基于机器视觉的汽车自适应巡航控制系统

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 1.63MB 50 页 15积分

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摘要

有很多因素促使着巡航控制技术在汽车中进行进一步的应用。首先，汽车数

量持续增加，交通事故量居高不下，造成追尾的主要原因之一就是驾驶者未能在

安全距离允许的范围内及时的制动，这要求汽车具备一定的碰撞预警功能；其次，

全世界的汽车保有量非常巨大，每年的燃油消耗的对世界各国人民来讲都是一个

非常大的经济负担；汽车电子技术、汽车自动化等技术都在不断发展，他们正在

也将在汽车的巡航控制系统中得到应用。

本文首先根据汽车的行驶方程，建立了汽车的距离控制模型，并将经过 ANFIS

训练的 MAMDANI 模糊控制器应用于此模型中，在 SIMULINK 环境中初始化了相

关参数进行仿真，达到了较好的距离控制效果。然后本文建立了巡航控制的视频

处理系统，根据视频数据单像素的变化进行实时处理，标定出了要追踪的目标车

辆，并做好了未可知情况的处理。后面则建立了雷达信号处理系统，为距离控制

系统提供距离、速度、加速度信号，并结合雷达回波信号的模式识别，对汽车的

加速度进行一定的限定。然后，本文在前面所建立的模型及仿真结果的基础上，

综合自适应距离控制系统、雷达信号处理系统和视频处理系统，对整个系统进行

了联合仿真，仿真结果精确可靠。最后，应用半实物仿真平台对本文所提出的巡

航控制方法进行了可行性验证，结果与先前的系统仿真结果一致。

本系统创新性的将机器视觉、信号处理、模糊神经网络等技术应用到汽车领

域中来，较理想的实现了汽车的自适应巡航控制，它的开发与应用在燃油经济性、

行车安全性、行车舒适性、汽车智能化方面有着重大的理论意义和应用意义。

关键词：定速巡航自适应巡航机器视觉汽车智能化

ABSTRACT

Many factors promote the application of cruise control technology in

automobiles. First, with the overwhelming development of highroad and the

continuous acceleration of automobile speed, severe accidents tend to happen more

frequently, and one major reason is that the drivers fail to brake when their vehicle

is too closer to the one running ahead. This requires that the autobomile could brake

when necessary. Secondly, all the automobile in the world available are so numerous

that the fuel fee must be a great burden for their global owners;What’s more, more

advanced automobile electronical technologies are developing quite fast, and it’s

almost sure that they are and will be applied to the automobile industry to a large

extent, especially in the field of cruise control.

Based on the driving formula, this dissertation builds the distance control

model of the vehicle which applies the MAMDANI controller trained by ANFIS.

The model is simulated in SIMULINK later and gains satisfactory outputs of the

distance control. Then a video processing model is built which can demarcate the

aimed to-be-chased automobile driving ahead and that has given considerate thought

to unexpected situations. Afterwards a radar processing model is built which provide

required distance, velocity and acceleration signals for the previous distance control

model. Furthermore, this model also gives contrains to the vehicle’s dynamic

parameters by pattern recognition. With all the model built and data acquired, this

paper conducts united simulation which brings reliable output data. Finally, a

platform armed partially by some hardware, others substituted by software port, is

implemented. That experiment gives powerful verification to the feasibility of the

cruise control method presented by this essay.

This dissertation combines some advanced technologies such as machine

vision, signal processing, fuzzy-neural network all of which have been successfully

applid to the automobile field. The development of this system has fabulous

meaning and significance to petrol economical efficiency, driving safety and

comfort,and also the progress of intelligence for automobiles.

Key Words：Cruise control ,ACCS,MACHINE VISION,AUTO AI

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论...............................................................................................................1

§1.1 课题背景及意义...............................................................................................1

§1.2 国内外研究水平...............................................................................................2

§1.3 常见巡航控制系统...........................................................................................3

§1.3.1 CCS 定速巡航控制系统 ..........................................................................3

§1.3.2 ACCS 自适应巡航控制系统................................................................... 3

§1.3.3 基于机器视觉的巡航控制系统 ............................................................. 4

§1.4 课题研究内容...................................................................................................5

§1.4.1 研究内容和实施方案 ............................................................................. 5

§1.4.2 主要关键技术 ......................................................................................... 6

§1.5 本章小结...........................................................................................................7

第二章距离控制系统模型建立...................................................................................8

§2.1 控制系统的指标及控制方案...........................................................................8

§2.2 汽车动力学方程分析.......................................................................................8

§2.2.1 汽车牵引力分析 ..................................................................................... 8

§2.2.2 汽车滚动阻力分析 ................................................................................. 9

§2.2.3 汽车空气阻力分析 ................................................................................. 9

§2.2.4 汽车坡度阻力与加速阻力分析 ............................................................. 9

§2.3 系统的 SIMULINK 建模 ............................................................................... 10

§2.3.1 系统距离控制模块的 SIMULINK 建模 ..............................................10

§2.3.2 系统发动机模块的 SIMULINK 建模 ..................................................11

§2.3.3 系统制动模块的 SIMULINK 建模 ......................................................11

§2.4 本章小结.........................................................................................................13

第三章自适应模糊控制系统.....................................................................................14

§3.1 控制系统的指标及控制方案.........................................................................14

§3.2 MAMDANI 模糊系统的设计及应用 .............................................................14

§3.2.1 模糊子集的确定 ................................................................................... 14

§3.2.2 模糊规则的确定 ................................................................................... 15

§3.2.3 模糊控制曲面 ....................................................................................... 15

§3.2.4 不同控制策略模糊控制系统的比较 ................................................... 16

§3.3 ANFIS 自适应神经网络的建立......................................................................17

