1、治学求新治学求新 育人唯实育人唯实智能交通系统Intelligent Transportation Systems（ITS）第十三讲：先进的车辆系统主要内容AVCS意义与必要性AVCS概念、本质AVCS系统结构AVCS基础理论与关键技术AVCS的应用AVCS意义与必要性 提高安全增加通行能力减少废气污染，保护环境AVCS意义与必要性 AVCS概念 先进的车辆系统（Advanced Vehicle Control Systems，AVCS）是利用先进的传感器技术检测车辆周围信息，通过信息融合和处理，自动识别出危险状态，协助驾驶员进行安全辅助驾驶或者进行自动驾驶，以提高行车安全和增加道路通行能力的
2、系统。AVCS本质 在车辆-道路系统中将现代化的通信技术、控制技术和交通流理论加以集成，提供一个良好的辅助驾驶环境，在特定条件下，车辆将在自动控制下安全行驶。AVCS结构智能车车路通信系统车车通信系统AVCS涉及的理论与技术基础汽车理论（运动学、动力学）人工智能（神经网络、专家系统）控制理论（最优控制、模糊控制、自适应控制）计算机基础（计算机测试、控制、通讯、管理）电器、电子基础（元器件选择、电路设计、系统调试）传感器（传感器选择、传感器融合）通信理论（有线、无线、卫星、网络）AVCS的关健技术 传感器设计技术（Sensor Design）图象识别技术（Image Identification
3、）导航自动控制技术(Automatic Navigation Control）避障防撞技术（Obstacle Detection&Avoidance）信息通讯技术（Information Communication）人机交互技术(Human-machine Communication)状态监测技术(Condition Monitoring)调度管理技术(Accommodating&Management)车辆安全与辅助驾驶服务领域视野的扩展纵向防撞横向防撞交叉路口防撞安全状况（检测）碰撞前乘员保护自动车辆驾驶 先进的车辆系统应用安全辅助驾驶自动驾驶安全辅助驾驶驾驶员监测：疲劳、分神防撞系统巡航控
4、制系统视觉增强系统驾驶分神检测驾驶员头部跟踪眼动仪疲劳监测基于驾驶员外在特性：眼睑的活动、眼睛闭合、点头动作、嘴部张合等 基于驾驶员生理指标：脑电、心电、皮肤电势和肌肉活动等 基于驾驶行为和车辆参数：方向盘转动频率、油门力度、换档频率、车速、加速度、车辆位置等 基于驾驶员外在特性基于驾驶行为 方向盘监视装置S.A.M.(steering attention monitor)基于车辆运动参数基于智能手机的汽车疲劳驾驶基于智能手机的汽车疲劳驾驶预警方法预警方法1 研究背景研究背景 如果能利用智能手机提取疲劳状态下车辆的运动特性，如果能利用智能手机提取疲劳状态下车辆的运动特性，开发基于手机平台的预警
5、软件，不仅可以减少对开发基于手机平台的预警软件，不仅可以减少对驾驶员驾驶员的干扰，的干扰，而且可以而且可以节约成本节约成本。传统装置存在的问题：传统装置存在的问题：增加了增加了硬件成本硬件成本对驾驶员对驾驶员有干扰有干扰受受光线光线等环境条件的等环境条件的影响影响维护维护更新困难更新困难需要解决的两个问题n机动车驾驶人在疲劳驾驶行为下表现形式是否具有共机动车驾驶人在疲劳驾驶行为下表现形式是否具有共性？这个共性能否用一些统一的指标表示？性？这个共性能否用一些统一的指标表示？n这些指标参数是否可以从智能手机来获取并识别？这些指标参数是否可以从智能手机来获取并识别？2 实验设计n实验目标：实验目标：
6、寻找驾驶人在各种状态下各指标变化特征 n实验路线：实验路线：汉十高速公路，襄阳北出口返回(市区里程30km，高速里程：600km)n实验时间：实验时间：9:00-18:00n实验进度和被试选择：实验进度和被试选择：出租车驾驶人，50人n实验设备：实验设备：脑电、生理采集、智能手机、车道偏离设备2 实验设计n实验采集的数据驾驶人信息实验采集的数据驾驶人信息2 实验设计n实验采集的数据车辆信息实验采集的数据车辆信息2 实验设计实验采集的数据手机采集信息实验采集的数据手机采集信息车速车速横向加速度横向加速度横摆角速度横摆角速度纵向加速度纵向加速度方向盘转角方向盘转角2 实验设计实验步骤：实验步骤：n
