智能交通系統(tǒng)-avcs課件

1、 智能交通系統(tǒng)Intelligent Transport Systems交通運輸學院交通工程系陳明明（八）AVCS先進的車輛控制系統(tǒng) Advanced Vehicle Control Systems 先進的車輛系統(tǒng)概述 安全輔助駕駛系統(tǒng) 車輛自動駕駛系統(tǒng) 自動公路系統(tǒng)AVCS先進的車輛控制系統(tǒng) 先進的車輛系統(tǒng)（Advanced Vehicle Control Systems，AVCS）是利用先進的傳感器技術檢測車輛周圍信息，通過信息融合和處理，自動識別出危險狀態(tài)，協(xié)助駕駛員進行安全輔助駕駛或者進行自動駕駛，以提高行車安全和增加道路通行能力的系統(tǒng)。 （1）先進的車輛系統(tǒng)概述AVCS結構智能車由裝

2、備了若干傳感器和控制單元的車輛組成通信系統(tǒng)車路通信系統(tǒng)車車通信系統(tǒng) （1）先進的車輛系統(tǒng)概述AVCS本質 在車輛-道路系統(tǒng)中將現(xiàn)代化的通信技術、控制技術和交通流理論加以集成，提供一個良好的輔助駕駛環(huán)境，在特定條件下，車輛將在自動控制下安全行駛。 （1）先進的車輛系統(tǒng)概述AVCS意義與必要性 提高安全 增加通行能力 降低成本 減少廢氣污染，保護環(huán)境 （1）先進的車輛系統(tǒng)概述AVCS涉及的理論與技術基礎汽車理論（運動學、動力學）人工智能（神經網(wǎng)絡、專家系統(tǒng)）控制理論（最優(yōu)控制、模糊控制、自適應控制）計算機基礎（計算機測試、控制、通訊、管理）電器、電子基礎（元器件選擇、電路設計、系統(tǒng)調試）傳感器（傳

3、感器選擇、傳感器融合）通信理論（有線、無線、衛(wèi)星、網(wǎng)絡） （1）先進的車輛系統(tǒng)概述AVCS的關鍵技術傳感器設計技術（Sensor Design）圖象識別技術（Image Identification） 導航自動控制技術 (Automatic Navigation Control ）避障防撞技術（Obstacle Detection & Avoidance ）信息通訊技術（Information Communication ） 人機交互技術 (Human-machine Communication) 狀態(tài)監(jiān)測技術(Condition Monitoring ) 調度管理技術 (Accommodat

4、ing & Management) （1）先進的車輛系統(tǒng)概述傳感器技術 探測障礙物的傳感器（如激光雷達、無線電探測與測距、視覺傳感器、超聲波傳感器等） 判斷車輛位置的傳感器（如信號電纜傳感器、霍爾傳感器、磁傳感器等）。 （1）先進的車輛系統(tǒng)概述 利用各種監(jiān)控技術對汽車的行駛狀態(tài)及工作狀態(tài)（如輪胎壓力、氣溫、軸速、軸溫等）進行監(jiān)控，并且對駕駛員的狀態(tài)（疲勞、分神、喝酒等）進行監(jiān)控。 主要利用LED、LCD和CRT等顯示設備及發(fā)聲裝置，作為文字圖像顯示、狀態(tài)指示及聲音提示的工具，為駕駛員提供完善的信息，協(xié)助駕駛員的駕駛行為。信息顯示提供技術駕駛狀態(tài)監(jiān)控技術 利用溫度、濕度、風力、霧檢測器等設備為駕

5、駛員提供必要的信息。氣象檢測技術 （1）先進的車輛系統(tǒng)概述先進的車輛控制系統(tǒng)工作原理天線磁性傳感器測距雷達攝像機同軸電纜磁性標記電子地圖車輛行駛狀態(tài)傳感器：震動、制動壓力、轉速、油門開度、加速度信息處理：交通信息環(huán)境信息車輛間距車道邊緣行駛控制：行駛方向輔助控制傳動控制：油門傳動制動傳動航向傳動信息顯示駕駛轉換行駛控制：速度控制航向控制（2）自動駕駛系統(tǒng) 自動駕駛包括車輛縱向控制和橫向控制?？v向控制是在行車速度方向上的控制，即車速以及本車與前后車或障礙物距離的自動控制，達到提高速度、減小車間距的同時保證安全，即達到安全、高效的目的。 橫向控制指垂直于運動方向上的控制。分為車道保持和車速變換。車

