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智能运输系统概论（第三版）普通高等教育“十一五”国家级规划教材21世纪交通版高等学校教材杨兆升于德新主编史其信高世廉主审智能运输系统概论目录第11章先进的公共交通系统第12章先进的交通管理系统第13章城市交通信号控制系统第14章电子收费系统第15章高速公路交通事件管理系统第16章应急指挥调度系统第17章智能车辆与自动驾驶系统第18章交通需求管理第19章智能运输系统标准化第20章ITS评价智能运输系统概论第17章智能车辆与自动驾驶系统概述17.1世界智能车辆的研究与发展17.2基于视觉导航的智能车辆模糊逻辑控制17.3典型智能车辆与自动驾驶系统介绍17.4研究动向分析与问题探讨17.5智能运输系统概论17.1概述ITS是一个开放的复杂的巨型系统，各国各地区的研究侧重点有所不同，其难点和关键技术之一就是车辆的行驶导航和自动驾驶。德国戴姆勒-奔驰汽车公司正在试验一种汽车自动驾驶系统。日本研制了一套包括交通信息、行车安全警报、行车自控和自动驾驶、道路管理等四个方面的系统，从总体上来说代表了目前世界汽车智能技术的最高水平。美国在尝试用几十亿美元的计算机网络最终取代司机的方向盘来驾驶汽车。智能运输系统概论概述17.117.217.317.417.5第17章智能车辆与自动驾驶系统世界智能车辆的研究与发展基于视觉导航的智能车辆模糊逻辑控制典型智能车辆与自动驾驶系统介绍研究动向分析与问题探讨智能运输系统概论17.2世界智能车辆的研究与发展随着城市化的进展及汽车的普及，交通环境日趋恶劣，交通拥挤加剧，交通事故频发，交通问题已经成为全球范围令人困扰的严重问题；20世纪90年代以来，计算机、电子、图像处理等技术飞速发展。智能车辆系统（IntelligentVehicleSystem，简称IVS）智能运输系统概论17.2.1智能车辆的产生与发展智能车辆的研究，追根溯源，应该说起始于20世纪50年代初美国BarrettElectronics公司研究开发出的世界上第一台自动引导车辆系统（AutomatedGuidedVehicleSystem，简称AGVS）。研制AGVS的目的是为了提高仓库运输的自动化水平，应用领域仅局限于仓库内的物品运输。在20世纪六、七十年代，AGVS的研究在西欧许多国家得到了迅速的发展，并将应用扩展到工业生产领域。进入20世纪80年代，国外掀起了智能机器人研究热潮。智能运输系统概论17.2.2智能车辆的研究方向从世界各国相关研究成果来看，目前智能车辆的研究方向主要有以下几个方面：驾驶员行为分析（DriverBehaviorAnalysis）环境感知（EnvironmentalPerception）极端情况下的自主驾驶（AutonomousDrivingonExtremecourses）规范环境下的自主导航（AutonomousNavigationonNomalenvironment）车辆运动控制系统（VehicleMotionControlSystems）智能运输系统概论17.2.2智能车辆的研究方向主动安全系统（ActiveSafetySystems）交通监控、车辆导航及协作（TrafficMonitoring，VehicleNavigation，andcoordination）车辆交互通信（Inter-VehicleCommunications）军事应用（MilitaryApplications）系统结构（SystemArchitectures）先进的安全车辆（AdvancedSafetyVehicles）上述研究可概括为：控、警告系统；半自主式车辆控制系统；自主车辆控制系统。智能运输系统概论17.2.3智能车辆的研究范围智能车辆的研究涉及到计算机测量与控制、计算机视觉、传感器数据融合、车辆工程等诸多领域，可以说，智能车辆的研究是计算机视觉与计算机控制研究在车辆工程上的综合。1）计算机视觉视觉系统在智能车辆研究中主要起到环境探测和辨识的作用。