7、步骤一：步骤一：被试被要求在实验前夜按照指定的睡眠时间进行休息（7h，5h7h，5h）,实验当天8：00到达指定地点，花5 min时间了解实验车车况和各设备的开启、调节开关的位置；n步骤二：步骤二：实验工作人员通过录像的方式对各设备开始采集第一个数据的时间进行记录用于同步，完成后，车辆出发。观察者此时开始记录第一次被试状态，行驶过程中，观察者每隔5分钟记录一次被试状态，实验工作人员每隔5分钟检查一下所有设备的工作状态，确保数据采集正常；2 实验设计n步骤三：步骤三：车辆在市区行驶约20 min左右进入高速公路，高速上被试需按照10010 km/h的行驶；n步骤四：步骤四：车辆返回出发地时，停止
8、所有设备数据采集，并关闭设备电源，车辆熄火；n步骤五：步骤五：数据储存及处理，实验结束。3 数据分析n根据视频、问卷评定驾驶员疲劳 KSS为疲劳值，值为0时表示驾驶员休息。其中一次实验的KSS数据统计如下图：3 数据分析 脑电评定驾驶员疲劳n驾驶员处于疲劳状态时，大脑的思维活动会降低，从而波及高频脑电会减少，而波会增多；当从疲劳转为瞌睡或睡眠状态时，占主导的脑电频率会逐步降低为慢波波，由于慢波波一般出现在深睡时期，没有对波进行分析。因此，可以采用脑电功率谱的比值R=(+)/描述驾驶疲劳的脑电特征,作为检测驾驶疲劳的指标。3 数据分析 眼动数据评定驾驶员疲劳n当驾驶人处于疲劳状态时，眼球的运动能
9、力会下降，并且眼睛睁、闭周期也会出现明显增加，其中的单位时间内眼睛闭合百分比指标PERCLOS（Percentage of Eye Closure Over Time）最为显著。3 数据分析 生理参数变化评定驾驶员疲劳n生理参数作为一种客观表现驾驶人状态变化的重要参数，本实验采集呼吸（RR）、血流脉冲（BVP）、皮电（SC）三个值对疲劳进行判定。3 数据分析 Iphone数据分析加速度计加速度计陀螺仪陀螺仪GPS原始值accelerationX(G)RotationX(deg/s)motionRoll(deg)speed(km/h)timestamp(ms)时间序列accelerationY(
10、G)RotationY(deg/s)motionPitch(deg)lataccelerationZ(G)RotationZ(deg/s)motionYaw(deg)long合并值 CalculatedAcc(G)MotionRotationRateG(deg/s)althorizontalAccuracymotionUserAccelerationX(G)motionRotationRateX(deg/s)gravityX(G)verticalAccuracymotionUserAccelerationY(G)motionRotationRateY(deg/s)gravityY(G)滤波修正
11、值motionUserAccelerationZ(G)motionRotationRateZ(deg/s)gravityZ(G)3 数据分析 Iphone数据分析00.511.522.533.544.5x 104-2-1012343 数据分析n方向盘低速转向百分比与疲劳状态的关系PMS_均值均值/100%PMS_标准差标准差/100%清醒清醒(KSS=3)0.87850.0493临界临界(4=KSS=5)0.90150.0383疲劳疲劳(6=KSS)0.92910.03091.4521.45251.4531.45351.4541.4545x 104-1.5-1-0.500.511.5Times
