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埋山
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1 第 1 卷第期 01 年 4 月交通运输系统工程与信息 Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology Vol 郾 1 No 郾 April 01 文章编号 : 1009 鄄 6744 (01) 0 鄄 0047 鄄 06 基于 OGRE 的车辆自适应巡航控制三维仿真 * 苏永生, 赵冬斌 ( 中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室 ( 筹 ), 北京 ) 摘要 : 摇汽车的自适应巡航控制是一种先进的辅助驾驶系统, 可实现在高速公路和城市交通的全部速度范围内的辅助驾驶. 但目前对车辆自适应巡航控制算法的控制效果的检验一般是通过仿真曲线给出, 该方式不够直观. 本文基于 OGRE 图像引擎, 搭建了一个效果逼真的三维驾驶仿真平台, 该平台能够模拟任意的开车情景, 直观有效地检测车辆的自适应巡航控制算法. 最后设计了一种最优 pd 控制算法, 实现了车辆的自适应巡航控制, 并在此三维仿真平台上得到验证. 实验证明, 该三维仿真平台能够模拟任意的开车情景, 直观有效地检验车辆自适应巡航控制算法. 关键词 : 摇智能交通 ; 三维驾驶仿真 ; OGRE; 自适应巡航控制 ; 最优 PD 控制中图分类号 : 摇 TP 文献标识码 : 摇 A 3D Simulation of Adaptive Cruise Control Based on OGRE SU Yong 鄄 sheng, ZHAO Dong 鄄 bin ( State Key Laboratory of Management and Control for Complex Systems, Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Beijing , China) Abstract: 摇 Adaptive cruise control is an advanced driver assistance system, which assists driving on highway and urban roads within the entire speed range. The current method to test the results of vehicle adaptive cruise control algorithms are mainly upon the control curves. It is not intuitional. This paper develops a realistic driving simulation system based on the OGRE graphic engine. It could simulate any driving scenarios and visually test the control effect of the adaptive cruise control algorithms. Then, a PD optimal control algorithm is designed to realize the adaptive cruise control and verified on this 3D simulation platform. Experiments show that the 3D simulation of adaptive curise control can be used for any driving scenarios simulation. It can also effectively test the effect of vehicle adaptive cruise control algorithms. Key words: 摇 intelligent transportation; 3D simulation of driving; OGRE; adaptive cruise control; optimal PD control CLC number: 摇 TP Document code: 摇 A 收稿日期 :011 鄄 11 鄄 09 摇摇摇摇修回日期 :01 鄄 01 鄄 11 摇摇摇摇录用日期 :01 鄄 0 鄄 0 基金项目 : 国家自然科学基金 ( , , ); 北京自然科学基金 (41083). 作者简介 : 苏永生 (1988-), 男, 山东济南人, 硕士生. * 通讯作者 :dongbin. zhao@ gmail. com

