北京航空航天大学学位论文I F同向干扰车在前方纵向安全间距内 A N D 同向干扰车速度比 本车快 A N )同向干扰车与本车的横向间距小于横向安全间趾 A N D 在让道区域内有逆向干扰车T HE N 加速I F逆向干扰车在前方 A N D 逆向干扰车与本车的纵向间距小于 纵向安全间距A N D逆向 干扰车与本车的横向 间距小于 横向安 全间 距T HE N 会车通过连续的使用这些行为，或者同时在一种行为实现中加入对其他类型行为的处理，虚拟人就可以 进行较复杂的驾驶行为了。3 . 4 . 3行为决策函数的实现 虚拟人对驾驶行为的实现也是其智能行为模型的一个重要的 环节。 本课题中规则是虚拟人智能驾驶行为实现的手段， 规则的行为决策定义为行为决策函数方式， 其函数内容就是虚拟人驾驶决策的实现过程， 即 虚拟人如何使用转向 或变速行为， 来完成这些行为决策。这一部分内容对应于驾驶行为分层结构中第三层即操作层内容。3 . 4 . 3 . 1图 像发生器的动态显示原理 图像发生器能动态显示物体运动的过程， 其原理如下: 每一帧进行图像刷新时， 用户都要通过控制程序将物体在这一帧的六个运动控制信息( 有关运动控制信息， 详见2 .3节) 包括位置和方向 角都输入到图像发生器中， 图像发生器经过重新计算再将新的图 像显示出来，图像发生器以每秒 6 0帧的速度进行刷新，观察者就可以从图像发生器的显示屏幕土看到物体的运动过程。公式2 . 1 给出了虚拟环境下运动物体的运动速度定义即相邻两帧间虚拟物体的位移除以 帧间隔时间， 因此由 速度与帧间隔相乘就得到物体每帧前进的位移， 在物体上一帧位置基础上进行累加即可得到本帧物体所在位置。 同 理， 每一帧将虚拟人驾驶车辆的位置和方向角输入到图 像发生器中，图像发生器即可动态显示虚拟人驾驶车辆的位置变化和方向变化过程。 在虚拟人驾驶行为中，除车2 9北京航空航天大学学位论文的位置和方向角变化外， 虚拟人的手臂可转动方向盘表示进行方向角调整， 脚可蹬踏踏板表示进行速度的调整。车的加减速是由每帧根据加、减速度调整速度实现。3 . 4 . 3 . 2对于 局部路径规划类行为的实现方法 虚拟人在处理静态地形中的局部路径规划问题，如障碍物躲避、弯道行驶时，没有虚拟人的意图参与， 本质上属于虚拟世界的导向行为，即在前进中根据当前虚拟环境确定可 行路径，行为的实现相对简单。 通用的局部路径规划的解决方案是采用包络线方法， 包络线方法是指根据要处理物体的儿何外形， 用安全偏移量即车辆与物体的横向安全间距来对其本身形状进行外延，外延后的各外形点就作为安全行驶路径的特征点。原理如图3 . 7 所示:黑色的圆点就是路径的 特征点。 本课题中 采用三次B样条函数在路径特征点间插值得到行车路线， 其优点是，插值出路线的过渡比 较光滑，方向角变化较小。横 向 安 全 间 距- ， / - 气/ 沪一安 全 行 驶 路 径障碍 一 丈 扮 图3 . 7 包络线原理二次B 样条插值原理2 2 1如下:设区间 a , b 上的样条节点等距 h _ b-a( 式3 . 1 )式中:n 一 插值点个数减一3 0比 京航空航天大学学位论文a , b 一 插值区间对于某个1 ，二次B样条基函数为:曰_x 一 x.& 2 , ( 一) = h6 h 一 ” ( 式 1 2 )二次B样条插值函数为:x 一x j _ , ha_x_b( 式 3 . 3 )c ， 系 数 ， 是 由 各 插 值 点 的 值 及 首 尾 切 矢 的 值 解 方 程 求 出 ， 此 时 插 值 函 数 的 边 界x)中s(其条件为首尾的切矢值确定。方程关系式如下:C o = C z 一 2 h y n( 式3 . 4 )C n a 2 = c+ 2 妙。( 式3 . 5 )以 及关于cc .， . 。 ， 的n + l 元线性方 程组:yy气6句.6yIles十十eseses.esJ l4d.