将计算机图像信息与其他背景知识及其他传感器相结合，能快速提取复杂环境中的有用信息，进而产生合理的行为规划与决策。智能运输系统概论17.2.3智能车辆的研究范围2）传感器数据融合目前，在智能车辆领域，除视觉传感外，常用的还有雷达、激光、GPS等传感器。雷达系统可以得到计算机视觉技术比较难以解决的检测对象的距离信息，能准确发现车辆行驶环境中存在的物体，在恶劣环境条件下具有独特的优势。激光系统可以得到车辆的瞬时车辆速度信息及精确的车辆与前方车辆的距离信息，被广泛地应用于避障、超车、防碰撞系统中。智能运输系统概论17.2.3智能车辆的研究范围3）控制理论尤其是智能控制在智能车辆上的应用为实现智能车辆对路径的稳定跟踪，性能优良的控制器是智能车辆必不可少的部分，所以控制理论在智能车辆上的应用是十分重要的。智能控制是一门新兴学科，人们目前认为其包括递阶控制系统、专家控制系统、模糊控制系统、神经控制系统、学习控制系统五个方面。真正的意义上的智能车辆只有在计算机技术和智能控制技术充分发展的基础上才能成为可能。智能运输系统概论17.2.4智能车辆体系结构智能车辆集多种传感器数据融合、视觉信息处理、环境建模、导航、避障等功能于一体。按照智能控制理论，智能车辆系统是一个分层递阶的集散型控制系统，系统一般分为智能级、协调级和执行级。图17-1一种典型的智能车辆体系结构智能运输系统概论目前，从智能车辆控制算法的处理方式来看，可分为串行、并行两种结构。1）串行处理单CPU结构、集中控制方式，即用一台功能较强的计算机实现全部控制功能。多CPU结构、分布式控制方式，即上、下位机二级分布式结构。上位机负责整个系统的管理及复杂的计算、处理等功能，而下位机由多个CPU组成，每个CPU具体复责某一特定的功能。17.2.4智能车辆体系结构智能运输系统概论2）并行处理用通用的微处理器，构成并行处理结构，支持计算，实现复杂控制策略在线实时计算。智能车辆控制专用VLSI，能充分利用智能车辆控制算法的并行性，依靠芯片内的并行体系结构易于解决智能车辆控制算法中大量出现的计算，能大大提高计算速度。用并行处理能力的芯片式计算机（如Transputer、DSP等），构成并行处理网络（如VaMoRs-P系统），其下位机由大约60个Transputer构成。17.2.4智能车辆体系结构智能运输系统概论17.2.5智能车辆技术的应用国家研究单位主要性能美国CarnegieMellonUniversity该研究由美国著名的DelcoElectronics公司捐资赞助。从1986年至1995年相继研究了Navlab-Navlab5型智能车辆。其中Navlab5是由1990年问世的Pontiac运动跑车改造的，视觉系统为一台SonyDXC-151A彩色摄像机，其自主驾驶主要指控制转向轮。Navlab5的自主驾驶的平均速度为88.5km/h，还首次进行了横穿美国大陆的长途驾驶实验日本丰田（TOYOTA）公司该研究由日本丰田公司进行，实验车辆由丰田轿车改造。视觉系统为紧凑型2/3in.而成CCD摄像机，安装在后视镜左侧。1993年进行普通高速公路实验，实验车速为60km/h智能运输系统概论17.2.5智能车辆技术的应用国家研究单位主要性能德国慕尼黑德国联邦国防大学（UBM）和奔驰公司从20世纪80年代初期开始研究，先后研制开发出VaMoRs和VaMoRs-P两种实验车。其中VaMoRs是由一辆奔驰508D型5t面包车改装而成。该车视觉系统由4个小型彩色CCD摄像机构成两组双目视觉系统。1987年VaMoRs自主车曾在一段尚未通车的高速公路上创下自主驾驶96km/h的80年代最高速度。VaMoRs-P由一辆豪华型奔驰500（Mercedes500SEL）改装而成。该系统1995年公布的最高时速达130km/h法国帕斯卡大学和标致雪铁龙汽车公司实验车为一辆标致小汽车。该系统已经在高速公路上进行了几百公里不同路况的行车实验，最高车速达130km/h智能运输系统概论17.2.5智能车辆技术的应用国家研究单位主要性能美国PennsylvaniaUniversity该研究得到HondaR&DNorthAmericaInc.