12、/Seconds阈值3 数据分析方向盘回转率与疲劳状态的关系SRR_均值均值次次/minSRR_标准差标准差次次/min清醒清醒(KSS=3)1.37650.2635临界临界(4=KSS=5)1.51630.1830疲劳疲劳(6=KSS)2.12910.16873 数据分析n车道偏离与疲劳状态的关系MLP_mean/mMLP_std/mSDLP_mean/mSDLP_std/m清醒清醒(KSS=3)-0.1125 0.27 0.34080.1157 临界临界(4=KSS=5)-0.1332 0.30 0.36520.1040 疲劳疲劳(6=KSS)-0.1166 0.21 0.3888 0.0
13、946 3 数据分析基于手机疲劳驾驶预警模型输入参数：（1）生理节律n驾驶时段（白天、下午或夜间）n睡眠时间（驾驶前24小时睡眠时间）（2）操控稳定性n方向盘低速转向百分比（根据手机的横摆角速度）n方向盘回转率（根据手机的角速度获取）n车道偏离（根据手机软件获取）n车辆位置信息（根据手机GPS获取）n车辆速度信息（根据手机传感器获取）输出参数：驾驶疲劳等级4 结论与展望n结论（结论（1）：）：“方向盘低速转向百分比”、“方向盘回转率”、“车道偏离量”等指标与疲劳状态具有某种定量的关系n结论（结论（2）：）：智能手机可以获取“方向盘低速转向百分比”、“方向盘回转率”、“车道偏离量”n结论（结论（
14、3）：）：有可能直接用手机来识别疲劳驾驶 4 结论与展望n展望（展望（1）：）：用类似的方法可以寻找“分神驾驶”、“药物驾驶”与车辆运动状态的关系n展望（展望（2）：）：在智能手机上开发汽车安全预警系统具有广阔的应用前景：超速预警、危险驾驶行为预警、车道偏离预警、前向碰撞预警。n展望（展望（3）：）：汽车厂商、研究机构如何合作为用户提供优质的的服务？行人检测（Pedestrian detected)智能车灯车灯控制光源已经实用的安全辅助技术ACC-大众MobileEyeGoogle智能车先进的车辆系统应用安全辅助驾驶自动驾驶演变过程过去出行方式的演变徒步、骑马、马车现在蒸汽机汽车的发明、发展发
15、明发展成熟智能汽车时代未来智能设备、信息产业感知、决策、执行依赖于代替人类的腿感知、决策、执行依赖于代替人类的脑下一个领域自动驾驶自动驾驶技术在我们身边室外设施AAA大厦地址（建筑物位置信息）DDD饭店EEE商圈CCC公司精准地址：大厦21012125BBB公司精准地址：大厦16011603AAA饭店门址：503精准地址（房间号等信息）办公室301 各POI位置信息由浅入深，可支持楼层信息、房间号信息等现有交通设施将逐步被路段信号源取代行人利用穿戴设备或其他方式实时显示自身位置自动驾驶技术对生活的改变 高精度卫星定位、智能道路设施（路灯、广告牌）定位/信息交互 采用高清摄像设备监控全路网状况高
16、精度定位+高清晰度摄像设备 高带宽通讯方式支持V2V、V2X的大量信息交互主要功能：自动寻找车主/车位；自动计算路径；感知周围环境 自动泊车出库找到车主/入库找到车位室内设施室内定位系统，支持与车辆交互支持车辆采用图像识别技术自身定位车辆行驶区域与行人区域完全隔离自动驾驶技术对生活的改变机场火车站/地铁A小区B小区无人驾驶公交车/无人驾驶物流车无人驾驶公交车/无人驾驶出租车无人驾驶物流车无人驾驶公交车/无人驾驶出租车无人驾驶物流车无人驾驶出租车无人驾驶代步车无人驾驶物流车无人驾驶出租车无人驾驶代步车无人驾驶物流车无人驾驶公交车/无人驾驶出租车无人驾驶物流车无人驾驶公交车/无人驾驶出租车无人驾驶
17、物流车其他地区（餐饮、医疗、游览、购物）场景描述：智能出行（示意图）主要交通枢纽其他生活区自动驾驶技术对生活的改变自动驾驶应具备的功能1.能够确认自身当前的位置 2.能够可靠识别行车路线自动驾驶应具备的功能3.能够控制自身按规定路线准确行驶自动驾驶应具备的功能4.能够根据目标及途中情况，规划、修改行车路线自动驾驶应具备的功能5.行驶过程中，能够可靠实现车速控制、车距保持、换道、超车、停车等各种必要的基本操作自动驾驶应具备的功能6.能够适应不同的行驶环境，并与外界进能够适应不同的行驶环境，并与外界进行联系（通信）行联系（通信）自动驾驶应具备的功能7.能够确保行驶安全，按时到达目的地自动驾驶应具备
