一種大數據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 江西省協同感知與先進計算技術研究所，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，大數據是各種研究領域的熱點，是智能控制的基礎[4-6]。文獻[7]將大數據技術應用于汽車的自動操作問題。然而，從大數據的角度來看，自動操作技術的研究數量很少。在未來的大數據時代，大數據技術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據和即時建模的汽車碰撞障礙控制方法。在即時建模技術中，我們將包含系統的大量輸入和輸出數據的數據庫視為系統的數學模型，并且我們通過使用來自數據庫的一些提取數據來計算控制輸入[8-9]。也就是說，即時建模是大數據的應用之一。在文獻[7][10]提出了一種基于大數據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，本文在闡述關于汽車避障控制問題的數學模型。在即時建模的基礎上開發了一種新的有效的汽車避障控制控制方法，通過數值模擬仿真，驗證了該新方法的有效性。

1 問題描述

在本節中，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：對于一組給定數據，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

在本節中，將開發一種基于即時建模（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步驟如下：

Step.1構造一個包含系統輸入輸出數據的數據庫；

Step.2為了計算查詢數據的輸出，提取查詢數據的一些鄰域數據；

Step.3從獲得的鄰域數據導出查詢數據的局部線性模型；

Step.1使用局部線性模型，計算查詢數據的輸出。

圖 4展示了即時建模的示意圖。即時建模的優點：我們不推導控制系統的數學模型，它不僅適用于線性系統，而且適用于非線性系統；并且可以減少查詢數據輸出的計算量[13-15]。

2.2 數據庫構建

我們首先要構建一個關于汽車避障的數據庫，并且確定數據庫的范圍。

圖4 關于即時建模的說明Fig.4 An illustration on just-in-time modeling

其中Nfail是未實現避障控制的數據的數量。數據庫中的數據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點是：（1）一旦建立了包含車輛輸入和輸出數據的數據庫，就可以用數據庫計算出能夠實現各種遇到障礙物避障的控制輸入，避免了復雜數學模型；（2）算法不需要復雜的計算，只需要簡單的算法，如四個基本算術運算符和排序，從而實現實時控制。

將基于即時建模的汽車避障控制過程如圖 5所示。

圖5 通過即時建模控制汽車的障礙物Fig.5 Obstacle avoidance control of a car via just-in-time modeling

4 數值模擬

通過數值模擬及仿真，證實所提方法的有效性。首先，構建了用于即時建模的汽車避障的數據庫。為了構建數據庫，將輸入數據的范圍設置為表1。

表1 用于構造數據庫的參數設置Tab.1 The parameter settings for construction of a database

表2 獲得的數據庫的一部分Tab.2 A part of the obtained database

應用本文構建的數據庫及提出的算法，我們按照表3的仿真參數設置，進行了6次數值模擬及仿真實驗，結果如圖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）模擬數值的文獻[7]的仿真結果。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 模擬數值設置Tab.3 The simulation settings

圖6 本文方法的數值模擬結果Fig.6 Numerical simulation results by the new control method

圖7 文獻[7]的數值模擬結果Fig.7 Numerical simulation results of reference [7]

5 結論

在本文中，通過即時建模開發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，與先前文獻方法產生的汽車相比，本文所提出的新方法產生的汽車的運動更有效。未來我們將基于大數據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。