2 摇 48 交通运输系统工程与信息 01 年 4 月 1 摇引摇摇言随着人们对行驶安全性与舒适性等汽车性能要求的提高, 各国对车辆智能行驶及各种驾驶员辅助系统的研究也逐步深入, 汽车的巡航控制就是一种辅助驾驶系统. 建立一个车辆自适应巡航控制的三维仿真平台 [1], 不仅能直观地验证各种车辆巡航控制算法的有效性, 直观显示控制效果, 还可以作为一个公共平台, 比较各种车辆巡航控制算法的控制效果. 目前的车辆巡航的三维仿真开发有基于 OpenGL 的 [] [3], 基于 Direct3D 的和基于 Java3D 技术的 [4]. 前两个是低层的三维函数库, 没有一个好的程序架构, 开发效率低,Java3D 的运行效率低, 动态效果不理想. 其他的商业软件, 软件成本相当昂贵. 本文提供了一个基于开放源代码的图像引擎的车辆驾驶三维仿真系统, 能够直观地三维显示车辆的运行状态, 并用数字和仪表盘实时显示车速, 车距离等. 而且可以通过键盘控制车辆的加速, 减速, 模拟任意的开车环境, 有效地检测车辆自适应巡航控制算法. 实践证明, 该方法开发效率高, 真实感强, 软件成本低. 摇车辆的三维仿真平台的搭建车辆的三维仿真系统是基于 OGRE 库 (Object 鄄 Oriented Graphics Rendering Engine, 即面向对象图形渲染引擎 ) 开发完成的. 摇 OGRE 3D 是一个被广泛使用的开源三维图形渲染库, 成功地被应用于诸多三维仿真领域, 其中包括网络游戏和一些商业的三维仿真项目, 如天龙八部网络游戏. OGRE 是一个用 C++ 开发的面向对象非常灵活的 3D 引擎, 而且是开源免费的.. 1 摇 OGRE 软件架构介绍目前程序的组织方式有两种 : 面向过程和面向对象. 面向过程解决问题的方式, 是将复杂的事情分解成一个个的过程, 例如现实世界中流水线的生产过程. 但是, 现实世界中除了这种解决问题的方式, 还有另外一种. 例如一个研究所的管理, 有所长, 所长下面还有副所长, 再下面还有各个部门. 凡是通过领导层次的划分, 组织管理协调各个部门来解决问题的方式, 就叫做面向对象. OGRE 的开发方式属于后者. 现实世界中的东西在软件中的物化就叫做对象. 由上面的分析, 我们看出, 面向对象开发的软件中, 对象有两种角色 : 一种是专门干活的, 另一种是负责组织各个部门的关系的. 本文中, 涉及到的 OGRE 对象及它们的领导层次关系如图 1 所示. 图 1 摇对象的领导层次关系 Fig. 1 摇 Object hierarchy of leadership BaseApplication 是 OGRE 提供的基本游戏框架, 作用是用来组织管理整个程序, 如软件的初始化启动渲染循环, 及完成各种事件的响应 [5]. Root 是整个 OGRE 的入口, 构造一个 Root 示例就启动了整个 OGRE 3D. 它帮助完成初始化, 管理各种插件, 启动渲染队列等. SceneManager 负责对整个场景中内容的创建和管理, 包括静态地形场景动态对象摄象机光线等等. Camera 模拟了现实世界中人看三维现实世界的方式, 用于指明三维渲染的视角. TrayMgr 管理鼠标, 及其窗口上的按钮菜单. 首先, 从 BaseApplication 类继承产生一个 MyApp 类, 并生成对象 app, 作为整个程序的架构. 通过这个框架, 我们只需要重写相应的成员函数, 就能改变和定制功能.. 摇静态场景实现初始化由函数 bool MyApp::setup(void) 完成, 完成的任务依次为产生 mroot 对象, 摄像机对象, 建立场景等等, 分别对应以下几个函数. bool MyApp::setup( void) / * 产生 mroot 对象 * / mroot = new Ogre::Root( mpluginscfg); / * 产生 mcamera 对象 * / createcamera(); / * 创建场景 * / createscene(); 摇

3 第 1 卷第期基于 OGRE 的车辆自适应巡航控制三维仿真 49 ; 场景的创建在 creatscene( ) 中完成, 接下来我们逐步看一下场景的创建过程... 1 摇载入车辆三维模型一般由三维制作软件如 3dsmax 制作完成, 本文中用到的法拉利和兰博基尼的三维车辆模型均是从网上下载的 free 3d car model. 它们的格式是 3ds, 而 ogre 中三维模型的格式必须是 mesh 格式的, 因此需要用 ogre 的插件工具 OgreMax 将其转换为 mesh 格式. OGRE 中可移动对象的实例就是 Entity, 它可以是一辆车, 一个人等. 它在世界 (World) 场景中不一定有一个固定的坐标位置. 它以 Meshes 做为基础, 通过调用 SceneManager:: createentity 创建. SceneManager 对象管理出现在屏幕上的所有物体 [6]. 当你把一个物体放到场景中, SceneManager 就将对这个物体的坐标进行跟踪, 并在渲染系统中渲染它. OGRE 是根据物体的坐标和方向的可渲染性分别进行渲染的. 这就意味着必须将 Entity 赋给一个 SceneNode 才能进行渲染. 把物体系到 SceneNode 点的函数为 attachobject. 本文中建立了一个兰博基尼节点和一个法拉利节点, 并将它们挂接在 Root 节点下, 然后将车辆实体分别赋给相应的节点. 最后将摄像机实体也赋给兰博基尼节点上, 这样摄像机就随着车辆的移动而移动了, 场景节点关系如图所示. 图摇 Fig. 摇场景节点关系 Scene node relations 加载车辆模型在 createscene() 函数下完成... 摇载入道路场景道路是一个平面, 我们用这个平面创建一个 Mesh 对象, 之后创建一个 Entity 实体, 并将这个实体赋给一个新建的 SceneNode 节点. 