及HondaR&DCompany.Ltd,Japan资助，车辆由HondaAccordLXsedan改造而成，视觉系统为安装在后视镜附近的普通CCD，该系统曾于1999年在普通高速公路上以75Km/h的车速进行过多次实验，效果良好日本KumamotoUniversity该项研究由日本Kumamoto大学计算机科学系智能车辆课题组进行，实验车辆由普通前轮转向轿车改造而成。该车视觉系统为一1/2in.彩色CCD。1998年该车在普通公路及高速公路上进行过实验，实验车速为72km/h智能运输系统概论17.2.5智能车辆技术的应用国家研究单位主要性能德国大众公司和斯坦福大学PassatJunior和TouaregStanley是两台参加过2005及2007城市挑战赛的车辆，展示了斯坦福大学和大众汽车研究的高智能无人驾驶技术。比赛车安装的ACC（自动车距控制系统）、自动驻车辅助系统、侧向辅助系统、防驾驶偏离系统等技术已经运用在包括帕萨特CC、途锐、辉腾等车型上。中国国防科技大学1992年，国防科技大学研制成功了我国第一辆真正意义上的无人驾驶汽车；2000年6月，研制的第4代无人驾驶汽车试验成功，最高时速达76km/h，创下国内最高纪录；2003年7月，和中国一汽联合研发的红旗无人驾驶轿车高速公路试验成功，自主驾驶最高稳定时速130km/h，其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。智能运输系统概论概述17.117.217.317.417.5第17章智能车辆与自动驾驶系统世界智能车辆的研究与发展基于视觉导航的智能车辆模糊逻辑控制典型智能车辆与自动驾驶系统介绍研究动向分析与问题探讨智能运输系统概论17.3.1计算机视觉导航的优点视觉导航与其他传感器相比，具有很多优点：视觉导航能提供更丰富的信息，如导航路径的方位偏差、侧向偏差、弧形弯道、各种标识等，这不仅使相关传感器系统简单、经济，而且使控制器的设计更加灵活方便；用视觉导航时，导航路径铺设、更改都相对来说更加容易，从而使导航成本大大降低；视觉导航能更加容易地提供车辆行车环境的障碍物信息，从而使车辆避障更加容易。智能运输系统概论17.3.2条形状路标检测算法图像预处理由于路面情况复杂，存在着大量干扰因素，如多种多样的光照条件、阴影、杂物、行人车辆、路面不平整、路标受到污染及破损等，最终输出的数字图像质量或多或少有所降低，因此需要对数字图像中的噪声给予去除和修正，以改善图像质量。另外，为了增强对图像的分析和识别能力，还需要突出有用信息，剔除图像中其他景物内容的干扰。智能运输系统概论17.3.2条形状路标检测算法图像预处理从功能上可以将数字图像处理划分为三大类，即：（1）像质改善，如图像锐化、平滑、复原、校正等；（2）图像分析，如边缘与线的检测、区域分割、形状特征测量等；（3）图像重建，如投影图像重建、利用对象生成立体像、全息图生成等。智能运输系统概论17.3.2条形状路标检测算法图像平滑图像平滑属低通滤波图像处理，其目的是保留图像空间频率的低频部分，减少图像的高频部分。低通滤波可以降低图像中的视觉噪声，同时去除图像中的高频成分后，图像中那些不明显的低频成分就更容易显现了。如何在保护图像边缘信息的同时去除噪声也是选取滤波方法时应重点考虑的问题。智能运输系统概论17.3.3模糊逻辑控制特点模糊逻辑控制是基于模糊推理，模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型的对象实施的一种控制。是模糊数学同控制理论相结合的产物，同时也构成了智能控制的重要组成部分。模糊逻辑控制的突出特点（1）系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供现场操作人员的经验知识及操作数据。（2）控制系统的鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及滞后系统。智能运输系统概论17.3.3模糊逻辑控制特点