2008年1月22日星期二

关于车辆跟驰模型验证的思考

引言
不管哪一种车辆跟驰模型,都需要验证模型的有效性。那么如何验证呢?显然要先设定前车的行驶行为,然后通过对比模型的输出与实际情况下驾驶行为得出结果。
如何判断模型结果的好坏呢?主要有以下两种方法:一是仅仅通过观察实际的跟驰行为,人为的判断是否和实际情况相同;二是通过跑车实验,得出在实际情况下,面对设定的前车行驶行为,后车会有如何的跟驰行为,获得其速度、加速度及与前车的距离等数据,再与模型的输出进行对比。
显然,第二种方法更有说服力。已有的采集实际情况下后车跟驰数据的方法,主要是用五轮仪测速度、加速度,用前向雷达或摄像机测量与前车的距离。下面简单分析一下上述几种数据采集设备的优缺点。
数据采集设备分析
五轮仪
五轮仪是一种汽车行驶性能检测的综合仪器,分为接触式和非接触式两种。接触式五轮仪外形很简单,一个独轮(类似电动车的车轮)由一个支臂连接到被检测的车辆上(后方或侧方),由于象汽车四个轮子多出来的一个第五轮,所以简称“五轮仪”。该轮有适当的压力紧贴地面,由该轮的直径和转数可以产生准确的行驶距离,结合精确的计时器、车辆的各种操控信息汇集到仪器的主机,根据需要测出精确的车辆性能数据,如最高车速、最低稳定车速、0-100km的加速时间、各种时速下的制动距离、百公里油耗等等多种参数,有的还能测出行驶稳定性相关数据。
非接触式第五轮仪以计算机为核心部件,配以相应的I/O接口及外设,不需要路面接触或设置任何测量标志,采用光电相关滤波技术,安装在车上的光电路面探测器(简称光电头)照射路面,把路面图像变换为频率信号,用于汽车动力性、制动性和燃油经济性能的测试。
五轮仪的优点是精度高,缺点是无论是接触式还是非接触式五轮仪,主要是用于测试新车的动力性能等数据,测试条件要求高,要求尽量选择接近国家试验要求的标准路面进行试验,受天气影响较大,不宜在雨雪道路情况下使用。用句俗话说就是太娇贵了,不适合实际复杂情况下采集数据。
车用雷达
再来看看车用雷达。按测量介质不同,可将车用雷达分为超声波雷达、红外雷达、激光雷达以及微波雷达。超声波雷达、红外雷达因其探测距离相对较短,目前,主要应用于汽车倒车控制系统。激光雷达和微波雷达因其具有测量距离远、精度高等优点,被广泛应用于车辆主动安全控制系统。
激光雷达的优点是结构相对简单,具有高单色性、高方向性、相干性好、测量精度较高、探测距离远、能识别道路状况、价格便宜等特点。缺点是测量性能易受环境 因素干扰,在雨、雪、雾等天气情况下,测量性能会有所下降,受测量原理限制只能传递相对距离信息。按测量原理不同可分为脉冲式激光测距雷达和相位式激光测距雷达2种。
微波雷达探测距离远、运行可靠、测量性能受天气等外界因素的影响较小,可以获得主车与目标车辆间距离、相对速度,有些雷达还可获得相对方位角和以及相对加速度等信息,但价格比较昂贵。按测量原理不同,可分为脉冲调频(pulse frequency modulation,PFM)和调频连续波(frequency modulation continuous wave,FMCW)。
车用雷达首先要解决的技术难题就是减少雷达的误报。由于车辆在道路中行驶状况十分复杂,并线、移线、转弯、上下坡以及道路两旁的静态护栏、标志牌,还有各种恶劣天气的影响等,使得雷达对主目标的识别十分困难,误报率很高。这就使得实际复杂情况下采集与前车距离数据得不到保证。
摄像机
用摄像机记录跟驰状态下两辆车的运动状态,经过图像处理,来获取不同时刻后随车相对于实验车的位置和速度与加速度统计值。这样的方式处理难度大,精度低,资料适宜作为方便研究人员后期回顾跟驰历程的资料。
GPS采集数据
从上述对已有数据采集设备的分析可以看出,面对复杂实际情况,尤其是雨雪等恶劣条件下的车辆跟驰数据采集,还存在一定的局限性,有待于进一步的改进。机场场面在恶劣的天气条件下仍要保持运行,这就要求对此时的跟驰行为进行数据采集,这样才能验证模型在此种情况下的契合程度。
结合我们现有的条件,提出使用GPS采集车辆跟驰数据的方案。GPS的优点是全天候,不受天气、道路情况的影响,缺点是单点GPS精度一般不高,这可以通过使用高精度GPS或差分GPS来弥补,即将购买的使用RTK技术的DGPS精度可达到厘米级,且没有任何累加误差,完全可以满足车辆跟驰数据采集的要求。已有的JGG100精度比一般的单点GPS精度高至少一个数量级,也基本可以满足要求。通过在前后两辆车上加装DGPS终端,记录下全程位置信息,通过后期处理,可以轻松得出全程的速度、加速度及前后车距离信息。但GPS方式另一个问题是输出更新率的问题,现在一般都是1Hz,这对于一般跟驰是足够了,但对于高速紧急刹车等速度急剧变化的情况显得有些力不从心。可以考虑在后期处理时添加判断条件进行处理,可以部分弥补这个弱点。
结论
由于现阶段高精度的DGPS还没有到位,为了加快论文的进度,可以先采用高精度单点GPS代替。在实验室的静态实验表明,普通单点GPS(GPS25-LVS板)的精度大概在4-5米,而高精度单点GPS(JGG100板)比前者高至少一个数量级的精度,这样可以推断后者的动态误差应该可以到达米级左右,这样就可以基本满足中高速下的跟驰数据采集的要求。可以先进行这部分实验,获得数据对论文中的模型进行标定。

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