕駛員若需變道，則需要克服相當(dāng)大的阻力，也不利于對駕駛員突發(fā)情況下的緊急處置。因此，從車道力矩保持值的設(shè)定上，要結(jié)合駕駛員自身的力矩習(xí)慣及意圖來優(yōu)化。

4 結(jié)語

虛擬環(huán)境下車道保持系統(tǒng)設(shè)計主要包括車道線檢測系統(tǒng)、駕駛員狀態(tài)識別、力矩控制策略三部分。對于車道線檢測技術(shù)，主要利用攝像系統(tǒng)來感知道路前方路況信息，并從道路形狀、位置識別中來修正車輛行駛狀態(tài)。如近視場下的直線檢測，通過對近視場、中距離視場進行檢測來計算行駛位置，曲線擬合是對遠距離視場下的彎道部分進行檢測。由于車道線的顏色信息具有可變性，不同車道線因磨損也會影響車道線檢測。因此在進行圖像處理時，需要對可能干擾進行優(yōu)化。在車道行駛力矩控制策略上，引入駕駛員識別與力矩疊加策略，面對復(fù)雜多變的行駛環(huán)境，一方面通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來疊加力矩，增強駕駛員的駕乘感受；另一方面從力矩疊加計算來警示車道偏移量，增強人機交互性。另外，在不同油門踏板開度變化、制動踏板力度變化、方向盤轉(zhuǎn)角變化、力矩反饋變化等方面，也都作為評估駕駛員意圖的重要參數(shù)。

[1]任曉明,薛青,鄭長偉,羅佳,高會波.駕駛員狀態(tài)模型研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2012(9).

[2]朱曼曼,杜煜.基于智能車的決策系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的綜述[J]. 北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版），2015(1).

U463

A

1671-0711（2016）12（上）-0156-02

本項目由2015年度江蘇省高校品牌專業(yè)建設(shè)工程項目資助，項目編號：PPZY2015C237。