6、道保持的目標是控制汽車自動保持期望的行車路線，車道變換是自動控制車輛安全轉移到目標車道上去。 （1）先進的車輛系統(tǒng)概述AVCS的分類智能化程度（3）自動公路系統(tǒng) 建有通信系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、光纖網(wǎng)絡等基礎設施，并對車輛實施自動安全檢測、發(fā)布相關的信息以及實施實時自動操作的平臺，它為實現(xiàn)智能公路的運輸提供更為安全、經濟、舒適、快捷的基礎服務。它是管理多個自動駕駛車輛的系統(tǒng)，即實現(xiàn)車隊的自動有序運行。系統(tǒng)中的所有車輛可以進行自動駕駛，車輛與車輛之間、車輛與道路之間通過通信實現(xiàn)相互的協(xié)作，達到高效、安全的運行的目的。 （1）先進的車輛系統(tǒng)概述AVCS的分類智能化程度 視野的擴展 縱向防撞 橫向防撞 交叉

7、路口防撞 安全狀況（檢測） 碰撞前乘員保護 自動車輛駕駛 （1）先進的車輛系統(tǒng)概述AVCS的功能視野的擴展 利用車載設備、運輸信息和控制技術，擴展車輛駕駛員的視野，以便在能見度較低、視野盲區(qū)或其它惡劣行駛環(huán)境下，提高駕駛員對路上行人、車輛、障礙物或危險狀況的觀察與判斷能力，及時采取措施，避免交通事故。 子服務： 視野范圍的擴展 視野能見度的提高 （1）先進的車輛系統(tǒng)概述縱向防撞 利用車載和路邊探測、通信和控制技術，對車輛前后方車輛、障礙物和行人等情況進行實時監(jiān)控，并通過向駕駛員和周圍駕駛員的預警和采取輔助駕駛措施，使人、車安全避險。此外，在碰撞發(fā)生時，采取相應的被動安全措施，以減輕碰撞對駕駛員

8、和乘客的傷害。 子服務：追尾防撞 、倒車防撞、正面/會車防撞 （1）先進的車輛系統(tǒng)概述橫向防撞 利用車載和道路設備，自動識別行駛環(huán)境（如道路狀況、路旁設施、其它車輛等），當車輛變換車道或發(fā)生橫向偏離時，判別發(fā)生橫向碰撞的危險程度并向駕駛員發(fā)出警告。 子服務： 變換車道時防止橫向碰撞 車輛產生橫向偏離時避免橫向碰撞 （1）先進的車輛系統(tǒng)概述安全狀況（檢測） 利用車載設備，對駕駛員、車輛關鍵零部件以及路況三者進行監(jiān)控，及時地將本車各非正常狀況的有關信息向本車、鄰近車輛駕駛員和交通管理中心預警，主動采取措施，以保證交通安全。 子服務：基礎設施安全狀態(tài)檢測 、駕駛員身心狀況監(jiān)控 車輛安全狀況監(jiān)控 、對

9、鄰近車輛的預警 （1）先進的車輛系統(tǒng)概述碰撞前乘員保護 利用車載設備，對周圍可能與本車輛發(fā)生碰撞的潛在障礙物進行實時監(jiān)測，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)、信息、分析、判斷發(fā)生碰撞的可能性；對可能發(fā)生的碰撞，及時對駕駛員發(fā)出警告，并根據(jù)其發(fā)生的概率大小，碰撞類型和嚴重程度，適時自動開啟相應的保護裝置，以避免或減輕碰撞發(fā)生時的人身傷害。 （1）先進的車輛系統(tǒng)概述安全輔助駕駛內容 駕駛員監(jiān)測：疲勞、分神 防撞系統(tǒng) 巡航控制系統(tǒng) 視覺增強系統(tǒng) （2）安全輔助駕駛系統(tǒng) 駕駛員監(jiān)測警告系統(tǒng) 估計每年近8000例公路交通死亡事故是直接或間接的由于駕駛員注意力不集中，疲勞或困倦引起的。據(jù)英國汽車協(xié)會的統(tǒng)計，英國因車禍死亡的

10、人中，有十分之一是因為司機疲勞駕駛引起事故。同時有資料表明，高速公路上發(fā)生的交通事故中有50%以上是由于長途駕駛造成疲勞或所見目標單調而形成注意力不集中、甚至打瞌睡等原因造成的。駕駛員疲勞檢測視頻 （2）安全輔助駕駛系統(tǒng) 日本豐田汽車公司研制的“豐田先進安全汽車”上采用了17項最新技術，其中包括打瞌睡駕駛警報系統(tǒng)。它的原理是監(jiān)測駕駛員眼瞼的運動。一旦發(fā)現(xiàn)駕駛員疲勞，系統(tǒng)先向駕駛員提出聲音信號，再發(fā)出薄荷味道和冷空氣來喚醒駕駛員。 生理信號指標最能準確反映人的疲倦程度。其中腦電波EEG被稱為測量睡眠的“金標準”。由于在線檢測腦電波很困難，難以在實車上推廣應用。以色列開發(fā)了一系列的相關駕駛員監(jiān)測器

