虚拟自主汽车智能驾驶行为模型的研究及实现

２．２情感单元
情感单元反应的是人类的性格和情趣。由感知产生的只 是客观数值，但对同一数值，水同的人，即使是同一人，心 情小一样，其感觉也不一样，所以认知的情况不一样。从真 实世界的例子看出．同一距离对熟练驾驶员来说是有足够空 间变道的，而对新手来说是不可能的。对一个激进型驾驶员 来说，某一车速足４ｉ满意的．但对一个保守型司机来说．此 车速口Ｊ能是快的，甚垒是危险的。因此，情感单元的任务是： 当感知单Ｊ‘将感知的路面、交通情况用数值形式传递到此单 元后，经过对应的具体行为的模糊处理后，找到基于不同人 类性格和心情的一组模糊变量值及其真实程度。情感单元和 感知单元在处理数据时是并行互融的，它们共同组成基于个 人性格、心情的认知过程。所以，情感单元有助于解决驾驶 模型的不完善性。
基于此模型，利用ＥＯＮＲｅａＬｉｔｙＴＭ虚拟现实软件开发了一部具有激进型驾驶行为的虚拟自主汽车。应用
结果表明：该模型通用、有效，为模拟驾驶器提供更加丰富、完善的虚拟交通场号，同时也可为无人驾
驶汽车提供智能行为模型，尤其是碰撞避免单元的增加为汽车安全驾驶提供了有效的预警模型．
关键词：驾驶行为；虚拟自主汽车；智能行为模型；碰撞避免；三维动态仿真
２．１巷知单元
感知单元是利用虚拟感官感知路面情况、交通情况等信 息数据，然后传递给情感单元的。由于人类获取外部信息 ８０％来自视觉，所以虚拟感官主要是指虚拟视世。一般来靠 渲染原理来实现的，即从虚拟人的视锥开始渲染虚拟场景，
万方数据
圈Ｉ 智能驾驶行为模型的组成
确定哪些物体可见。这比波上顿东北大学利用“道路节点链 表”【２Ｉ得知外部信息的方法更加符合实际情况。但由于驾驶 场景是一个动态环境．场景变化大，所以采用Ｋｕｆｆｎｅｒ提出 的无光照假视可见模型１９】。该方法中，假设是指不使用物体 的真实颜色而是咀灰色代替，这样可咀减少处理的信息量但 不影响处理结果．另外在处理过程巾还运用了高速缓存等加 速渲染的技术，除此之外，还将场景中的每个物体予以唯‘ 的标识ｌＤ，对十夫物体则要细分为小物体再分别标识。虚 拟人内置了相关的两张表，一张表足像素颜色与物体ＩＤ的 对应，一张表足物体ｌＤ与物体属性之间的对应。由渲染后 的图象的像素颜色查找对应的ＩＤ，再根据ＩＤ在属件表内查 询物体的相关属性，Ｕ此获得路面情况和交通情况，如车速， 与其它车辆的距离等。另外，还应注意存行牟过程巾，虚拟 自主汽车的视力是动视力，它是随着车速的变化而变化，如 若以６０ｍｐｈ的速度行驶的车辆，驾驶员丌Ｊ看清前由‘２４０ｍ处 的交通标志，可当车速提高到８０ｍｐｈ时，则连１６０ｍ处的交 通标志都看不清了Ｉ】叭。
摘要；通过对智能驾驶行为的特点分析，提出了一种更符合实际情况的虚拟自主汽车智能驾驶行
为模型．将复杂的驾驶行为分为五个单元，即感知单元、情感单元、碰撞避蹙．单元、决策单元和操作单
元，每个单元都代表一定驾驶行为，考虑了人的性格、心情、驾驶经验和驾驶技能等因素，并各白有其
模糊变量和模糊规则．另外，该模型将自主汽车的３Ｄ模型与驾驶行为模型分开，使其曼具通用性．并
１智能驾驶行为的研究概况
在虚拟交通环境中，仅仅柯自土汽车的３Ｄ外形和一个 彳ｊ‘效的动态模型是小够的，因为自主汽车是由虚拟驾驶员驾 驶的，他能操纵方向盘、踩油门、刹牛板、打方向信号灯来 控制汽车的位置和方向。象真驾驶员一样，虚拟驾驶员在虚 拟环境中也有多种多样的自然行为。所以他们对突发事件的 反应，是以他们自己的意愿来政变的。以往往驾驶模拟器中 的驾驶｛Ｊ：为模型部足简化模型，足用预先设计好的统一简单 模型来代替他们，但这往往有许多缺点【２１：（１）由于虚拟自丰 汽车不真实的自然行为会使用户操作模拟器的临近感和交 互感小强；（２）虚拟自主汽车相同的驾驶行为会使用户预知他 的行为，这会给用户带来一定的误导作＿Ｈｊ；（３）一些交通场景
ｖｉｒｍａｌ ａｕｔｏｔ２０ｍｏｕｓ ｖｅｈｉｃｌｅ ｍｏｄｅｌ／１＂ｔｏｒｅ ｕｓａｂｌｅ．Ａｎ Ａｇｇｒｅｓｓｉｖｅ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂｙ ＥｏＮ ＲｅａＪ时ｓｏｆｔｗａｒｅ．ｎｅ
ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｄｒｉｖｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｍｏｄｅ】ｏｆ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｖｅｈｉｃｌｅ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｍｏｒｅ ｃｏｌｏｒｆｕＩ ａｎｄ ｐｅｒｆｅｃｔ ｖｉｒｔｕａｌ ｔｒａｆｆｉｃ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｉｎ ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｉｔ ｃａｎ ａｌｓｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｎｏｂｏｄｙ－ｄｒｉｖｉｎｇ ｖｅｈｉｃｌｅ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｍｏｄｅｌ， ａｎｄ ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅ ｐｒｏ－ｅｍｅ喁ｅｎｅｙ ｍｏｄｅｌ ｔＯ ｔ１１ｅ ｓａｆｅｔｙ ｄｒｉｖｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ—Ａｖｏｉｄａｎｃｅ Ｕｎｉｔ ｉｓ ａｄｄｅｄ ｉｎｔＯ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ－ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｒｉｖｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ；ｖｉｒｔｕａｌ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｖｅｈｉｃｌｅ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｍｏｄｅｌ；Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ—Ａｖｏｉｄａｎｃｅ；３Ｄ ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｉｍｕ】ａｔｉｏｎ
收稿日期：２００４．１０项目（２００５８１０２０１０２１）
作者向舟：娄藩（１９７１），女，湖南人，副教授。博士生，研究方ｌｑ为虚拟
现实、智能波簧等．何设武，男，博士，救援．卢桂葬，女．颂士：癖■滓．
男，教授，磷导：陈新，畀，博导．教授，研究方向为眢髓设；ｆ与制造，
引言
驾驶模拟器足由软、硬件共同组成的一种基于虚拟现实 的半实物仿真系统，对它的研究起于上个世纪７０年代初，由 通用汽车公司、弗吉尼亚＿丁业学院和州宦大学茫ｆ司开始研究 的。对驾驶模拟器的研究，甘前存在两大发展趋势…。以人 的体验为目的是当前驾驶模拟器技术的年阳｛究思路，它使 用户进入虚拟环境中，产牛临境感和交上｛．作用。用，ｏ是系统 的核心，在系统中川户更多的是体验数据而非对虚拟环境进 行数据分析。此与‘ｌ旬的研究致＾于建立更加真实的虚拟环境， 从而小断政善模型的建立和显示技术；另一种研究思路是以 完成任务为目的，它是指驾驶模拟器技术作为一种上具来辅 助人们完成某些特定工作。如利用驾驶模拟器学习驾驶技 术，或评估住驾驶过程中，分散注意力和酗酒等｛Ｊ：为对交通
在驾驶过程中最主要的模糊变量是模糊速度、模糊超车 速度、模糊领头距离和模糊尾随距离。模期速度是指汽车的 当前速度和所期望的速度的函数。这里所期望的速度是指受 最大速度和模型本身的速度限制下．自丰汽车所希望的速度 函数：模糊超车速度是一个相对速度，是用来描述汽车本身 速度和其它车道的车辆的平均速度的相对值；模糊领头距离 和模糊尾随距离都是指与速度相关的距离。
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系统仿真学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ｏＦ ＳＹＳＴＥＭ ＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮ
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虚拟自主汽车智能驾驶行为模型的研究及实现
娄燕ｋ２，何汉武１，卢桂萍１，郑德涛１，陈新。
ｆｌｊ‘与ｉ工业大学机电工程学院，广州５１００９０；２南华』：学机槭工程学院，衡附４２１００Ｉ）
