基于NSGA-II的ADAS傳感器配置優(yōu)選方法及應(yīng)用

周 莉， 文健峰， 楊杰君， 王 全

(1.中車(chē)時(shí)代電動(dòng)汽車(chē)股份有限公司，湖南 株洲 412007; 2.長(zhǎng)沙中車(chē)智馭新能源科技有限公司，長(zhǎng)沙 410000)

輔助駕駛系統(tǒng)(ADAS)可提升汽車(chē)行駛時(shí)的安全性，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)輔助駕駛功能的前提是有效感知車(chē)輛周?chē)煌ōh(huán)境信息。為滿足駕駛場(chǎng)景多樣化的需求， 往往通過(guò)增配傳感器來(lái)提高特定功能的感知效果，但這樣會(huì)造成系統(tǒng)傳感器配置冗余和資源浪費(fèi)。

對(duì)汽車(chē)多功能ADAS的傳感器優(yōu)選配置，實(shí)現(xiàn)高效的系統(tǒng)集成是未來(lái)智能汽車(chē)的發(fā)展方向。本文提出一種ADAS傳感器配置優(yōu)選方法，通過(guò)設(shè)計(jì)傳感器優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及其約束條件，采用帶精英策略的非支配排序的遺傳算法(NSGA-II)對(duì)傳感器配置方案進(jìn)行綜合尋優(yōu)，最后通過(guò)PreScan軟件對(duì)優(yōu)化配置進(jìn)行案例分析，驗(yàn)證方法的可行性。

1 傳感器配置優(yōu)選方法

傳感器配置的優(yōu)化需要導(dǎo)入整車(chē)信息與傳感器信息：整車(chē)信息包含整車(chē)的長(zhǎng)度、寬度信息；傳感器信息包括探測(cè)距離、視角、距離精度、成本、可靠性(MTTF)信息。

1.1 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及其約束條件設(shè)計(jì)

為優(yōu)化傳感器配置，需要建立傳感器優(yōu)選的評(píng)價(jià)指標(biāo)與體系，對(duì)其方案優(yōu)劣性進(jìn)行量化。本文建立的傳感器優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及約束條件如下：

1) 探測(cè)區(qū)域覆蓋率優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)()。探測(cè)覆蓋率越高，傳感器盲區(qū)越小。

(1)

式中：為所配置的個(gè)傳感器集合，其中每一個(gè)元素值代表傳感器的編號(hào);為所需要探測(cè)的目標(biāo)區(qū)域面積；()是該傳感器集合配置探測(cè)的有效面積;為第個(gè)傳感器探測(cè)面積；為個(gè)傳感器探測(cè)面積的交叉部分的總和。

第個(gè)傳感器探測(cè)的面積通常通過(guò)該傳感器的探測(cè)距離和視角求得，需要建立傳感器探測(cè)距離和視角的約束條件，見(jiàn)式(2)。

≥，≥∈1,2…,

(2)

式中：為配置傳感器集合后的有效探測(cè)距離；為編號(hào)處傳感器的最小探測(cè)距離要求；為配置傳感器集合后的有效視角；為編號(hào)處傳感器的最小視角要求;為車(chē)輛配置傳感器的編號(hào)總數(shù)。

2) 探測(cè)距離精度優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)()，見(jiàn)式(3)。在滿足測(cè)量精度要求的前提下，傳感器的探測(cè)精度越高，ADAS的控制精度越好。

(3)

式中：為所配置傳感器集合后的測(cè)距精度誤差，其約束條件見(jiàn)式(4)。

≤

(4)

式中：為編號(hào)傳感器的最小探測(cè)距離要求的最小精度。

3) 成本優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)()及約束條件見(jiàn)式(5)。在滿足性能要求的前提下考慮傳感器的購(gòu)置成本。

(5)

式中：為傳感器集合中編號(hào)的傳感器的購(gòu)置成本；為傳感器配置集合成本的最高限價(jià)。

4) 可靠性無(wú)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，只要滿足約束條件即可。采用傳感器的平均使用壽命建立其約束條件，見(jiàn)式(6)。

min[MTTF()]≥

(6)

式中： MTTF為傳感器集合的平均使用壽命；為系統(tǒng)所要求的最小使用壽命。

1.2 基于NSGA-II的配置方案綜合尋優(yōu)

配置方案綜合尋優(yōu)是根據(jù)整車(chē)及傳感器信息和上述目標(biāo)函數(shù)與約束條件，采用多目標(biāo)全局尋優(yōu)算法對(duì)傳感器參數(shù)及其安裝位置進(jìn)行多目標(biāo)尋優(yōu)計(jì)算，給出優(yōu)化后的傳感器配置方案(含安裝位置)。

采用NSGA-II進(jìn)行求解，以加快搜索過(guò)程中的收斂速度，根據(jù)排擠機(jī)制，對(duì)秩相同的個(gè)體進(jìn)行保留，有效地保護(hù)最優(yōu)解的多樣性。傳感器配置方案的NSGA-II優(yōu)選步驟如下:

1) 導(dǎo)入傳感器優(yōu)選配置的目標(biāo)函數(shù)與約束函數(shù)，種群大小，迭代步驟。

2) 在約束函數(shù)中隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)種群大小為的初始化種群，計(jì)算種群內(nèi)每個(gè)個(gè)體的目標(biāo)函數(shù)值并進(jìn)行排序，計(jì)算其擁擠程度。

