第五章?智能駕駛功能仿真應(yīng)用《ModelBase智能駕駛建模仿真與應(yīng)用

》導(dǎo)讀智能駕駛功能仿真是車(chē)輛智能駕駛功能開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證的重要手段，可有效縮短智能駕駛功能開(kāi)發(fā)周期和成本。本章詳細(xì)介紹智能駕駛仿真流程、各智能駕駛功能的建模和仿真實(shí)例。通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，讀者深入了解常見(jiàn)的智能駕駛功能的工作原理，掌握智能駕駛功能的Model_x0002_Base建模仿真方法，為后續(xù)章節(jié)的聯(lián)合仿真奠定基礎(chǔ)。5.1?概述智能駕駛功能仿真是整個(gè)智能駕駛系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程中的重要環(huán)節(jié)之一，其通過(guò)傳感器仿真、車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真、交通流仿真、數(shù)字仿真、駕駛場(chǎng)景構(gòu)建等技術(shù)模擬實(shí)車(chē)道路測(cè)試環(huán)境，并在仿真中添加智能駕駛算法，從而搭建相對(duì)真實(shí)的駕駛場(chǎng)景，以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能駕駛功能的虛擬仿真測(cè)試。5.2?前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)前向碰撞預(yù)警（ForwardCollisionWarning，F(xiàn)CW）系統(tǒng)通過(guò)雷達(dá)或攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)前方車(chē)輛，判斷本車(chē)與前車(chē)之間的距離、方位及相對(duì)速度，當(dāng)系統(tǒng)判斷存在潛在碰撞危險(xiǎn)時(shí)，將對(duì)駕駛者進(jìn)行警告。FCW系統(tǒng)本身不會(huì)采取任何制動(dòng)措施去避免碰撞或控制車(chē)輛。在不立即采取糾正措施，就很可能發(fā)生碰撞的情況下，有的車(chē)型前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)會(huì)發(fā)出蜂鳴音，并在儀表板上以紅色高亮顯示前方車(chē)輛。以下是前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)的使用場(chǎng)景及其具體功能。（1）使用場(chǎng)景為直道工況，車(chē)速為10～70km/h。（2）當(dāng)主車(chē)與前車(chē)存在追尾風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)預(yù)警方式提醒駕駛員進(jìn)行制動(dòng)。（3）前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警策略分級(jí)為一級(jí)預(yù)警和二級(jí)預(yù)警。（4）駕駛員可通過(guò)App進(jìn)行前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)功能的開(kāi)啟和關(guān)閉操作。（5）當(dāng)駕駛員通過(guò)大角度轉(zhuǎn)向或急打方向盤(pán)進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)時(shí)，前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)功能關(guān)閉；當(dāng)駕駛員主動(dòng)干預(yù)結(jié)束后，前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)功能將會(huì)自動(dòng)恢復(fù)。（6）當(dāng)駕駛員打轉(zhuǎn)向燈準(zhǔn)備轉(zhuǎn)彎時(shí)，前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)功能關(guān)閉；當(dāng)轉(zhuǎn)向燈關(guān)閉后，前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)功能將會(huì)自動(dòng)恢復(fù)。（7）在開(kāi)啟雙閃的狀態(tài)下，前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)功能關(guān)閉。5.2?前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)5.2.1?系統(tǒng)建模前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)建模的關(guān)鍵是如何確定碰撞時(shí)間（TimetoCollision,TTC），最早提出的碰撞時(shí)間只由自車(chē)與前車(chē)相對(duì)距離和自車(chē)與前車(chē)的相對(duì)速度計(jì)算獲得動(dòng)態(tài)碰撞時(shí)間閾值為當(dāng)TTC<Tthr時(shí)，需要觸發(fā)前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)。5.2?前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)5.2.2?仿真實(shí)例在ModelBase軟件中搭建對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行仿真測(cè)試。5.2?前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)5.2.2?仿真實(shí)例在ModelBase軟件中搭建對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行仿真測(cè)試。050607085.3?