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Simulink开发项1000例实战专栏--实例188:基于Simulink的自动驾驶车辆路径平滑处理仿真

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基于Simulink的自动驾驶车辆路径平滑处理仿真

一、背景介绍

二、所需工具和环境

三、步骤详解

步骤1:创建Simulink模型

步骤1.1:打开Simulink并新建模型

步骤2:设计车辆动力学模型

步骤2.1:添加车辆底盘模块

步骤2.2:添加纵向和横向控制模块

步骤2.3:连接各模块

步骤3:设计路径规划模块

步骤3.1:添加路径规划模块

步骤3.2:连接路径规划模块到路径平滑处理模块

步骤4:设计路径平滑处理模块

步骤4.1:选择平滑算法

贝塞尔曲线方法

样条插值方法

滤波器方法

步骤4.2:实现路径平滑处理模块

步骤4.3:连接路径平滑处理模块到路径规划模块

步骤5:设计传感器数据采集模块

步骤5.1:添加传感器模块

步骤5.2:添加传感器数据聚合模块

步骤5.3:连接传感器模块到数据聚合模块

步骤6:设置仿真参数

步骤7:运行仿真

步骤8:性能评估

路径平滑度

行驶舒适性

路径跟踪误差

步骤9:性能优化

调整平滑参数

引入多传感器融合算法

使用更精确的路径规划算法

使用Simulink Test进行自动化测试

四、总结


基于Simulink的自动驾驶车辆路径平滑处理仿真

在自动驾驶技术领域中,“路径光滑化处理(Path Smoothing)” 被视为实现车辆平稳、安全跟随预设路线的核心技术环节。基于Simulink平台构建完整的仿真环境能够有效模拟这一功能的运行机制及其性能表现,并为其实际应用提供可靠的实验验证基础。“具体说明如下:首先需要建立完整的车辆动力学模型;其次设计并实现路径生成算法;最后完成路径光滑化处理模块的开发与测试。”

一、背景介绍

路径平滑处理 是智能驾驶系统中的一项重要功能,在这一过程中会对原始规划路线中的突变点以及急剧转弯处的不平稳性进行优化消除,从而改善车辆运行轨迹的质量,有效降低乘客乘坐时的感受不适并提升整体的安全系数.常见的实现这一功能的方法包括

  • 贝塞尔曲线(Bezier Curve) :由多项式函数创建平滑曲线的工具。
    • 样条插值(Spline Interpolation) :基于分段多项式方程组实现路径平滑的技术手段。
    • 滤波器(Filters) :例如低通滤波器等技术能够有效抑制高频干扰并提升路径的光滑度。

本示例将演示如何利用Simulink构建一个专门用于自动驾驶车辆路径的平滑化处理仿真模型,并经过验证。

二、所需工具和环境

为了进行自动驾驶车辆路径平滑处理的仿真,你需要以下工具和环境:

MATLAB/Simulink :用于模型构建与仿真过程。
Automated Driving Toolbox :提供与自动驾驶系统相关的功能模块集合。
Vehicle Dynamics Blockset :专注于车辆动力学分析的模块化设计。
Signal Processing Toolbox :支持信号采集、处理以及滤波操作。
Curve Fitting Toolbox :提供曲线拟合和平滑处理功能(可选)。
SimEvents :支持基于事件驱动的离散事件系统仿真(可选)。
Simulink Test :提供自动化测试与系统验证功能(可选)。

确保你已经安装了上述工具箱,并且拥有有效的许可证。

三、步骤详解
步骤1:创建Simulink模型

首先,打开 MATLAB 并启动 Simulink 创建一个新的空白模型。

步骤1.1:打开Simulink并新建模型
  • 打开 MATLAB 应用程序。
  • 在命令窗口输入 simulink 后打开 Simulink 启动界面。
  • 单击“Blank Model”按钮以建立一个新的空模型。
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 % 创建新的Simulink模型

    
 modelName = 'AutonomousVehiclePathSmoothing';
    
 new_system(modelName);
    