§3.3.1 离线推理控制规则 ............................................................................... 17

§3.3.2 系统训练及输出 ................................................................................... 18

§3.3.3 模糊控制曲面 ....................................................................................... 19

§3.4 结果分析.........................................................................................................20

§3.5 本章小结.........................................................................................................21

第四章汽车巡航控制的机器视觉系统.....................................................................22

§4.1 机器视觉系统设计.........................................................................................22

§4.1.1 设计目标及策略实现 ........................................................................... 22

§4.1.2 系统运行出错的处理 ........................................................................... 25

§4.2 机器视觉系统的 SIMULINK 实现 ............................................................... 25

§4.3 仿真结果及分析.............................................................................................26

§4.4 本章小结.........................................................................................................28

第五章巡航控制的雷达信号处理系统.....................................................................29

§5.1 雷达信号在汽车领域中的应用.....................................................................29

§5.1.1 雷达系统在汽车主动安全中的应用 ................................................... 29

§5.1.2 雷达系统的工作原理 ........................................................................... 29

§5.1.3 雷达系统的应用 ................................................................................... 30

§5.2 神经网络在雷达回波信号处理系统中的应用.............................................31

§5.2.1 应用概述 ............................................................................................... 31

§5.2.2 神经网络在车载雷达信号处理中的实例分析 ................................... 32

§5.3 本章小结.........................................................................................................35

第六章巡航控制系统联合仿真实验.........................................................................36

§6.1 系统整体集成.................................................................................................36

§6.2 半实物平台仿真实验.....................................................................................39

§6.3 实验结果及分析.............................................................................................40

§6.4 本章小结.........................................................................................................42

第七章总结与展望.....................................................................................................43

§7.1 课题结论.........................................................................................................43

§7.2 研究展望.........................................................................................................44

参考文献.........................................................................................................................45

研究生在读期间发表论文和参与科研项目及成果.....................................................47

致谢.............................................................................................................................48

第一章绪论

§1.1 课题背景及意义

近年来，随着高速公路的发展，汽车行驶速度不断的提高，恶性交通事故频

繁发生。在这些事故中，恶性特大型事故不断增多，统计资料表明，追尾事故在

整个交通事故中占很大的比例，如中国高速公路追尾事故数约占总事故数的

33.4%，美国高速公路上发生的追尾碰撞事故约占事故总数的 24%。而造成追尾的

主要原因之一就是驾驶者可能由于长时间疲劳行驶等原因，未能在安全距离允许

的范围内及时的制动，因此汽车在惯性的作用下发生追尾。

传统的巡航控制系统可以使汽车在一定车速上的时候保持匀速行驶，并可以

实现简单的加速、减速、驾驶恢复功能，在一定程度上减轻了驾驶者的劳动强度，

提高了行驶舒适性，保证汽车和发动机都能在有利速度范围内运行。但缺点是汽

车只是在设定的速度下行驶，驾驶者的疲劳问题并没有得到实质性的解决；在有

前车行驶的情况下，汽车并不会有自动制动或加速的任何动作，两车距离小于安

全距离的时候仍然存在驾驶者未能及时制动的情况，这样就不能保证可以有效避

免追尾现象的发生。对于近年出现并得到一定应用的 ACC

（Adaptive Cruise Control

System）可以根据与前车的相对距离和相对速度进行闭环的定距行驶，从而解决

了装有传统的巡航控制系统的汽车只根据单一速度巡航的这些弊端[1]，但在有复杂

的汽车群、特殊路况以及特殊转向等情况时，仍不能保证汽车闭环调节的准确性、

及时性，从而行驶的安全性也无法得到保证。此外 ACC 还存在的问题是，虽然系

统用的比较多的是模块控制，但造价相对于普通的家用轿车还是稍显昂贵；此系

统实行时限速太高，一般都是在 40km/h 以上时才起作用；检修虽然方便，但需要

较高的技术支持，维护较难。

本文所讨论的智能巡航控制系统，能够应用雷达、角位移传感器、红外夜视

仪等设备，根据前行车的行驶工况实现准确、迅速、安全的巡航控制，继续提高

汽车的行驶舒适性，节省燃料，提高汽车的燃油经济性和环保性，并结合红外夜

视系统提供更为周到全面的判别算法，进一步提高汽车巡航驾驶时的行驶安全性，

解决了由于获得前车转向判断的不精确性、前车位置的捕捉的不确定性以及基于

车速的安全距离和闹市区的可实施性等带来的巡航控制的局限性。

综合利用仿真、分析和实验结果对人工驾驶和具有自适应控制系统的汽车进

行比较后可以得出，具有巡航控制系统的汽车队驾驶员具有重要的辅助作用，对

行驶安全性提供了一种主动安全技术。而此智能巡航控制系统的开发与应用在燃

油经济性、行车安全性、行车舒适性方面有着重大的理论和应用意义；而且随着

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摘要有很多因素促使着巡航控制技术在汽车中进行进一步的应用。首先，汽车数量持续增加，交通事故量居高不下，造成追尾的主要原因之一就是驾驶者未能在安全距离允许的范围内及时的制动，这要求汽车具备一定的碰撞预警功能；其次，全世界的汽车保有量非常巨大，每年的燃油消耗的对世界各国人民来讲都是一个非常大的经济负担；汽车电子技术、汽车自动化等技术都在不断发展，他们正在也将在汽车的巡航控制系统中得到应用。本文首先根据汽车的行驶方程，建立了汽车的距离控制模型，并将经过ANFIS训练的MAMDANI模糊控制器应用于此模型中，在SIMULINK环境中初始化了相关参数进行仿真，达到了较好的距离控制效果。然后本文建立了巡航...

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