自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)自適應(yīng)巡航控制（AdaptiveCruiseControl，ACC）系統(tǒng)是一種功能更為強(qiáng)大，適用場(chǎng)景更廣泛的巡航技術(shù)。它通過(guò)安裝在汽車(chē)前部的車(chē)距傳感器感知監(jiān)測(cè)前方道路的交通參與者情況，例如，自車(chē)和前車(chē)之間的相對(duì)距離超過(guò)安全距離時(shí)，它會(huì)采取相應(yīng)操作控制汽車(chē)的行駛速度，如制動(dòng)力矩、發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度等，避免交通事故發(fā)生，減輕駕駛的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提高通行效率。通常ACC系統(tǒng)在控制汽車(chē)制動(dòng)時(shí)，會(huì)將制動(dòng)減速度控制在不影響乘車(chē)舒適性的范圍內(nèi)，當(dāng)需要更大的減速度時(shí)，ACC系統(tǒng)會(huì)發(fā)出預(yù)警信號(hào)以提醒駕駛員采取制動(dòng)操作，以燃油汽車(chē)為例，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)主要由信息感知模塊、ECU、執(zhí)行控制模塊和人機(jī)交互模塊組成。5.3?自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)5.3.1?系統(tǒng)建模（1/3）駕駛員啟動(dòng)自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)后，安裝在汽車(chē)前部的車(chē)距傳感器持續(xù)掃描汽車(chē)前方的道路狀況，同時(shí)輪速傳感器采集車(chē)速信號(hào)。如果主車(chē)前方?jīng)]有車(chē)輛或與前車(chē)距離很遠(yuǎn)或主車(chē)速度很快，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)就會(huì)激活巡航控制模式，同時(shí)根據(jù)駕駛員設(shè)定的車(chē)速和輪速傳感器采集的主車(chē)速度自動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度或制動(dòng)壓力，使主車(chē)達(dá)到設(shè)定的車(chē)速并巡航行駛；如果前車(chē)距離較近或主車(chē)速度很慢，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)就會(huì)激活跟隨控制模式，同時(shí)根據(jù)駕駛員設(shè)定的安全車(chē)距和輪速傳感器采集的主車(chē)速度計(jì)算出期望車(chē)距，并與車(chē)距傳感器采集的實(shí)際距離進(jìn)行比較，自動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度或制動(dòng)壓力，使汽車(chē)以一個(gè)安全車(chē)距穩(wěn)定地跟隨前車(chē)行駛。以燃油車(chē)為例，ACC系統(tǒng)的工作原理如圖所示。5.3?自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)5.3.1?系統(tǒng)建模（2/3）為了適用更多工況，ACC還有減速控制、加速控制、停車(chē)控制、啟動(dòng)控制模式，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)工作模式。5.3?自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)5.3.1?系統(tǒng)建模（3/3）ACC系統(tǒng)工作時(shí)需要明確車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)情況，因此需要建立合適的模型。首先根據(jù)縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)建車(chē)輛縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，之后根據(jù)自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的下層控制器進(jìn)行逆縱向動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)建模。（1）構(gòu)建車(chē)輛縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：（2）車(chē)輛逆縱向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模1）驅(qū)動(dòng)控制與逆發(fā)動(dòng)機(jī)控制模型：2）制動(dòng)控制與逆制動(dòng)系統(tǒng)模型：5.3?自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)5.3.2?仿真實(shí)例在ModelBase軟件中搭建對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行仿真測(cè)試。5.4?車(chē)道偏離

