基于隱馬爾可夫模型與反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)型多功能汽車運(yùn)動(dòng)參數(shù)預(yù)測(cè)*

□李智宏 □姚嘉凌 □汪 蕊

南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院 南京 210037

1 研究背景

側(cè)翻是車輛最危險(xiǎn)的事故之一，帶來(lái)的后果極其嚴(yán)重，是道路交通安全的主要問(wèn)題。與其它車輛相比,運(yùn)動(dòng)型多功能汽車（SUV）的行車環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，且質(zhì)心較高，行駛中極易發(fā)生側(cè)翻事故。因此，如何提高SUV的防側(cè)翻能力，保證行駛的安全性，已成為SUV研究的焦點(diǎn)問(wèn)題。

車輛側(cè)翻一般在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，側(cè)翻前駕駛員感受不到車輛的側(cè)傾狀態(tài)，無(wú)法及時(shí)采取有效措施防止側(cè)翻。因此，對(duì)車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并判斷可能會(huì)發(fā)生的側(cè)翻，提前發(fā)出報(bào)警，可以有效防止側(cè)翻發(fā)生，進(jìn)而大大提高車輛行駛的安全性。近年來(lái)，隱馬爾可夫模型（HMM）在預(yù)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)的研究中得到了人們的重視，并有諸多研究成果。文獻(xiàn)[1]針對(duì)無(wú)人駕駛車輛設(shè)計(jì)了一套行駛狀態(tài)預(yù)測(cè)系統(tǒng)，采用HMM辨識(shí)車輛的行駛狀態(tài)，預(yù)測(cè)駕駛員的駕駛行為。仿真表明，這一系統(tǒng)可以對(duì)無(wú)人駕駛車輛的未知決策做出實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的判斷。文獻(xiàn)[2]建立了一種基于HMM的車輛狀態(tài)辨識(shí)系統(tǒng)，這一辨識(shí)系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算和分析，采集車輛行駛影像記錄數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)行駛車輛的縱向車速。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種基于HMM的車輛行駛狀態(tài)辨識(shí)系統(tǒng)，通過(guò)采集車輛的側(cè)向加速度數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別車輛的行駛狀態(tài)，這一辨識(shí)系統(tǒng)還可以辨識(shí)制動(dòng)、加速等駕駛狀態(tài)。文獻(xiàn)[4]在考慮駕駛員駕駛意圖的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于HMM的駕駛意圖辨識(shí)模型，對(duì)駕駛員的意圖有較高的辨識(shí)度，并具有一定的預(yù)警能力。文獻(xiàn)[5]在重型車輛側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)研究中，采用一種基于雙層HMM的重型車輛行駛狀態(tài)辨識(shí)方法，采集車輛橫擺運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息和車速信息，動(dòng)態(tài)辨識(shí)重型車輛的行駛狀態(tài)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了這一方法的有效性。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）與反向傳播（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的車輛關(guān)門聲品質(zhì)預(yù)測(cè)方法，以關(guān)門聲信號(hào)特征作為輸入，以主觀評(píng)價(jià)值作為輸出，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，得到基于EMD的車輛關(guān)門聲品質(zhì)預(yù)測(cè)模型。結(jié)果表明，基于這一模型的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)更接近主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，具有較高的聲品質(zhì)預(yù)測(cè)精度。

筆者將HMM與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合[7-8]，應(yīng)用馬爾可夫預(yù)測(cè)算法對(duì)下一時(shí)間段SUV的行駛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，用預(yù)測(cè)出的車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入，預(yù)測(cè)車輛的具體運(yùn)動(dòng)參數(shù)，包括側(cè)傾角、側(cè)向加速度及方向盤轉(zhuǎn)角等，可以使駕駛員能更加直觀地觀察車輛的傾斜程度，量化判斷是否會(huì)發(fā)生側(cè)翻，從而采取相應(yīng)的措施防止車輛側(cè)翻。另一方面，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)的參數(shù)還可以用于電子控制。