这个过程与前面介绍的车辆载入过程类似. 最后, 将道路实体的材质 ( Materials) 设置为 road 材质. 材质 (Materials) 用来描述如何绘制场景中的对象, 被用来制定对象的表面属性, 如物体的反射光颜色和物体自身的管的颜色等. 草地的形成过程与这个类似... 3 摇天空树木和光线设置 OGRE 提供三种天空 : 天空盒, 天空穹和天空面. 这里我们用第二种方式, 使用 setskydome 来创建天空, 它会创建一个包含了场景中所有对象的巨型立方体, 并将贴图用球体的方法投影到立方体上. 之后, 在道路两旁种植一些树木, 作为车辆运行的参考物, 其加载过程与车辆过程类似. 最后设置场景中的光线, 并开启阴影显示. 至此, 静态场景部分就创建完了... 4 摇界面按钮下拉菜单仪表盘 OGRE 中简单的图像用户界面 ( Graphical User Interface, 简称 GUI ) 可以由 SdkTrays 类负责, mtraymgr 是这个类的实例化对象. 例如, 我们在左下角创建一个 quit 冶按钮的过程为 void MyApp::createScene( void) 摇 mtraymgr - > createbutton ( OgreBites:: TL _ BOTTOMLEFT, " QUIT", " QUIT!",115); 摇按下按钮的响应由 buttonhit 完成, 例如响应 QUIT 按钮退出程序的代码为 void MyApp:: buttonhit ( OgreBites:: Button * button) else if ( button = = mtraymgr - > getwidget ( " QUIT" )) mshutdown = true; 摇摇全部界面的效果如图 3 所示.. 3 摇车辆的运动场景 SceneNode 通过 translate 函数使物体移动. 因此可以通过每一帧渲染时, 改变节点的位置方向来实现车辆的运动效果. framestarted ( Ogre:: FrameEvent& evt) 负责处理每一帧渲染前执行的任务,evt 提供每一帧的时间间隔. 因此车辆节点的移

4 摇 50 交通运输系统工程与信息 01 年 4 月 Fig. 3 摇图 3 摇车辆巡航控制的三维界面 The three 鄄 dimensional interface of adaptive cruise control simulation 动可以在这个函数下完成, 移动的距离通过车速和每一帧的时间间隔求出摇场景仿真仿真操作时, 前车由人驾驶, 通过键盘上的尹引按键控制前车的任意的加速减速, 后车由车辆的巡航控制器控制. 由于前车由人操作控制, 因此能够模拟仿真任意的开车情景, 有效的检测后车的巡航控制器的效果. 此外, 为使该平台能够比较各种不同的车辆巡航控制算法的控制效果, 仿真平台提供了 6 种标准的典型开车情景. SPEEDINGUP: 前车缓慢加速. SLOWINGDOWN: 前车缓慢减速 STOPANDGO: 前车减速至停止, 后加速 BRAKING: 前车急刹 CUTIN: 被超车 CRUISE: 模拟正常的一段驾驶情形. 3. 摇车辆的碰撞检测 OGRE 采用基于包围盒的碰撞检测方法, 用一个立方体的盒子把物体装起来, 然后用这个盒子代替原先的物体, 在场景中进行检测, 按照一定的策略 ( 比如距离 ) 判断两物体是否碰撞. 摇 Ogre 中, 每个节点有轴对齐包围盒 (AABB), 通过包围盒, 可以实现碰撞检测判断. 具体实现过程如下 : 摇通过 Ogre::SceneNode::_getWorldAABB( ) 可以取得这个叶子节点的 AABB, Ogre:: AxisAlignedBox 封装了对 AABB 的支持, 该类的成员函数 Ogre::AxisAlignedBox::intersects( ) 可以判断一个 AABB 和球体点面以及其他面冶的相交情况 ( 碰撞情况 ). 下面是测试个车辆节点通过 AABB 判断碰撞的程序代码 : bool MyApp:: frameended ( const Ogre:: FrameEvent& evt) Ogre::SceneNode* odetarget = mscenemgr - > getscenenode(" FerrariNode" ); Ogre:: SceneNode * nodehost = mscenemgr - > getscenenode(" LamborNode" ); Ogre::AxisAlignedBox targetbox = nodehost->

5 第 1 卷第期基于 OGRE 的车辆自适应巡航控制三维仿真 51 _getworldaabb(); Ogre::AxisAlignedBox hostbox = nodetarget-> _getworldaabb(); if (hostbox. intersects( targetbox)) 摇摇摇 / / 检测是否碰撞 / / 碰撞之后的处理 3 摇全范围的自适应巡航控制算法 3. 1 摇控制目标为了使车辆的巡航控制符合驾驶员的驾驶习惯, 有必要研究驾驶员的理想车距. 研究表明, 理想间距可有由如下公式给出式中摇 c = v p 子 + c 0 (1) 子是一个线性系数, c 0 表示车速为 0 时的最小车距. 不同驾驶员的开车习惯可以通过调整参数子和 c 0 模拟出来. 3. 