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无人驾驶汽车半物理仿真系统的设计

【摘要】:智能决策系统是无人驾驶汽车中最重要的部件,其智能决策水平直接决定了无人驾驶汽车行驶时的安全性与可靠性。为了构建性能可靠的智能决策系统,在研制过程中对其进行充分测试以尽早暴露系统中存在的各种设计缺陷是一条重要途径。在实车实验受限的情况下,有鉴于半物理仿真技术的诸多优点,将来应该成为无人车智能决策系统分析、设计与验证的重要手段。 目前,半物理仿真技术已经被广泛应用于汽车电子产品的研究与设计活动中,但还没有发现应用在无人车智能决策水平验证上的案例。无人车半物理仿真作为仿真理论中一个比较新颖的应用方向,可以对无人车智能决策水平进行评估。在把无人车半物理仿真系统应用于实验之前,对其工作原理、系统结构及其仿真可信度进行深入细致地研究是确保仿真系统具有较高可信度的前提条件。 首先回顾了汽车的发展历程以及目前汽车普遍存在的安全性问题,进而引出无人驾驶汽车的概念。概述了仿真理论与仿真技术的国内外发展现状,重点描述了半物理仿真技术在汽车工程尤其是汽车电子产品上的应用情况。介绍了仿真可信度理论的基本概念以及各种技术规范的发展情况,具体论述了仿真系统可信度研究的方法,同时也对仿真技术的应用现状作了说明。 从仿真系统的技术需求出发,设计出半物理仿真系统的整体结构,并详细阐述了整个半物理仿真系统的工作原理。针对无人车智能决策水平的测试内容,给出虚拟交通场景的总体设计框架以及几种典型的测试道路结构。针对从虚拟环境中获取信息的问题,简单建立了从两维图像中恢复出三维信息的图像处理算法。 在半物理仿真系统的具体使用要求下,对并联机构的运动学反解作了计算。将并联机构划分成三个四面体,并结合泰勒级数展开与牛顿—拉夫森数值计算方法得出并联机构的运动学正解。同样,在无人车半物理仿真的具体要求下,确定出并联机构运动平台的速度、加速度、角速度以及角加速度,并计算出并联机构各驱动器的速度、加速度、角速度与角加速度,按照牛顿—欧拉方法建立系统的动力学方程。基于模型控制方法,设计PD控制器对并联机构的运动轨迹进行控制。考虑到通常的标定算法需要计算运动学正解的不便,文中把标定问题转化成在已知运动平台位姿(位置与姿态)的情况下,计算驱动器的测量长度与计算长度之间的残差,并以最小二乘迭代法计求解并联机构的运动参数。给出了并联机构的自然振动频率计算。 作为半物理仿真系统的重要组成部分,建立了包括汽车车体、轮胎与四个悬架在内的汽车系统动力学方程。由于无人车通常在平坦路面上进行测试,且汽车的前向速度、侧向速度以及横摆角速度已经足够检验汽车的动力学行为,因此文中同时也建立了简化的汽车动力学方程。 以无人驾驶汽车半物理仿真系统的可信度为研究对象,在既往检验方法的基础上,给出无人驾驶汽车半物理仿真系统的开发流程。给出两种典型的数据预处理统计学方法。详细介绍了有关统计相似分析的概念,重点突出了相似度计算的方法。利用层次分析法建立无人车半物理仿真系统可信度分析的递阶层次结构图。以无人车半物理仿真系统为例,详细介绍了汽车动力学模型、并联机构的控制模型以及整个系统的可信度计算方法。 总的说来,本文是基于无人车半物理仿真系统工程的具体应用加以展开的。希望本文的研究工作能够对本领域的深入研究具有一定的借鉴意义,同时也希望本文的研究工作能够促进半物理仿真技术在无人驾驶汽车研究开发上的应用。

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