預(yù)警系統(tǒng)車(chē)道偏離預(yù)警系統(tǒng)（LaneDepartureWarningSystem，LDWS）通過(guò)車(chē)載攝像頭或傳感器技術(shù)識(shí)別車(chē)輛所在的車(chē)道線，并在車(chē)輛偏離車(chē)道線時(shí)發(fā)出警告，提醒駕駛員及時(shí)糾正車(chē)輛行駛方向，以防止意外事故的發(fā)生。LDWS已經(jīng)成為了現(xiàn)代汽車(chē)上常見(jiàn)的安全輔助系統(tǒng)之一，被廣泛應(yīng)用于高速公路、城市道路等多種路況下。普通工況：當(dāng)車(chē)輛在規(guī)定的車(chē)道內(nèi)行駛時(shí)，車(chē)道偏離預(yù)警系統(tǒng)對(duì)車(chē)道進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并在車(chē)輛偏離車(chē)道線時(shí)發(fā)出聲音或震動(dòng)等提示，提醒駕駛員及時(shí)調(diào)整行駛方向。在這種情況下，車(chē)道偏離預(yù)警系統(tǒng)可以幫助駕駛員更好地掌控車(chē)輛，降低因疲勞或注意力不集中而導(dǎo)致車(chē)禍的風(fēng)險(xiǎn)。侵入警告工況：當(dāng)車(chē)輛逐漸靠近車(chē)道線時(shí)，車(chē)道偏離預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出警告，提醒駕駛員將車(chē)輛轉(zhuǎn)回規(guī)定的車(chē)道內(nèi)。如果駕駛員不及時(shí)做出反應(yīng)，車(chē)道偏離預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出更強(qiáng)烈的警告，提醒駕駛員調(diào)整車(chē)輛行駛方向，避免發(fā)生意外事故。追車(chē)提示工況：當(dāng)車(chē)輛行駛在高速公路或其他限速區(qū)域時(shí)，如果后車(chē)行駛速度高于前車(chē)，并且距離較近，車(chē)道偏離預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出警告，提醒駕駛員需要注意后車(chē)，并注意調(diào)整車(chē)速或車(chē)道。5.4?車(chē)道偏離預(yù)警系統(tǒng)5.4.1?系統(tǒng)建模車(chē)道偏離預(yù)警系統(tǒng)的主要目標(biāo)是預(yù)測(cè)車(chē)輛即將偏離車(chē)道時(shí)，提前給駕駛員發(fā)出警示信號(hào)，確保提前預(yù)警的同時(shí)還要減少誤警率。LDWS越早觸發(fā)警報(bào)，提供給駕駛員的糾正時(shí)間就越多，相反，越容易觸發(fā)誤警給駕駛員造成困擾。因此需要建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，確定預(yù)警觸發(fā)時(shí)間。橫越車(chē)道線時(shí)間tLC可由以下公式計(jì)算獲得：5.4?車(chē)道偏離預(yù)警系統(tǒng)5.4.2?仿真實(shí)例在ModelBase軟件中搭建對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行仿真測(cè)試。5.4?車(chē)道偏離預(yù)警系統(tǒng)5.4.2?仿真實(shí)例在ModelBase軟件中搭建對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行仿真測(cè)試。5.5?車(chē)道保持系統(tǒng)車(chē)道保持系統(tǒng)（LaneKeepingSystem，LKS），是在車(chē)道偏離預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，該系統(tǒng)不僅可以通過(guò)報(bào)警等方式提醒駕駛員注意，還可以輔助駕駛員實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向和制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，糾正車(chē)輛在行駛過(guò)程中偏離所在車(chē)道的錯(cuò)誤，保持車(chē)輛在本車(chē)道內(nèi)行駛，減少交通事故的發(fā)生。5.5?車(chē)道保持系統(tǒng)5.5.1?系統(tǒng)建模車(chē)道保持系統(tǒng)主要功能是防止車(chē)輛偏離車(chē)道，使車(chē)輛穩(wěn)定地行駛在道路正確位置，因而它主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的橫向運(yùn)動(dòng)控制，因此必要建立輪胎模型和汽車(chē)橫向動(dòng)力學(xué)模型。（1）輪胎模型：（2）汽車(chē)橫向動(dòng)力學(xué)模型：5.5?車(chē)道保持系統(tǒng)5.5.2?仿真實(shí)例下面在ModelBase軟件中搭建對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行仿真測(cè)試。010203045.5?車(chē)道保持系統(tǒng)5.5.2?仿真實(shí)例面在ModelBase軟件中搭建對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行仿真測(cè)試結(jié)果。5.6?自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)（1/2）自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)（AutonomousParkingSystem，APS）是利用車(chē)載傳感器探測(cè)周?chē)行Р窜?chē)空間，并幫助駕駛員自動(dòng)將汽車(chē)泊入目標(biāo)車(chē)位處，完成車(chē)輛泊車(chē)操作的汽車(chē)輔助駕駛系統(tǒng)。根據(jù)車(chē)位類(lèi)型的不同，自動(dòng)泊車(chē)一般分為橫向泊車(chē)，縱向泊車(chē)和斜向泊車(chē)，共計(jì)3大類(lèi)。5.6?自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)（2/2）自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程主要分為車(chē)位檢測(cè)、路徑規(guī)劃、軌跡跟蹤三步。5.6?自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)5.6.1?系統(tǒng)建模在MATLAB/Simulink中搭建典型的自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)模型，共分為傳感器接口、感知模塊、軌跡規(guī)劃模塊、軌跡跟蹤模塊、通訊模塊和可視化模塊。