李錦潤　張玉振　李昊朔

【摘 要】車輛的智能化是當(dāng)今及未來的一種發(fā)展趨勢，避障是需要解決的首要問題。本文設(shè)計(jì)了一種基于模糊PID的深度學(xué)習(xí)的車輛自動(dòng)避障裝置，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測自身車輛周圍目標(biāo)規(guī)避物的出現(xiàn)，定向向目標(biāo)物發(fā)射超聲波判斷臨界值，以確定是否剎車避讓及用多大力度剎車；系統(tǒng)結(jié)合深度學(xué)習(xí)采用模糊PID控制，使其具有自動(dòng)避障能力，避免交通事故發(fā)生，提高安全性。

【關(guān)鍵詞】避障；模糊PID；深度學(xué)習(xí)

中圖分類號： TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）36-0249-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.106

0 引言

在經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展下，汽車逐漸走進(jìn)百姓的家庭，但是各地區(qū)車輛保有量呈現(xiàn)飛速增長，伴隨而至的不僅是便捷的交通運(yùn)輸，還有日益增長的交通事故發(fā)生率，究其原因，在面對突發(fā)情況下司機(jī)沒有反應(yīng)或反應(yīng)過慢導(dǎo)致事故發(fā)生為主要原因。目前市面上的智能剎車器只能檢測車前后方、對新出現(xiàn)的障礙物轉(zhuǎn)變檢測過慢等一系列問題，存在一定的安全隱患，因此沒有大規(guī)模普及。

1 系統(tǒng)介紹

在智能車輛中，更多的路徑規(guī)劃是在地圖己知的情況下建立的。然而，再聚似的駕駛過程中，地圖并不是一成不變的，也存在對地圖一無所知的情況。所以，智能車輛通過傳感器獲得最新的數(shù)據(jù)來修改它的路徑是極其關(guān)鍵的。智能車輛的避障就是這樣實(shí)現(xiàn)的并完成的，隨著車輛行駛道路復(fù)雜性和隨機(jī)性的提高，為了能夠完成復(fù)雜的導(dǎo)航任務(wù)，自主避障能力是必不可少的前提條件。避障系統(tǒng)的構(gòu)成并不復(fù)雜，主要有三個(gè)部分：

（1）避障環(huán)境感知系統(tǒng)：組成部分是各種傳感器，可以采集車輛附近的車流量等各種信息。

（2）避障信息處理系統(tǒng)：通常是一個(gè)微型處理器，可以連接所有的傳感器和控制器。將避障探測系統(tǒng)所收集到的各種信息，基于預(yù)置的控制算法對車輛的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行決策。先進(jìn)的控制算法不僅可以規(guī)劃最優(yōu)的行駛路徑，還可以檢測到行駛行為中的錯(cuò)誤，屬于避障系統(tǒng)中最重要的部分。

（3）避障運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：由各種控制器構(gòu)成，通過接收由避障信息處理系統(tǒng)發(fā)送的信息進(jìn)行對車輛運(yùn)動(dòng)的隨時(shí)分析及預(yù)測[1]。

2 硬件設(shè)計(jì)

該裝置包含有微控制器及分別與之連接的熱成像模塊、GPS通訊模塊、超聲波模塊、自動(dòng)剎車模塊、顯示模塊和電源模塊，所述熱成像模塊采用熱成像儀，所述超聲波模塊包含有用于探測障礙物的超聲波發(fā)射裝置和對應(yīng)設(shè)置的用于接收超聲波信號的超聲波接收裝置，所述自動(dòng)剎車模塊包含有車輛速度盤、指針剎車電連端、接觸開關(guān)、微型電泵、剎車片和彈片，所述指針設(shè)置于車輛速度盤上，所述指針、剎車電連端和接觸開關(guān)由上至下對應(yīng)設(shè)置，所述微型電泵與剎車片、彈片順次連接構(gòu)成剎車組件，上述剎車組件設(shè)置為兩組，分別設(shè)置于輪胎的兩側(cè)，兩組的微型電泵與剎車電連端連接，所述電源模塊與微控制器、剎車電連端、超聲波模塊連接供電，所述車輛速度盤、超聲波接收裝置分別與微控制器連接，所述微控制器上加載基于模糊PID和深度學(xué)習(xí)的控制程序?qū)υ撗b置進(jìn)行自動(dòng)控制，當(dāng)微控制器控制指針壓時(shí)，剎車電連端與接觸開關(guān)接觸，自動(dòng)剎車模塊通電動(dòng)作。