 open_system(modelName);
步骤2:设计车辆动力学模型

我们需要为车辆建立一个简单的动力学模型,以便模拟其运动状态。

步骤2.1:添加车辆底盘模块
  • Vehicle Dynamics Blockset > Vehicle Library > Chassis 库中进行模块拖放操作,在模型编辑区导入 Bicycle Model3DOF Vehicle Dynamics 模块。
    • 配置参数包括质量属性设置、惯性矩值输入以及前后轴间距配置等关键参数项。
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 % 添加自行车模型模块

    
 add_block('vehicleDynamics/Bicycle Model', [modelName '/Vehicle']);
    
 set_param([modelName '/Vehicle'], 'Mass', '1500'); % 设置车辆质量为1500kg
    
 set_param([modelName '/Vehicle'], 'Inertia', '[1000, 0, 0; 0, 1500, 0; 0, 0, 1000]'); % 设置惯性矩矩阵
    
 set_param([modelName '/Vehicle'], 'Wheelbase', '2.8'); % 设置轮距为2.8米
步骤2.2:添加纵向和横向控制模块
  • Automated Driving Toolbox > Vehicle Library > Longitudinator Driver InputsLateral Driver Inputs 库中导入 Longitudinator DriverLateral Driver 模块至模型编辑区。
    • 设置参数如最大加速度和转向角速率等。
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 % 添加纵向控制模块

    
 add_block('automatedDriving/Longitudinal Driver', [modelName '/Longitudinal_Driver']);
    
 set_param([modelName '/Longitudinal_Driver'], 'MaxAcceleration', '3'); % 设置最大加速度为3m/s^2
    
  
    
 % 添加横向控制模块
    
 add_block('automatedDriving/Lateral Driver', [modelName '/Lateral_Driver']);
    
 set_param([modelName '/Lateral_Driver'], 'MaxSteeringRate', '0.5'); % 设置最大转向角速率为0.5rad/s
步骤2.3:连接各模块

将控制模块的输出连接到车辆底盘模块的相应输入端口。

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 % 连接纵向控制模块到车辆底盘模块

    
 add_line(modelName, [modelName '/Longitudinal_Driver'], [modelName '/Vehicle'], 'autorouting', 'on');
    
  
    
 % 连接横向控制模块到车辆底盘模块
    
 add_line(modelName, [modelName '/Lateral_Driver'], [modelName '/Vehicle'], 'autorouting', 'on');
步骤3:设计路径规划模块

为了达成自动驾驶车辆路径平滑处理的目标,在开发自动驾驶系统时首先要建立一个初始的路径规划模块

步骤3.1:添加路径规划模块
  • Automated Driving Toolbox > Planning and Decision Making 库导航至 Path Planner 组件并将其拖放至模型编辑区。
    • 配置参数如起点位置、目标位置以及障碍物等。
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 % 添加路径规划模块

    
 add_block('automatedDriving/Path Planner', [modelName '/Path_Planner']);
    
 set_param([modelName '/Path_Planner'], 'StartPoint', '[0, 0]'); % 设置起始点为(0, 0)
    
 set_param([modelName '/Path_Planner'], 'GoalPoint', '[100, 100]'); % 设置目标点为(100, 100)
    
 set_param([modelName '/Path_Planner'], 'Obstacles', '[20, 20; 40, 40; 60, 60]'); % 设置障碍物位置
步骤3.2:连接路径规划模块到路径平滑处理模块

我们将稍后创建路径平滑处理模块,并将其连接到路径规划模块。

步骤4:设计路径平滑处理模块

为了实现对路径规划模块生成的路径进行平滑化处理的需求,我们将开发一个专门的平滑化处理模块。

步骤4.1:选择平滑算法

根据需求选择合适的平滑算法,如贝塞尔曲线、样条插值或滤波器。

贝塞尔曲线方法

采用贝塞尔曲线完成路径平滑处理。通过编写MATLAB脚本生成贝塞尔曲线,并将这些曲线导入Simulink模型中来实现路径平滑处理。

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 function bezierPath = generateBezierPath(controlPoints, numPoints)

    
     % 使用贝塞尔曲线生成平滑路径
    
     t = linspace(0, 1, numPoints);
    
     bezierPath = zeros(numPoints, size(controlPoints, 2));
    