11、，它應用肌電圖學原理來監(jiān)測駕駛員手腕活動（通過一種無線手腕監(jiān)測器）并通過振動刺激向駕駛員報警。 （2）安全輔助駕駛系統(tǒng) 駕駛員監(jiān)測警告系統(tǒng) 司機在疲勞狀態(tài)下對車輛的控制能力會下降，如對方向盤的操控、踩油門、剎車的力和速度，以及車本身的速度、側加速、側位移等。 西班牙防疲勞系統(tǒng)通過監(jiān)測方向盤的轉向壓力來監(jiān)測駕駛員瞌睡。一旦監(jiān)測到駕駛員疲勞，系統(tǒng)通過閃汽車前照燈和聲音報警來警告周圍的汽車，而且自動切斷汽車燃料供給使汽車停車。 美國戴姆勒克萊斯勒公司開發(fā)了一種監(jiān)測算法，它利用車輛的側向位置，車輪轉向角和縱向車速等信息來監(jiān)測駕駛員疲勞。這種算法在模擬場地實驗中是有效的。 （2）安全輔助駕駛系統(tǒng) 駕駛員

12、監(jiān)測警告系統(tǒng) （2）安全輔助駕駛系統(tǒng) 駕駛員監(jiān)測警告系統(tǒng) 在車輛防撞系統(tǒng)中，涉及到多種傳感器的應用技術，但是應用最為廣泛的是微波雷達、激光雷達和攝像機，特別是在考慮環(huán)境因素的時候，微波雷達是最為常用的。 為了充分利用車輛防撞系統(tǒng),需要研發(fā)出具有一定智能的綜合系統(tǒng)來感知道路環(huán)境的態(tài)勢,將感知信號傳給中心處理系統(tǒng)(車載計算機系統(tǒng))。在發(fā)現(xiàn)障礙物的情況下,處理器能夠根據(jù)從制動、專向、語音、及其他車輛系統(tǒng)控制。障礙物返回雷達信號的時間來確定障礙物的距離,從返回信號頻率的變化可以推測障礙物大小。完全解析返回信號后,就可以通過輸出控制系統(tǒng)及時提醒駕駛員,或通過對車輛相關系統(tǒng)進行調節(jié),如調整節(jié)氣門等。汽車碰

13、撞模擬 （2）安全輔助駕駛系統(tǒng) 防撞系統(tǒng)Distance Warning System for Succeeding Vehic （2）安全輔助駕駛系統(tǒng) 防撞系統(tǒng) 車輛巡航控制系統(tǒng)就是在計算機精確控制下調整車輛節(jié)氣門，從而達到在不同路況下始終保持設定車速的輔助駕駛系統(tǒng)。車輛巡航控制系統(tǒng)主要功能框架，該控制系統(tǒng)就是控制發(fā)動機轉速，從而能夠將車速保持在一定設定范圍內不變，駕駛員不需要操縱加速踏板。 （2）安全輔助駕駛系統(tǒng) 巡航控制系統(tǒng)車速傳感器車輛運動發(fā)動機控制單元目標車速調整器節(jié)氣門變速器路面車輪驅動力 （2）安全輔助駕駛系統(tǒng) 巡航控制系統(tǒng) 駕駛員視覺增強系統(tǒng)已經成為增進駕駛安全研究熱點。大部分

14、發(fā)生的交通事故都是因為駕駛員的視覺太差，或是由于車輛前方的視覺環(huán)境質量太低所至。影響駕駛員觀察周邊物體和交通狀況的主要因素有駕駛員的年齡、天氣狀況、所處時間、駕駛員的健康狀況等，因此任何能增強駕駛員視覺能力的系統(tǒng)就是智能車輛系統(tǒng)中的組成部分。 （2）安全輔助駕駛系統(tǒng) 視覺增強系統(tǒng)傳感器視景系統(tǒng) 前視傳感器實時檢測到的駕駛艙外視見景象，可以由單傳感器生成或多傳感器綜合，其視景接近真實世界的自然景象，將飛機前下方的3D世界通常轉換成透視的2D景象。合成視景系統(tǒng) 由地形數(shù)據(jù)庫存儲的地形模型構建的虛擬視景稱為合成視景。 （2）安全輔助駕駛系統(tǒng) 視覺增強系統(tǒng)增強視景 傳感器視景和合成視景的疊合稱為增強視