電源模塊包含有太陽能電池板和蓄電池，所述太陽能電池板放置于車輛外部，與之連接的蓄電池置于車輛內(nèi)部與微控制器、剎車電連端連接供電。

所述超聲波發(fā)射裝置間隔性放置于車輛兩側(cè)，每側(cè)至少放置3個(gè)，并且放置位置略高于車輛前保險(xiǎn)杠的高度，所述超聲波接收裝置設(shè)置為與超聲波發(fā)射裝置等高的由多個(gè)超聲波接收器組成的接收帶。該裝置還包含有揚(yáng)聲器，所述揚(yáng)聲器與微控制器連接。

3 實(shí)施方案

利用基于模糊PID的控制程序，優(yōu)化了相關(guān)算法，結(jié)合深度學(xué)習(xí)，在建立了云端數(shù)據(jù)庫的前提下，聯(lián)網(wǎng)通過GPS通訊模塊可以實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，做出判斷，實(shí)現(xiàn)人工智能。

實(shí)施例1：汽車與正直方向車輛之間最小剎車距離的判斷。

設(shè)超聲波波速為V0，車輛出廠時(shí)所測最大剎車加速度為 a，最小剎車距離為Xmin，每隔t0秒發(fā)射一次超聲波，第一次從發(fā)射到接收到超聲波的時(shí)間間隔為t1，第一次兩車間隔為S1，第二次從發(fā)射到接收到超聲波的時(shí)間間隔為t2，第二次兩車間隔為S2，因?yàn)閠0很小，所以認(rèn)為在兩次發(fā)射時(shí)前方車輛速度均為V2，我方車輛速度均為V1，顯然只有V1>V2時(shí)時(shí)，才有撞車可能性[2]。

實(shí)施例2：汽車與斜插方向車輛之間最小剎車距離的判斷。

與正前方車輛判斷最小剎車距離的方法不同，由于發(fā)出的超聲波會在原位置被接收，而此時(shí)車輛本身卻已向前行駛，所以應(yīng)該在超聲波發(fā)射器等高的位置放置超聲波接收器組成的接收帶，使得發(fā)出的超聲波可以被接收。其具體計(jì)算最小剎車距離的方法如圖1所示。

B為第一次發(fā)射超聲波時(shí)我方車輛位置，A為第二次發(fā)射超聲波時(shí)我方車輛位置，C為第一次偵測到的插入車輛位置，D為第二次偵測到的插入車輛位置，超聲波波速為V0，自身車速為V1，兩次發(fā)射超聲波間隔為t0，第一次從發(fā)射到接收到超聲波的時(shí)間間隔為t1，第二次從發(fā)射到接收到超聲波的時(shí)間間隔為t2，插入車輛水平速度為Vx，插入車輛豎直速度為Vy，φ為第一次超聲波發(fā)射方向與車輛前進(jìn)方向的夾角，θ為第二次超聲波發(fā)射方向與車輛前進(jìn)方向的夾角。

插入車輛從D位置插入到我方車輛正前方所用時(shí)間為tc，由圖1可知

將上述兩種情況下將測得的Xmin作為L，經(jīng)過對大量實(shí)際數(shù)據(jù)的觀察分析，測得理想的安全距離為（1+0.2）Xmin，并將該值設(shè)為U，當(dāng)檢測的相對距離越偏離U而接近L時(shí)，PID會加大對剎車的按壓力度從而使兩車之間的相對距離加大從而使檢測值即相對距離再次趨近于U，而且隨著趨近L的度增加，對應(yīng)的剎車力度也會線性增加使得剎車過程更為平緩，不會出現(xiàn)開始時(shí)無動(dòng)作，而達(dá)到時(shí)Xmin直接被迫急剎的極端情況的出現(xiàn)，而將相對距離限制在U附近對于人身和財(cái)產(chǎn)安全來說更加具有保障[3]。一般情況下在車輛正常線性前進(jìn)情況下是可以一直與前車保持在安全理想距離U附近，隨著PID控制使得車輛本身速度的不斷改變，最小剎車距離Xmin也會不斷的進(jìn)行改變，經(jīng)過負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制又會反過來重新影響PID的控制，而通過對其參數(shù)的模糊化調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的持續(xù)調(diào)控，而當(dāng)斜向插入車輛或前方出現(xiàn)新的目標(biāo)時(shí)，可能會使相對距離無限接近于L，此時(shí)車輛便會直接進(jìn)行急剎操作，保證車上乘客人身安全。