傳感器接口接收ModelBase中傳輸過(guò)來(lái)的所有傳感器信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單濾波。通訊模塊將油門(mén)開(kāi)度、制動(dòng)壓力、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角和檔位的控制信號(hào)傳遞給ModelBase中的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型。5.6?自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)5.6.2?仿真實(shí)例在ModelBase中搭建對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行仿真測(cè)試。5.7?基于導(dǎo)航的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對(duì)于高速NOP，目前在高精地圖覆蓋的范圍內(nèi)，高速NOP具體可以實(shí)現(xiàn)如下功能：自動(dòng)匯入主路在主路中巡航行駛，車(chē)輛智能選擇最優(yōu)車(chē)道根據(jù)導(dǎo)航規(guī)劃自動(dòng)切換至下一條高速/高架自動(dòng)駛離主路基于導(dǎo)航的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)也被稱(chēng)為導(dǎo)航輔助駕駛，其允許車(chē)輛在特定條件下按照高精地圖導(dǎo)航規(guī)劃的路徑自動(dòng)巡航行駛，并具備自動(dòng)變道、自主超車(chē)等能力，將導(dǎo)航系統(tǒng)、高精地圖、自動(dòng)輔助駕駛系統(tǒng)緊密結(jié)合在一起，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)到點(diǎn)的完全自動(dòng)駕駛。NOP（NavigateonPilot，NOP）系統(tǒng)本質(zhì)是將“導(dǎo)航”和“輔助駕駛”結(jié)合在一起，在原來(lái)L2輔助駕駛的基礎(chǔ)上（如前文所介紹的前向碰撞預(yù)警、自適應(yīng)巡航控制、車(chē)道偏離預(yù)警、車(chē)道保持輔助等功能）加上配備高精地圖的導(dǎo)航信息，自動(dòng)變道行駛，從而實(shí)現(xiàn)從A點(diǎn)到B點(diǎn)的自動(dòng)駕駛。5.7?基于導(dǎo)航的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)

(5.7.1?系統(tǒng)建模)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)需要對(duì)車(chē)輛進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，所以需要建立一個(gè)準(zhǔn)確的車(chē)輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，模型的準(zhǔn)確性將影響車(chē)輛的跟蹤控制效果。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)分為感知系統(tǒng)、規(guī)劃系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。感知系統(tǒng)通過(guò)車(chē)載傳感器、車(chē)聯(lián)網(wǎng)信息、車(chē)載高精地圖等感知駕駛環(huán)境、車(chē)輛定位信息，為車(chē)輛規(guī)劃提供必要的感知信息；規(guī)劃系統(tǒng)通過(guò)感知信息和車(chē)輛網(wǎng)信息對(duì)車(chē)輛的任務(wù)、行為和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃，為車(chē)輛的控制提供決策信息；控制系統(tǒng)通過(guò)路徑跟蹤和軌跡跟蹤控制，最后通過(guò)下層控制器的執(zhí)行器跟蹤控制，最終實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的自動(dòng)駕駛功能。1235.5?車(chē)道保持系統(tǒng)5.7.2?仿真實(shí)例在ModelBase中搭建對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行仿真測(cè)試。010203045.8?代客泊車(chē)系統(tǒng)自主代客泊車(chē)(AutonomousValetParking，AVP)，是目前最高級(jí)別的自動(dòng)泊車(chē)技術(shù)，V即Valet酒店侍從，意為代客泊車(chē)。實(shí)現(xiàn)從停車(chē)場(chǎng)入口、出口與停車(chē)位之間的特定區(qū)域內(nèi)完全自主的自動(dòng)駕駛。作為自動(dòng)駕駛在泊車(chē)場(chǎng)景下的應(yīng)用，自主代客泊車(chē)幫助用戶(hù)節(jié)省大量尋找停車(chē)位、停車(chē)及找車(chē)時(shí)間，解決高峰期排隊(duì)停車(chē)的痛點(diǎn)。5.8?代客泊車(chē)系統(tǒng)車(chē)端、場(chǎng)端、云端及手機(jī)端聯(lián)合構(gòu)成了完整的基于車(chē)場(chǎng)融合的自主代客泊車(chē)系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合了車(chē)端和場(chǎng)端的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合自動(dòng)地鎖、自動(dòng)充電、無(wú)線充電和自動(dòng)洗車(chē)等基礎(chǔ)服務(wù)，構(gòu)建更加智能、安全、豐富的閉環(huán)生態(tài)場(chǎng)景。因此車(chē)場(chǎng)融合是未來(lái)自主代客泊車(chē)技術(shù)的發(fā)展方向。5.8?代客泊車(chē)系統(tǒng)5.8.1?系統(tǒng)建模