15、景。既有實時探測到的自然視景，也有數(shù)據(jù)庫生成的虛擬視景，兩者匹配疊合，即利用虛擬視景的深刻輪廓線去增強模糊視景，在惡劣的氣象條件下可以增強窗外視景的可見性。 （2）安全輔助駕駛系統(tǒng) 視覺增強系統(tǒng) 車輛自動駕駛系統(tǒng)是安全輔助駕駛的高級階段，又是自動公路系統(tǒng)的初級階段，是先進的車輛系統(tǒng)的重要內容。 它是利用傳感器獲取前方道路信息，經過信息融合，自動識別出車輛與目標線的偏差，用一定的控制模型使車輛按既定的目標線行駛的系統(tǒng)。車輛自動駕駛分為橫向控制和縱向控制。橫向控制又包括車道保持和車輛換道。車道保持系統(tǒng)由導航傳感器、方向盤控制機構、車載CPU及相應的控制軟件組成。車道保持系統(tǒng)按照識別道路偏差的方式可

16、以分為視覺導航、磁道釘導航和GPS導航。 （3）車輛自動駕駛系統(tǒng)1.能夠確認自身當前的位置 （3）車輛自動駕駛系統(tǒng) 基本要求2.能夠可靠識別行車路線 （3）車輛自動駕駛系統(tǒng) 基本要求3.能夠控制自身按規(guī)定路線準確行駛 （3）車輛自動駕駛系統(tǒng) 基本要求4.能夠根據(jù)目標及途中情況，規(guī)劃、修改行車路線 （3）車輛自動駕駛系統(tǒng) 基本要求5.行駛過程中，能實現(xiàn)車速控制、車距保持、換道、超車、停車等各種基本操作 （3）車輛自動駕駛系統(tǒng) 基本要求6.能夠適應不同的行駛環(huán)境，并與外界進行聯(lián)系（通信） （3）車輛自動駕駛系統(tǒng) 基本要求7.能夠確保行駛安全，按時到達目的地 （3）車輛自動駕駛系統(tǒng) 基本要求 CCD

17、導航 GPS導航 磁信號導航磁帶信號電纜磁道釘 混合式導航 （3）車輛自動駕駛系統(tǒng) 按導航控制方式分類 CCD 導航 （3）車輛自動駕駛系統(tǒng) CCD導航視覺系統(tǒng)包括CCD攝像機、圖像采集卡、監(jiān)視器等。數(shù)字圖像模擬圖像光學圖像 C C D攝像機圖 像 采 集卡P C I 總 線 顯 示 器顯示卡 系 統(tǒng) 內 存 實 際 道 路 路 面 （3）車輛自動駕駛系統(tǒng) CCD導航 地面設置的白色條帶狀路標，在正常的光照條件下 ，其和黑灰色路面的CCD圖象灰度值會有一定的差異。根據(jù)這種差異和一些先驗知識 ，運用邊緣提取算法，經圖象處理后可以識別出路標，獲得導航所必需的路徑信息。 （3）車輛自動駕駛系統(tǒng) CC

18、D導航原理 車載計算機可以在樣車可能偏離預定車道時，防止其發(fā)生；使用時，不需要對現(xiàn)有的道路結構做變化，并且在混合交通中，也可使用。 （3）車輛自動駕駛系統(tǒng) CCD導航優(yōu)點當風沙、大霧等自然因素致使能見度過低或路面上的白色標線不清晰時，該導航系統(tǒng)不可用。CCD導航技術是涉及自動控制、人工智能、組合導航、信息融合等多學科、多行業(yè)的綜合技術，價格昂貴，難以推廣。 （3）車輛自動駕駛系統(tǒng) CCD導航缺點工作原理：車載傳感器探測路面信號發(fā)生器產生的磁誘導信號，控制系統(tǒng)根據(jù)該信號確定車輛在預定車道上的相對位置，并對車輛的橫向運動進行實時控制。 根據(jù)誘導信號的產生方式，磁信號誘導分為4種：磁帶、電纜、磁道釘