2 HMM建模及預(yù)測(cè)

筆者所建立的HMM是多維高斯HMM。模型的底層為可觀測(cè)矢量序列，即當(dāng)前的側(cè)傾角和側(cè)向加速度。模型的高層為不可觀測(cè)的SUV運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括直線行駛狀態(tài)、正常轉(zhuǎn)向狀態(tài)、緊急轉(zhuǎn)向狀態(tài)和側(cè)傾行駛狀態(tài)。如圖1所示，Q為可觀察矢量序列；a1j為轉(zhuǎn)移概率，j=1，2，3，4；bij為觀察概率，i=1，2，3，4。底層HMM進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)和概率推理后，被輸送至高層HMM，從而預(yù)測(cè)車輛未來(lái)的行駛狀態(tài)，判斷是否會(huì)發(fā)生側(cè)翻。

圖1 多維高斯HMM結(jié)構(gòu)

首先要進(jìn)行HMM學(xué)習(xí)，即確定HMM的相應(yīng)參數(shù)。λ 為模型估計(jì)參數(shù)，λ=（t，A，C，μ，U），其中 t為初始狀態(tài)分布，A為狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，C為混合權(quán)重矩陣，μ為均值矢量，U為協(xié)方差矩陣。

模型的可觀測(cè)矢量序列 Q={q1，q2，…，qN}，其中，qk為第k個(gè)觀測(cè)矢量，k=1，2，…N，隱藏的狀態(tài)序列O={o1，o2，…，oN}。

多維高斯HMM的可觀測(cè)矢量序列Q由混合高斯概率密度函數(shù)bi（Q）產(chǎn)生：

式中：cij為系統(tǒng)混合高斯元的混合權(quán)重因數(shù)；μij為系統(tǒng)高斯密度函數(shù)的均值矢量。

確定模型估計(jì)參數(shù) λ=（t，A，C，μ，U）中各元素時(shí)，將HMM工具箱加載到MATLAB工程數(shù)學(xué)軟件中，編寫.m文件程序，選用HMM的Baum-Welch算法，訓(xùn)練SUV運(yùn)行狀態(tài)的多維高斯HMM。訓(xùn)練后得到如下結(jié)果：

在對(duì)車輛在復(fù)雜工況下的行駛狀態(tài)進(jìn)行辨識(shí)的基礎(chǔ)上，采用HMM對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)仿真，預(yù)測(cè)仿真結(jié)果如圖2所示。

3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

圖2 HMM預(yù)測(cè)仿真結(jié)果

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種運(yùn)算模型，它從信息處理角度對(duì)人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象，建立一種簡(jiǎn)單模型，并按不同的連接方式組成不同的網(wǎng)絡(luò)，是對(duì)人腦的簡(jiǎn)化和抽象。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自學(xué)習(xí)能力強(qiáng)，并具有良好的穩(wěn)定性，因此廣泛應(yīng)用于預(yù)測(cè)估計(jì)、自動(dòng)控制、模式識(shí)別等眾多領(lǐng)域[9]。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種具有三層或三層以上無(wú)反饋的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示[10]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常由輸入層、隱含層和輸出層組成，各層神經(jīng)元之間全部連接，外部數(shù)據(jù)變量輸入到輸入層，經(jīng)過(guò)隱含層處理后，傳遞給輸出層，由輸出層輸出數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在建模時(shí)要確定網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最優(yōu)，從而提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性和學(xué)習(xí)效率。隱含層的層數(shù)影響模型的訓(xùn)練速度，筆者選用具有三層結(jié)構(gòu)的Sigmoid函數(shù)。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中，第p個(gè)樣本的誤差Ep為：

式中：ypi為第p個(gè)樣本第i個(gè)單元的期望輸出值為第p個(gè)樣本第i個(gè)單元的實(shí)際輸出值。

學(xué)習(xí)算法采用梯度下降法，沿誤差變化的負(fù)梯度方向修正網(wǎng)絡(luò)權(quán)值。調(diào)整權(quán)因數(shù)Wij，使誤差Ep＜ε，ε 為系統(tǒng)誤差精度。