勺B 二v其中: 4 2 1 “=一( 式 3 . 6 )6 y o + 2 h y o6 y 。 一 2 彻。 c 二 ( c c 2 , ， + ， ) ， y 参 数 及 其 导 数 即 插 值 点 的 值 及 其 导 数 由 式3 .4 , 3 .5 , 3 .6 可 以 解 出 各 c ， 系 数 值 ，将 求 出 的 各 c ， 系 数 值 代 入 式3 .3 中 ， 即 可 得 到 曲 线 的 插 值 函 数 。 欲 求曲 线 上 某 点 的 值 ，将 该点x 坐标 代入 插 值函 数中 便 可得到 相 对 应y 坐 标; 欲求 整 条曲 线， 取合 适步长 逐次将各点x 坐标代入插值函数中便可得到。北京航空航天大学学位论文 当虚拟人驾车进行障碍物躲避或弯道行驶时， 由障碍物或弯道的几何形状外延可得到安全行驶路径的 特征点， 这些特征点做为路径曲线的插值点， 可得到路径曲线的插值函数。 根据图像发生器的动态显示原理， 每一帧都必须将虚拟人驾驶的车 ( 本车) 所在的位置和方向角输入图像发生器， 才能正确得到其运动过程。 因此虚拟人实施局部路径规划行为， 每一帧都要得到路径曲 线相应点位置， 其实现是以 每一帧本车前进的位移为步长， 逐点对插值函数进行计算，即可得到每一帧本车所在的位置， 整个曲线的计算过程就是虚拟人沿路径曲线驾驶的过程。 而本车运动的方向角， 即本车从当前点到下一点的方向 变化，可由 车的前后两位置点 之间连线的斜率得到，同时此斜率也在式3 . 6 计算中作为导数值使用。 图3 . 8 是一个两帧间的运动过程示意图。图中 虚拟人驾车沿X方向前 进， Y ( n ) , Y ( n + I ) 分 别 为 第n 帧 将 横 坐 标x ( n ) 和第n + l 帧 将 横 坐 标x ( n + 1 ) 代 入 插 值函数所得到的路径曲 线上的点， x ( n + l ) 和 x ( n ) 之间为步长即每一帧本车运动的位移，Y ( n + l ) , y ( n ) 之间的 连线与水平线之间的夹角a ，即为本车的方向 角。步长:每一帧车运动的位移图3 . 8 插值过程示意3 . 4 . 3 . 3对于车辆处理类行为的实现方法 虚拟人驾驶本车遇到其它干扰车辆时，要实现有意图的行为规划，如超车、让道、加速、 会车 ( 处理迎面而来的车) 等有驾驶行为。 现实世界中驾驶行为的实现虽是千差万别的复杂的车辆运动过程， 但却有规律可循。 驾驶行为研究者和交通法规制定者归纳出许多驾驶行为规律。 本课题中对上述行为决策的实现就参考了 这些规律。 驾驶规律既3 2 匕 京航空航天大学学位论文体现为怎样实施驾驶决策，包括这些过程中行车路线一般怎样的、速度一般怎样变化;又 体 现为 经验值的 选 择。 此处 主 要参考 的 文 献是 汽车 行 驶安 全基 础知识 ! 12 1和驾 驶行为 理沦方 法12 3 1 。经验值的选择是指横向安全间 距、纵向安全间距、加速的最大值和一般值，减速的一般值， 刹车速度等数据， 它们辅助驾驶决策的实施。 这些经验值是由 驾驶行为研究的统计数据得出的参考值， 是大多数驾驶者采用的， 代表了普遍的驾驶行为。 这些数据或以统计数据表格列出，或以速度函数表示。如表3 . 1 列出横向安全间距 ( 表中称侧向安全间距)的统计值。 表 3 . 1两车车速与横向间距的关系|.际口两车车速相同 公翻向最小安个轮距路边的最9 ! / 小时)卡间距 米 )小距离 ( 来)0. 500. 57:一0.840 : 一洲一翎40一一川州刃 一 一 。 7”一 仁。 “ 0.89_一一一 0卜;二一oo一1 一 此类有意图的 行为规划都是利用路线规划或速度变化来实现， 现以超车和加速这两种较有代表性的行为实现为例， 描述虚拟人怎样利用驾驶知识实现其行为过程。 本课题设定， 在行为实现中， 虚拟人驾驶的 本车以匀速实现路线规划， 而干扰车保持其匀速直线行驶。 