18、的功能自动驾驶导航控制方式分类CCD导航GPS导航磁信号导航 磁带 信号电缆 磁道钉混合式导航 CCD CCD 导航导航视觉系统结构及工作原理视觉系统包括CCD摄像机、图像采集卡、监视器等。数字图像模拟图像光学图像 C C D摄像机图 像 采 集卡P C I 总 线 显 示 器显示卡 系 统 内 存 实 际 道 路 路 面视觉导航的基本原理 地面设置的白色条带状路标，在正常的光照条件下，其和黑灰色路面的CCD图象灰度值会有一定的差异。根据这种差异和一些先验知识，运用边缘提取算法，经图象处理后可以识别出路标，获得导航所必需的路径信息。视觉导航的基本原理路径信息获取过程及方法 采集图像 滤波 图像
19、二值化 利用边缘检测算法确定路标边界及其中心点作标 进行野点剔除 进行路径标线回归拟合 计算侧向距离偏差与方位偏差 若图像坐标系建立在图像中心点，参考右图，可定义车辆对路标的位置偏差为图像中心与路标中心线的距离；车辆对路标的方位偏差为Y轴与路标中心线的夹角。确定了车辆相对于导航路标的侧向偏差和方位偏差，则能够通过车辆转向控制器，控制车辆的运动轨迹，保证车辆对目标路径的稳定可靠跟综。e de 噪声 路标 222 象素 308 象素 图 1.图像窗口及控制参数定义 图象窗口 baxy 视觉导航的优点 车载计算机可以在样车可能偏离预定车道时，防止其发生；使用时，不需要对现有的道路结构做变化，并且在混
20、合交通中，也可使用。视觉导航方式的缺点当风沙、大雾等自然因素致使能见度过低或路面上的白色标线不清晰时，该导航系统不可用。CCD导航技术是涉及自动控制、人工智能、组合导航、信息融合等多学科、多行业的综合技术，价格昂贵，难以推广。GPS导航 GPS导航是根据全球定位系统的信息进行导航。1997年美国AHS技术可行性演示会上，就有这样的样车展示。磁信号导航工作原理：车载传感器探测路面信号发生器产生的磁诱导信号，控制系统根据该信号确定车辆在预定车道上的相对位置，并对车辆的横向运动进行实时控制。根据诱导信号的产生方式，磁信号诱导分为4种：磁带、电缆、磁道钉及磁道钉电缆混合导航。磁信号导航信号电缆导航 美
21、国内华达州汽车测试中心WesTrack试验场进行的无人卡车驾驶试验，采用在跑道两边埋设电缆，在卡车上设置天线的方式来完成车道保持功能。磁信号信号电缆导航磁信号磁带导航磁信号磁道钉导航磁信号导航的特点稳定性好，不受外界环境，如天气、其他车辆等；对前方道路信息反应不足。混合导航磁带及磁道钉示意图 控制技术 传统控制 智能控制 模糊控制 神经网络控制 学习控制 进化控制 参考输入输出 模糊控制器的结构模糊控制器的结构模模糊糊化化汽车模糊模糊推推 理理清晰清晰化化知识库知识库模糊控制器模糊控制器横向偏差横向偏差e横向偏差横向偏差变化变化de角度u 检测信号参考输入输出 神经网络控制器的结构神经网络控制
22、器的结构汽车神经网络控制器神经网络控制器角度u 检测信号车辆智能化发展过程手动档自动档巡航控制自动驾驶在交通环境下的智能驾驶智能（自动）公路系统自动公路系统也称智能公路系统。是建有通信系统、监控系统、光纤网络等基础设施，并对车辆实施自动安全检测、发布相关的信息以及实施实时自动操作的运行平台，它为实现智能公路的运输提供更为安全、经济、舒适、快捷的基础服务。该系统包括车辆自动导航和控制、交通管理自动化、以及事故处理自动化。这是智能运输系统的最终目标，即实现车、路、人高度一体化。IHS是智能运输系统技术难度最大的子系统之一。历次公开演示试验时间时间国家国家规模规模技术指标技术指标主要技术主要技术19
23、95日本日本 自动起停自动起停同轴电缆（同轴电缆（LCX），），CCD1996日本日本1300人人自动起停自动起停同轴电缆（同轴电缆（LCX），磁钉），磁钉1997美国美国3500人人100Km/h，车道保持，车道保持，自动加减速，车队编排自动加减速，车队编排磁 道 钉、磁 道 钉、G P S,雷 达、雷 达、CCD1998荷兰荷兰2700人人25Km/h5.8-GHz短程微波、短程微波、CCD1998韩国韩国 80Km/h，车道保持，自，车道保持，自动加减速动加减速路路-车短程通信导航车短程通信导航1999德国德国130人人80Km/h，车道保持，自，车道保持，自动加减速动加减速人工车辆引航