3) 通過(guò)錦標(biāo)賽法選擇精英個(gè)體，通過(guò)交叉、變異操作生成一個(gè)種群大小同樣為的子代種群。

4) 將子代種群和父代種群進(jìn)行合并，得到一個(gè)種群為2的新種群。

5) 對(duì)采用擁擠比較算子排序，一次選取排序最優(yōu)的個(gè)體復(fù)制到新種群+1中，直到新種群規(guī)模為，此時(shí)為一次循環(huán)，循環(huán)代數(shù)+1。

6) 判斷是否達(dá)到最大迭代次數(shù)或滿足設(shè)定條件。若不滿足，則重復(fù)步驟3)至6)，直到滿足條件，計(jì)算停止并給出綜合尋優(yōu)后的傳感器配置方案。

2 案例分析

選擇ADAS中常見(jiàn)的自適應(yīng)巡航與換道輔助功能為應(yīng)用場(chǎng)景，應(yīng)用PreScan軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，考核配置的傳感器集合的有效性。

2.1 整車(chē)與傳感器信息導(dǎo)入

整車(chē)信息導(dǎo)入：車(chē)輛長(zhǎng)度5 m，寬度2.4 m；傳感器信息導(dǎo)入：部分傳感器的參數(shù)信息見(jiàn)表1，其中序號(hào)19為激光雷達(dá)。

表1 備選傳感器參數(shù)

2.2 配置方案的綜合尋優(yōu)

NSGA-II綜合尋優(yōu)算法在Windows10操作系統(tǒng)和Matlab2016環(huán)境中運(yùn)行。在NSGA-II算法中迭代次數(shù)和種群規(guī)模的設(shè)置將影響算法的成功率和計(jì)算的時(shí)間；種群多樣性，速度權(quán)重上下限也會(huì)影響計(jì)算時(shí)間。通過(guò)嘗試不同的參數(shù)設(shè)置，最終優(yōu)選一組參數(shù)進(jìn)行綜合尋優(yōu)，其中迭代次數(shù)設(shè)為200，種群規(guī)模設(shè)為100，種群多樣性設(shè)置為0.8，速度權(quán)重上下限分別設(shè)置為0.9和0.2。

通過(guò)上述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及其約束條件，采用 NSGA-II 綜合尋優(yōu)方法求解出的優(yōu)選配置方案如圖1所示。

圖1 優(yōu)選配置后的傳感器配置方案

2.3 場(chǎng)景驗(yàn)證設(shè)計(jì)

2.3.1 場(chǎng)景搭建

為了驗(yàn)證傳感器優(yōu)選方案的有效性，采用PreScan 虛擬仿真軟件，首先創(chuàng)建一個(gè)典型的自適應(yīng)巡航和換道輔助場(chǎng)景(跟隨-換道-超車(chē)-保持)，如圖2所示。自車(chē)從左邊超過(guò)1號(hào)車(chē)再與2號(hào)車(chē)跟車(chē)，場(chǎng)景參數(shù)如下：自車(chē)初始速度為60 km/h，自車(chē)最大加速度4 m/s，1號(hào)車(chē)速度為40 km/h，2號(hào)車(chē)速度為120 km/h，3號(hào)車(chē)速度為50 km/h，4號(hào)車(chē)速度為80 km/h，車(chē)道寬度為3.6 m，駕駛員反應(yīng)時(shí)間0.8 s，安全距離為自車(chē)距前車(chē)后保險(xiǎn)杠2 m。

圖2 自適應(yīng)巡航和交通擁堵輔助場(chǎng)景示意

2.3.2 驗(yàn)證結(jié)果分析

通過(guò)PreScan仿真車(chē)輛的跟車(chē)巡航-換道超車(chē)過(guò)程，自車(chē)各傳感器所探測(cè)到的目標(biāo)距離信息如圖3所示。圖中傳感器編號(hào)位置如圖1所示。

(a) 自車(chē)傳感器1、5探測(cè)到1號(hào)車(chē)的目標(biāo)距離

通過(guò)仿真分析可以看出，各傳感器均能有效探測(cè)該傳感器正前方和側(cè)方的目標(biāo)車(chē)輛；換道過(guò)程中，傳感器隨著車(chē)輛的轉(zhuǎn)向與橫擺，探測(cè)到的目標(biāo)在傳感器探測(cè)范圍中的方位發(fā)生改變，但探測(cè)距離保持了連續(xù)性。該結(jié)果證明本文所提出的傳感器優(yōu)選配置方案可以有效覆蓋自適應(yīng)巡航和換道輔助功能的跟車(chē)、換道場(chǎng)景。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)工程實(shí)踐中的ADAS傳感器配置冗余問(wèn)題，提出了一種環(huán)境感知傳感器配置優(yōu)選方法。但仍有不足之處，未考慮到因?qū)嶋H道路的多樣性不設(shè)計(jì)冗余傳感器會(huì)造成的失效情況。后續(xù)將結(jié)合實(shí)際道路工況，在樣車(chē)上對(duì)本文提出的ADAS傳感器配置優(yōu)化方法開(kāi)展更深入的研究。