1 ) 超车行为 由安全驾驶知识可知，正常超车过程是:开始跟车，与前车O P 离 2 0 _ 3 0 来a lt 4 T : tt h w北京航空航天大学学位论文越， 超越后必须在距离被超车至少2 0 米外再驶入正常线路。 一般的路线图如图3 . 9 所示。图3 . 9一般超车路线图在等速超车的过程中，其超车距离可用下面的近似公式计算:s 一 2 s ， 一 二 一 v , 一v 2式中:s 一 超车距离即纵向位移s ， 一 两车的 行驶间 距， 取两车的 纵向 安全间 距，行处理v ， 、v 2 一 两 车 的 速 度( 式 3 . 7 )即此时虚拟人要对前面的干扰车进 参考一般超车路线图， 若虚拟人根据情况决定采取超车， 其行为的实现是: 由 式3 . 7算出近似超车距离，即超车过程中本车 ( 虚拟人驾驶的车辆)的纵向位移S :根据两车并行时横向安全间距和本车现在的横向 位置计算出 本车的最大侧向 位移L ， 此时设定本车在其纵向位移的中点;然后分别取纵向位移 1 / 4 处点 a l 和 3 / 4 处点a 2 ，其侧向位移L I , L 2 的确定由 一个系数 ( ll与最大侧向 位移L 相乘得到，系数太小会引 起超车过程中碰撞、太大会使行车路线变长，经过不断测试、调整，最终确定为 0 . 6 。这些纵向位移和侧向位移分别作为超车路线插值点的二维坐标， 五个插值点分别为( 0 , 0 ) . ( 1 / 4 ,L l ) 、 ( I / 2 , L ) , ( 3 / 4 , L 2 ) 和 ( 1 , 0 ) a 图3 . 1 0 表示超车路线的 插值原理。白 色矩形表示被超车， 直线是其移动轨迹; 灰色矩形表示本车，虚线是其原来的路线，灰色矩形所在的五个位置点即是其路径插值点。3 4北京航空航天大学学位论文用前述的三次B样条插值的方法对这些插值点进行插值，就可得到车的超车轨迹。图3 . 1 0超车路线的插值原理让道， 会车的实现原理与此相同， 不同的是纵向 位移: ， 此处不再详述其实现过程。让道的纵向位移计算公式是:s= 2 s ， 一 一 卫 一( 式 3 . 8 )v Z 一丫 1会车的纵向位移计算公式是:s= 2 s ， 一 ! - 一( 式 3 . 9 )v , + v 2 2 ) 加速行为 当虚拟人为了避免和后面干扰车发生追尾事故实施加速时， 其过程为: 根据自己的车速与后面干扰车的车速， 先计算出 达到两者最小间距的加速度， 如果此加速度比一般加速度小，则使用一般加速度;若此加速度大于一般加速度，则还要与最大加速度进行比 较， 若此加速度比 最大加速度还大， 则表明此时虚拟人驾驶的车来不及加速， 会发生碰撞，反之则使用此计算出的加速度进行加速。如图3 . 1 1 为此过程的流程图。 加速度的计算公式是:a ,=s ，一s ,2 ( v , - v 2 ) 2( 式 3 . 1 0 )式中:a 。 一 计 算 加 速 度s ， 一 纵向 安 全间 距3 5北京航空航天大学学位论文.S _ 一 最小间 距，为纵向 安全间距的一半、 。 、V 2 一 两 车 的 速 度 进行速度比较时所使用的一般加速度取为 I 米/ 秒，最大加速度取为 1 . 8米/ 秒，均为 统 计 数 据 12 31使用计算加速度图3 . 1 1加速行为流程图减速的实现原理与加速相同， 不同的是计算减速度要与刹车速度进行比较， 如果大于刹车速度表示来不及减速，会发生碰撞。 减速度的计算公式:二 一 .S - S . 2 ( v ， 一 V , ) 2( 式 3 . 1 1 )3 . 5 小结 本章研究了 真实世界中驾驶行为的分层结构和虚拟世界中的智能行为。 经过方案比较， 选择基于规则的方法实现了 虚拟人的智能驾驶行为模型。 分别对应于虚拟人的驾驶行为决策的做出和行为的实施，给出了规则的具体定义和各种行为决策函数的实现。3 6