摇最优 PD 控制器设计如下 : 式中摇车辆自适应巡航控制采用 PD 控制方法, 公式 a(t) = - k 1 (t))(c d (t) - c(t)) - k (t))(v p (t) - v s (t)) () k 1 和 k 是控制增益, v p 是前车速度, v s 是本车速度, c d 是理想车距, c 是实际车距. 车辆的巡航控制可以看做是一个 LQ 优化问题, 优化的目标是使实际车距逼近理想车距, 相对的速度差小, 以及加速度尽量小. 优化指标函数为式中摇肄 J = 乙 (x T Qx + u T Ru)dt (3) 0 状态 x 为 x T = [ x 1 x ] = [ c d - c v p - v ] s (4) u 是本车的加速度 ; 权重矩阵 Q 和 R 的定义为 Q = é籽 1 0 ù 0 籽 û ú 摇摇前车和后车的状态空间方程为 x 觶 = Ax + Bu + 丐 w é = 0-1 ù û ú x + 0 0,R = [ r ] (5) é 0 ù - û ú 1 u + é子 ù û ú 1 摇摇根据 Lyapunov 第二方法和 Riccati 方程 : w (6) A T P + PA - PBR -1 B T P + Q = 0 (7) 可以求解出系数矩阵因此, 理想加速度为 K = R -1 B T P (8) a(t) = u(t) = - Kx = - k 1 (t))(c d (t) - c(t)) - k (t))(v p (t) - v s (t)) (9) 考虑到汽车在低速运行时, 跟随特性是主要考虑的因素, 因此籽 1 = 1, 籽 = 6, r = 8, 此时求解出 k 1 = , k = 而在高速运行时, 运行的平稳性是主要考虑的因素, 控制器要求能够尽量平稳的跟随前车, 因此籽 1 = 1, 籽 = 6, r = 18, 此时求解出 k 1 = , k = 由于低速和高速时, 用到的 PD 控制器的参数是不同的, 为了使控制器在低速模式和高速模式之间平滑切换和过渡, 使用比例权重函数进行处理, 如图 4 所示. Fig. 4 摇图 4 摇理想加速度 Desired acceleration 3. 3 摇控制器要符合人的开车习惯车辆自适应巡航控制中, 人的因素是非常重要的. 比如高速时, 车的加速度会相对小一些, 低速时加速度会大一些. 经统计研究 [7], 车辆的加速度和速度的关系可以简化为如图 5 所示的曲线. 理想的加速度通过最大和最小加速度限制处理, 来提高驾驶车辆的舒适度. 经过阈值限制后的加速度公式为 ìa max (t))if 摇 a(t) > a max (t)) ï a des (t) = ía(t)if 摇 a min (t)) < a(t) < a max (t)) ï îa min (t))if 摇 a(t) < a min (t)) (10)

6 摇 5 交通运输系统工程与信息 01 年 4 月图 5 摇 Fig. 5 摇加速度的范围 acceleration range 4 摇控制效果图 6 是在本三维仿真平台上仿真运行之后, 通过对其记录的运行数据, 做出的控制效果曲线图. 第一个窗口显示前后车的车速, 第二个窗口显示理想车距和实际车距, 第三个窗口显示前后车的加速度, 第四个窗口显示车辆运行的危险等级评测. 前车 (Target) 由人通过键盘控制, 后车 (Host) 由本文设计的最优 PD 控制器控制. 以 5 s 时间间隔, 前 30 s 前车交替加速, 匀速 ;30-60 s 前车交替减速, 加速 ;60-70 s 匀速. 通过第一个窗口的速度曲线和第二个窗口的车距曲线可以看出,PD 控制器能够平稳地跟随前车. 图 6 摇 Fig. 6 摇控制效果曲线图 Control effect curve 5 摇研究结论在三维仿真平台上, 验证了设计的最优 PD 控制器的可行性. 实验证明, 三维仿真平台能够模拟任意的开车情景, 直观有效地检验控制算法的效果, 并能通过对运行数据的记录, 实现车辆巡航控制效果的曲线分析. 参考文献 : [1] 摇王笑京. 第十届智能交通系统世界大会概况和我国发展方向的讨论 [ J]. 交通运输系统工程与信息, 004, 4():9 鄄 16. [ WANG X J. Overview of the 10th World Congress on ITS and discussion about the developing direction in China [ J ]. Journal of transportation Systems Engineering and Information Technology, 004, 4():9 鄄 16. ] [] 摇尹念东. 汽车驾驶模拟器视景的三维动画实现 [ J]. 信息技术, 004, 8(9):70 鄄 74. [YI N D. Realization ( 下转第 90 页 )

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2012 年 6 月交通运输系统工程与信息 Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology Vol 郾 12 Sup. 1 June 2012 文章编号 : 1009 鄄 6744 (2012) Sup. 1 鄄 0086 鄄 05 * 张万安, 肖跃秀 ( 吉安