如果檢測到的插入車輛只是局部調(diào)整車輛的行駛姿態(tài)，而并沒有想要插入到我方車輛前方，卻會意外在某時(shí)刻導(dǎo)致我方車輛出現(xiàn)誤剎車，針對這種情況，我們在車輛每側(cè)都間隔性的放置3個(gè)超聲波發(fā)射器，當(dāng)兩個(gè)及以上的超聲波發(fā)射器檢測應(yīng)該剎車時(shí)，自動(dòng)剎車才會實(shí)施，否則將被判定為誤剎車情況，不予實(shí)行自動(dòng)剎車。這樣做的目的是盡量避免偶然性，使每一次剎車指令的實(shí)施都是必須和有效的。

自動(dòng)剎車是依據(jù)車輛的最大剎車加速度進(jìn)行判定的，也就是說，執(zhí)行自動(dòng)剎車時(shí)，按鍵會將車輛剎車“踩”到底，也就是我們所說的急剎車，這種剎車可能會導(dǎo)致車上人員引起身體不適或造成身體損傷，因此，在上述兩種情況的最終判定公式中，將Xmin加上某一測定的數(shù)值，再進(jìn)行判定，如果符合，則會向揚(yáng)聲器8發(fā)送指令，使其鳴叫以提醒司機(jī)進(jìn)行輔助剎車，使剎車過程更加緩和，同時(shí)也給車內(nèi)人員提出警告，再不降速，會導(dǎo)致自動(dòng)剎車（急剎車）情況的出現(xiàn)，防止其人身安全受到損害。

4 創(chuàng)新點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)

（1）結(jié)構(gòu)簡單，模塊化連接，易于實(shí)現(xiàn)，利用微控制器結(jié)合超聲波模塊、熱成像模塊、自動(dòng)剎車模塊等，在微控制器上加載基于模糊PID的控制程序，實(shí)現(xiàn)對于車輛周身出現(xiàn)障礙物的實(shí)際情況自行判斷并采取相應(yīng)剎車措施，避免交通事故的發(fā)生，彌補(bǔ)了現(xiàn)有自剎器對左右障礙物檢測的缺失；

（2）依據(jù)最小剎車距離設(shè)置臨界值，依據(jù)到達(dá)臨界值的遠(yuǎn)近程度采取不同的力度剎車，避免過度急剎引起乘車人員的不適，設(shè)置多個(gè)超聲波模塊，避免出現(xiàn)周身車輛局部行車狀態(tài)的調(diào)整等可能引起誤剎車的情況；

（3）利用基于模糊PID的控制程序，優(yōu)化了相關(guān)算法，提高了智控的精度，結(jié)合深度學(xué)習(xí)，通過建立數(shù)據(jù)庫并導(dǎo)入相關(guān)數(shù)據(jù)，在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下，通過GPS通訊模塊可以實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，做出判斷，實(shí)現(xiàn)人工智能；

（4）獨(dú)立模塊化設(shè)計(jì)，便于安裝調(diào)試，以及維修更換等后期操作，具有更好的普適性，適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。

5 結(jié)論

本車以智能車為主，對避障系統(tǒng)進(jìn)行了研究，在基于模糊PID和深度學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上展開分析，并最終尋找到更優(yōu)的智能車避障的方法，達(dá)到了預(yù)期的效果。系統(tǒng)功能完善，具有先進(jìn)性和時(shí)代性，為智能車的避障和駕駛員的安全增添了不少的保障。

【參考文獻(xiàn)】

[1]杜龔，郭達(dá)，張新鋒.智能車避障路徑規(guī)劃方法研究[J]汽車節(jié)能，2016（3）

[2]宋曉琳，潘魯彬，曹昊天.基于改進(jìn)智能水滴算法的汽車避障局部育路徑規(guī)劃[J]，汽車工程，2016，38（2）

[3]蘭嵐.城市智能交通管理系統(tǒng)方案研究與設(shè)計(jì)[D]，西安：長安大學(xué)，2010.