19、及磁道釘電纜混合導航。 （3）車輛自動駕駛系統(tǒng) 磁信號導航信號電纜導航 1996年5月，美國內華達州汽車測試中心WesTrack試驗場進行的無人卡車駕駛試驗，采用在跑道兩邊埋設電纜，在卡車上設置天線的方式來完成車道保持功能。 （3）車輛自動駕駛系統(tǒng) 磁信號導航磁信號信號電纜導航 （3）車輛自動駕駛系統(tǒng) 磁信號導航 穩(wěn)定性好，不受外界環(huán)境，如天氣、其他車輛等干擾； 對前方道路信息反應不足。 （3）車輛自動駕駛系統(tǒng) 磁信號導航 根據(jù)車載傳感器檢測磁場信號，由車載計算機來控制車輛，使車輛能夠自動行駛在規(guī)定的車道上，實現(xiàn)車輛的方向盤控制。 （3）車輛自動駕駛系統(tǒng) 磁道釘導航 （3）車輛自動駕駛系統(tǒng) 磁

20、道釘導航傳感器的安裝 （3）車輛自動駕駛系統(tǒng) 磁道釘導航 Automated Highway System（簡稱AHS），也稱智能公路系統(tǒng)。是建有通信系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、光纖網(wǎng)絡等基礎設施，并對車輛實施自動安全檢測、發(fā)布相關的信息以及實施實時自動操作的運行平臺，它為實現(xiàn)智能公路的運輸提供更為安全、經濟、舒適、快捷的基礎服務。該系統(tǒng)包括車輛自動導航和控制、交通管理自動化、以及事故處理自動化。這是智能運輸系統(tǒng)的最終目標，即實現(xiàn)車、路、人高度一體化。 （4）自動公路系統(tǒng)歷次公開演示試驗 （4）自動公路系統(tǒng) 國內的自動駕駛研究主要集中在CCD導航方式上： 吉林大學 清華大學 國防科學技術大學 國家ITS中

21、心與武漢理工大學ITS中心聯(lián)合研究以磁道釘方式導航的自動駕駛。 （4）自動公路系統(tǒng)國內外研究現(xiàn)狀 早期的自動公路系統(tǒng)的研究和開發(fā)，主要是在美國和日本進行的，其次德國、荷蘭、韓國也進行了一定的研究和實驗。在自動公路系統(tǒng)的試驗研究中，相關的報道主要是下面的幾個公開演示實驗：1995年在日本土木研究所的測試跑道上進行的AHS公開實驗；1996年在日本小諸市上信越車道上進行的AHS實道實驗；1997年在美國圣地亞哥市第15號洲際高速公路上進行的Demo97演示；1998年在荷蘭進行的Demo98；1998年在韓國的天安市進行的AHS演示實驗；1999在美國的哥倫布市交通研究中心進行的Demo99；20

22、00年11月28日12月1日在日本土木研究所進行的Demo2000。 （4）自動公路系統(tǒng)國內外研究現(xiàn)狀DEMO95 Japan 導航方式：CCD技術指標：自動起停 國防科技大學自20世紀80年代起開始研究車輛自動駕駛技術，研制出一系列無人駕駛車輛。2000年6月，第四代無人駕駛汽車在長沙進行全自主無人駕駛試驗，試驗最高車速達到75.6km/h。2003年7月，由中國第一汽車集團公司和國防科技大學合作開發(fā)的自動駕駛轎車在長春成功運行。在正常路況下，在高速公路上行駛的最高穩(wěn)定車速為130km/h，最高峰值車速為170km/h，并且具有超車功能。 （4）自動公路系統(tǒng)國內外研究現(xiàn)狀吉林大學（原吉林工業(yè)

23、大學）智能車輛課題組從20世紀90年代開始進行JUTIV系列視覺引導智能車輛的研究開發(fā)，先后開發(fā)出四代視覺導航自動駕駛車輛。2004年清華大學研制出為車輛安全輔助駕駛服務的車載掃描式雷達探測裝置、具有自主知識產權的電子油門和輔助制動裝置，建立整車控制模型，實現(xiàn)對車輛的安全輔助駕駛。同時也正在研發(fā)車道偏離警告系統(tǒng)。 （4）自動公路系統(tǒng)國內外研究現(xiàn)狀長安大學研制出基于毫米波雷達的高速公路追尾碰撞預警裝置，根據(jù)車輛行駛速度計算出自車與前車之間的安全距離，當自車與前車之間的距離小于安全距離時，裝置通過聲光報警方式提醒駕駛員，減少高速公路追尾事故的發(fā)生。磁誘導技術可以為掃雪車提供防止車輛偏離車道等安全輔助駕駛功能。20042005年，交通部公路科學研究院與新疆公路局合