国内由于受到技术条件的限制，对驾驶ｉＪ＝为的研究起步 较晚。北航对智能驾驶行为进行了初步的探索研肃【１１，并存 Ｅａｇｌｅ １Ｇ仿真系统上得以实现。装甲兵工程学院教研室对计 算机生成兵力ＣＧＦ的智能行为模型进行丁研究陌ｌ。它将ＣＧＦ 的智能行为分为高级智能行为和低级智能行为。高级智能行 为包括实时的分析决策与任务规划，低级智能行为包括实时 速度方向控制和通过速度确定目标等编队｝Ｊ二驶。吉林』＝学也 对驾驶行为开始了研究，他们用Ｋｕｉｐｅｒｓ定性仿真算法来分 析弄种驾驶行为『６】。
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系统仿真学报
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并４ｉ被简单虚拟自主汽车模型支持。可见，对虚拟自主汽车 智能行为的研究对加强驾驶模拟器的真实感具有重要意义。
在６０年代以前，驾驶行为部是用驾驶技术来解释的， 即基于技能的雒驶模型。而有功机的驾驶模型开始出现在 ６０年代后，它考虑了驾驶员的情感状态和冒险｝Ｊ：为．一般 可分为：冒险开始模型、冒险补偿模型和冒险避免模型。８０ 年代Ｍｉｃｈｏｎ引进了一个层次控制结构ｐ｜，他把驾驶行为分 为任务层、规划层和操作层三层，任务层即明确目标后，进 行全局规划．选择路线；规划层是沿任务层确定的路线前进 时，遇到各种交通状况，规划应采取何种行为；操作层既是 转向或变速行为，完成规划层的规划。以后，太部分驾驶行 为的研究部基于此模型。９０年代末。波士顿东北大学的虚 拟现实实验室从微观角度提出一个新的智能驾驶行为框架口ｌ， 主要是增加了情感部分。他们基于此框架开发了激进型、老 年型和酗酒型驾驶行为模型，使生成的交通状况非常生动。 但他们是把３Ｄ模型和驾驶行为模型捆绑在一起来模拟人类 驾驶行为的。英国利兹大学汽车仿真中心，Ｆ发的汽车仿真器 中Ｈ１，道路上就有许多虚拟车辆来往，这些虚拟车辆的智能 驾驶行为非常生动，包括路线选择、与其它车辆协调和遵循 交通法规行为。
本文是从微观角度研究一种吏具有通用性、更符合实际 情况的智能驾驶行为模型。将驾驶行为分为五个单元，感知 单元、情感单元、碰撞避免单元、决策单元和操作单元，并 将３Ｄ模型与驾驶行为模型分开，这与实际情况是一致的， 因为不同的人驾驶｜一Ｊ一辆车，具有不同的驾驶特点。
２虚拟自主汽车智能驾驶行为模型
从微观角度上研究的驾驶行为模型，是从具体驾驶行为 抽象出来的。此模型是由五个单元组成，每一个单元都对应 着～定的驾驶｛Ｊ二为特点，其中碰撞避免单元是在特殊情况下 的避险行为。五个单元之间的数据、信息传递和决策规划都 采用了基于规则的模糊推理技术１７．８／。图ｌ表示了驾驶行为 模型的组成和它们之间的关系。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｄｒｉｖｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ，ａ ｍｏｒｅ ｓａｔｉｓｆｙｉｎｇ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｄｒｉｖｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｖｅｈｉｃｌｅ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｉｔ ｉＳ ｄｉｖｉｄｅｄ ｊｎｔｏ ｆｉｖｅ ｕｎｉｔｓ ｗｈｉｃｈ ａｔｅ Ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ Ｕｎｉｔ．Ｅｍｏｔｉｏｎ Ｕｎｉｔ， Ｃｏｉｌｉｓｉｏｎ－Ａｖｏｉｄａｎｃｅ Ｕｎｉｔ．Ｄｅｃｉｓｉｏｎ Ｕｎｉｔ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｕｎｉｔ．Ｅａｉｚｈ ｕｎｉｔ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｃｅｒｔａｉｎ ｄｒｉｖｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ ａｎｄ ｈａｚ ｉｔＳ ｏｗｎ ｓｅｔ ｏｆ ｆａｚｚｙ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ａｎｄ ｆｕｚｚｙ ｒｕｌｅｓ．Ｍｏｌ－ｅ，ｏｖｅｉ ｔｈｅ ３Ｄ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｍｏｄｅｌ ａｒｅ ｄｉｖｉｄｅｄ ｗｈｉｃｈ ｎａａｋｅｓ ｔｈｅ