一種大數(shù)據(jù)和即時建模的汽車避障控制方法

黃中友，張永棠,2

(1. 廣東東軟學院 計算機學院，廣東 佛山 528225；2. 南昌工程學院 江西省協(xié)同感知與先進計算技術(shù)研究所，江西 南昌 330003)

0 引言

汽車自動操作是很多公司和研究小組積極地研究的課題[1-3]。自動操作技術(shù)包括自動避障、自動制動、自動停車、自動駕駛、自動跟蹤等。另一方面，大數(shù)據(jù)是各種研究領(lǐng)域的熱點，是智能控制的基礎(chǔ)[4-6]。文獻[7]將大數(shù)據(jù)技術(shù)應用于汽車的自動操作問題。然而，從大數(shù)據(jù)的角度來看，自動操作技術(shù)的研究數(shù)量很少。在未來的大數(shù)據(jù)時代，大數(shù)據(jù)技術(shù)在自動駕駛汽車的實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)和即時建模的汽車碰撞障礙控制方法。在即時建模技術(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)庫視為系統(tǒng)的數(shù)學模型，并且我們通過使用來自數(shù)據(jù)庫的一些提取數(shù)據(jù)來計算控制輸入[8-9]。也就是說，即時建模是大數(shù)據(jù)的應用之一。在文獻[7][10]提出了一種基于大數(shù)據(jù)和即時建模的汽車避障控制方法，并表明該方法可以計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動而移動，因此控制方法存在改進的空間。

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

1 問題描述

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

其中(x,y)是汽車的中心點，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，我們對障礙物的設置進行描述。假設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軸的坐標點為(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是避讓時間。必須注意的是，如果將式（2）的控制輸入應用到式（1）的汽車數(shù)學模型，則汽車的行駛路徑如圖3所示。也就是說，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題。即：對于一組給定數(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*和避讓時間，這可以避免汽車與障礙物的碰撞。如果增益A和避讓時間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建模的新方法，作為上述避障問題的解決方案。

2 避障控制的即時建模方法

2.1 建模概述

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

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

Step.2為了計算查詢數(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，計算查詢數(shù)據(jù)的輸出。

圖 4展示了即時建模的示意圖。即時建模的優(yōu)點：我們不推導控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，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)輸出的計算量[13-15]。

2.2 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

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

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

其中Nfail是未實現(xiàn)避障控制的數(shù)據(jù)的數(shù)量。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)量對即時建模中的控制性能和計算量有較大影響。

2.3 增益和控制時間的計算

算法描述如下：

提出的基于實時建模的方法的優(yōu)點是：（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，就可以用數(shù)據(jù)庫計算出能夠?qū)崿F(xiàn)各種遇到障礙物避障的控制輸入，避免了復雜數(shù)學模型；（2）算法不需要復雜的計算，只需要簡單的算法，如四個基本算術(shù)運算符和排序，從而實現(xiàn)實時控制。

將基于即時建模的汽車避障控制過程如圖 5所示。

圖5 通過即時建?？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

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

表1 用于構(gòu)造數(shù)據(jù)庫的參數(shù)設置Tab.1 The parameter settings for construction of a database

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

應用本文構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫及提出的算法，我們按照表3的仿真參數(shù)設置，進行了6次數(shù)值模擬及仿真實驗，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。同時也證明了所提出的控制方法計算時間短。

為了驗證汽車的移動效率，我們將本文所提出的方法與文獻[7]的方法進行比較。文獻[7]方法中，控制時間Tc作為輸入，輸出僅為增益A。圖7描述了表3中前三個（No.1～No.3）模擬數(shù)值的文獻[7]的仿真結(jié)果。對比圖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[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，通過即時建模開發(fā)了一種新的汽車避障控制方法。新的控制方法可以計算控制輸入的增益和控制時間，以避免遇到障礙，計算時間短。通過一些數(shù)值模擬，表明汽車可以避開各種障礙物，因此可以檢驗所提方法的有效性。此外，與先前文獻方法產(chǎn)生的汽車相比，本文所提出的新方法產(chǎn)生的汽車的運動更有效。未來我們將基于大數(shù)據(jù)和即時建模對移動障礙物的自動停車和自動駕駛的做擴展研究。