24、人工车辆引航1999美国美国300人人 3M磁带、磁道钉导航磁带、磁道钉导航2000日本日本2400人人100Km/h，车道保持自，车道保持自动加减速，障碍物饶行动加减速，障碍物饶行磁道钉、雷达、磁道钉、雷达、CCD、路、路-车短程通信导航车短程通信导航DEMO95 Japan 导航方式：CCD技术指标：自动起停自动起停DEMO96 Japan 导航方式：LCX，雷达，雷达技术指标：自动起停自动起停录像录像DEMO97 USA导航方式：磁道钉，磁道钉，CCD技术指标：100Km/h，车道保持，车道保持，自动加减速，车队编排自动加减速，车队编排录像录像DEMO98 Holand 导航方式：5.8
25、-GHz短程微波、短程微波、CCD技术指标：25Km/hDEMO98 South Korea导航方式：磁道钉，雷达、磁道钉，雷达、CCD技术指标：80Km/h，车道保持，自动加减速，车道保持，自动加减速DEMO99 Germany导航方式：人工车引航、雷达、人工车引航、雷达、CCD技术指标：80Km/h，车道保持，自，车道保持，自动加减速动加减速DEMO 99导航方式：磁道钉，磁道钉，3M磁带磁带技术指标：100Km/h，车道保持，车道保持，自动加减速，车队编排自动加减速，车队编排汽车入库试验汽车入库试验汽车倒车试验汽车倒车试验车队（车队（3车）试验车）试验自动停车试验自动停车试验车队编排试验
26、车队编排试验DEMO2000 Japan导航方式：磁道钉，雷达、磁道钉，雷达、CCD技术指标：100Km/h，车道保持，车道保持自动加减速，障碍物饶行，避碰自动加减速，障碍物饶行，避碰DEMO 2000 Japan 技术应用 特殊场合投入实用，如美国西部扫雪车。部分技术应用部分技术应用美国西部扫雪车导航美国西部扫雪车导航国内研究现状n国内的自动驾驶研究主要集中在CCD导航方式上：n吉林大学n清华大学n国防科学技术大学n军事交通学院n西安交通大学n国家ITS中心与武汉理工大学ITS中心联合研究以磁道钉方式导航的自动驾驶。基于磁道钉导航的车道保持系统 根据车载传感器检测磁场信号，由车载计算机 来控
27、制车辆，使车辆能够自动行驶在规定的车道上，实现车辆的方向盘控制。硬件系统总图美国主要硬件设备主要硬件设备磁道钉磁道钉主要硬件设备主要硬件设备传感器传感器主要硬件设备主要硬件设备工控机主要硬件设备主要硬件设备转向执行机构转向执行机构传感器的安装获取信号A/D转换数据处理控制模式转 角转 向电机控制卡汽车转向机构步进电机汽车状态计算横向偏移信号采集系统执行系统计算机系统控制系统逻辑图控制系统逻辑图正中行驶感应电压波形图 12345678abcde12345678abcde排序算法区域分布示意图排序算法区域分布示意图1区区:abcde 2区区:bacde 3区区:bcade4区区:cbdae 5区区
28、:cdbea 6区区:dceba7区区:decba 8区区:edcba12345abcde阵列算法区域分布示意图阵列算法区域分布示意图1区域区域:max=a 2区域区域:max=b 3区域区域:max=c4区域区域:max=d 5区域区域:max=e执行机构步进电机减速器汽车转向传动系参考输入输出 模糊控制器的结构模糊控制器的结构模模糊糊化化汽车模糊模糊推推 理理清晰清晰化化知识库知识库模糊控制器模糊控制器横向偏差横向偏差e横向偏差横向偏差变化变化de角度u 检测信号我们的试验道路日本试验道路日本试验道路实实车车试试验验道道路路试验样车试验录像国际发展趋势 美国 2003年用公共汽车和大卡车做演示试验 日本 计划近几年内逐步投入实用日本日本AHS规划规划 美国发展计划信息提供与预警n道路前方事故预警n紧急通告：灾害、拥堵等n周边车辆位置显示行车辅助n纵向避碰n车道保持n完全自动的高密度驾驶小 结AVCS意义与必要性AVCS概念、本质AVCS系统结构AVCS基础理论与关键技术AVCS应用