筆者選用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的選取對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練結(jié)果有較大影響[11]。學(xué)習(xí)速率過(guò)大，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定；學(xué)習(xí)速率過(guò)小，則會(huì)導(dǎo)致收斂速度較慢。學(xué)習(xí)速率的取值范圍為0.01～0.8，通過(guò)多次試驗(yàn)，確認(rèn)取0.1較為合適。選擇Tansig函數(shù)作為隱含層的處理函數(shù)，訓(xùn)練函數(shù)選用動(dòng)量自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率梯度下降法，神經(jīng)元的節(jié)點(diǎn)數(shù)為15，動(dòng)量因子為0.95。

4 SUV運(yùn)動(dòng)參數(shù)預(yù)測(cè)

HMM能夠預(yù)測(cè)SUV下一時(shí)間段的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而判斷是否會(huì)發(fā)生側(cè)翻，但是不能預(yù)測(cè)出車輛下一時(shí)間段的具體運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如方向盤轉(zhuǎn)角、側(cè)傾角和側(cè)向加速度等。車輛下一時(shí)段的具體運(yùn)動(dòng)參數(shù)可使駕駛員量化判斷是否會(huì)側(cè)翻，也可為抗側(cè)翻電子控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù),因此對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)很有必要。圖4為HMM與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合流程框圖。首先選用Carsim軟件對(duì)車輛進(jìn)行仿真試驗(yàn)，選擇四種典型工況進(jìn)行仿真，采集車輛在四種工況下的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，包括側(cè)向加速度、側(cè)傾角等，作為HMM的數(shù)據(jù)輸入。然后建立四種典型工況下的HMM，預(yù)測(cè)車輛下一時(shí)間段的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。最后將HMM預(yù)測(cè)出的車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，從而預(yù)測(cè)出車輛下一時(shí)間段的具體運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

圖4 HMM與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合流程框圖

選取斜坡轉(zhuǎn)向和雙移線轉(zhuǎn)向進(jìn)行SUV運(yùn)動(dòng)參數(shù)預(yù)測(cè)，分別驗(yàn)證方向盤轉(zhuǎn)角在下一時(shí)間段的數(shù)據(jù)。在HMM預(yù)測(cè)到下一個(gè)時(shí)間段的車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后，將當(dāng)前運(yùn)動(dòng)參數(shù)和以往試驗(yàn)獲得的下一時(shí)間段車輛運(yùn)動(dòng)參數(shù)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本。

圖5所示為斜坡轉(zhuǎn)向時(shí)方向盤轉(zhuǎn)角的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖6所示為斜坡轉(zhuǎn)向時(shí)使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。圖7所示為雙移線轉(zhuǎn)向時(shí)方向盤轉(zhuǎn)角的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖8所示為雙移線轉(zhuǎn)向時(shí)使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比。由圖6和圖8可知，在斜坡轉(zhuǎn)向和雙移線轉(zhuǎn)向時(shí)方向盤轉(zhuǎn)角的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，可見(jiàn)，將HMM和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，可以有效預(yù)測(cè)車輛在下一時(shí)間段的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

圖5 斜坡轉(zhuǎn)向時(shí)方向盤轉(zhuǎn)角試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 斜坡轉(zhuǎn)向時(shí)方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)對(duì)比

圖7 雙移線轉(zhuǎn)向時(shí)方向盤轉(zhuǎn)角試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖8 雙移線轉(zhuǎn)向時(shí)方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)對(duì)比

5 總結(jié)

筆者將HMM和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，對(duì)SUV運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，將HMM的初步辨識(shí)和預(yù)測(cè)結(jié)果作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本，對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，這樣可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出在下一時(shí)間段內(nèi)車輛的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，為駕駛員直觀判斷側(cè)翻和電子控制提供依據(jù)。

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