     
    
     for i = 1:numPoints
    
     u = t(i);
    
     bezierPath(i, :) = bernsteinPolynomial(controlPoints, u);
    
     end
    
 end
    
  
    
 function bp = bernsteinPolynomial(controlPoints, u)
    
     n = size(controlPoints, 1) - 1;
    
     bp = zeros(1, size(controlPoints, 2));
    
     
    
     for i = 0:n
    
     bp = bp + nchoosek(n, i) * (u^i) * ((1-u)^(n-i)) * controlPoints(i+1, :);
    
     end
    
 end
样条插值方法

应用样条曲线拟合方法完成路径的光滑化处理过程。通过调用 MATLAB 的内置函数 spline 代码模块即可实现这一目标。

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 function splinePath = generateSplinePath(x, y, numPoints)

    
     % 使用样条插值生成平滑路径
    
     xs = linspace(min(x), max(x), numPoints);
    
     splinePath = interp1(x, y, xs, 'spline');
    
     splinePath = [xs', splinePath];
    
 end
滤波器方法

应用低频通过滤波器对路径进行平滑处理。我们可以调用 Signal Processing Toolbox 中的滤波器模块。

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 % 添加低通滤波器模块

    
 add_block('signalProcessingToolbox/Lowpass Filter', [modelName '/Lowpass_Filter']);
    
 set_param([modelName '/Lowpass_Filter'], 'FilterOrder', '6'); % 设置滤波器阶数为6
    
 set_param([modelName '/Lowpass_Filter'], 'CutoffFrequency', '0.1'); % 设置截止频率为0.1Hz
步骤4.2:实现路径平滑处理模块

根据选择的平滑算法,在Simulink中实现相应的路径平滑处理模块。

  • 贝塞尔(Bézier)曲线 :可以在Simulink MATLAB函数模块中实现。
  • 样条插值方法 :同样可以在Simulink MATLAB函数模块中实现。
  • 数字滤波器 :直接使用 Signal Processing Toolbox 提供的滤波器模块。
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 % 示例:在MATLAB Function模块中实现贝塞尔曲线

    
 add_block('simulink/User-Defined Functions/MATLAB Function', [modelName '/Bezier_Smoothing']);
    
 set_param([modelName '/Bezier_Smoothing'], 'FunctionName', 'generateBezierPath');
    
 set_param([modelName '/Bezier_Smoothing'], 'PortsDataType', 'Inherit: auto');
步骤4.3:连接路径平滑处理模块到路径规划模块

将路径规划模块的输出连接到路径平滑处理模块的输入端口。

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 % 连接路径规划模块到路径平滑处理模块

    
 add_line(modelName, [modelName '/Path_Planner'], [modelName '/Bezier_Smoothing'], 'autorouting', 'on');
步骤5:设计传感器数据采集模块

该系统旨在完成自动驾驶车辆路径的平滑化处理;该系统需基于实时采集周围环境信息

步骤5.1:添加传感器模块
  • 在 Automated Driving Toolbox 的 Sensor Fusion and Tracking 狗目录下导入不同类别的传感器模块(如 IMU Sensor, GPS Sensor, Radar Sensor, Lidar Sensor, Camera Sensor)至工作区界面。
    • 完成拖拽后会要求对配置参数进行设置,请依次输入采样频率、精度等数值参数以完成初始化。
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 % 添加雷达传感器模块

    
 add_block('automatedDriving/Radar Sensor', [modelName '/Radar_Sensor']);
    
 set_param([modelName '/Radar_Sensor'], 'RangeResolution', '0.1'); % 设置距离分辨率为0.1米
    
  
    
 % 添加激光雷达传感器模块
    
 add_block('automatedDriving/Lidar Sensor', [modelName '/Lidar_Sensor']);
    
 set_param([modelName '/Lidar_Sensor'], 'AngularResolution', '0.05'); % 设置角度分辨率为0.05度
    
  
    
 % 添加摄像头传感器模块
    
 add_block('automatedDriving/Camera Sensor', [modelName '/Camera_Sensor']);
    
 set_param([modelName '/Camera_Sensor'], 'FieldOfView', '90'); % 设置视场角为90度
步骤5.2:添加传感器数据聚合模块
  • 在 Automated Driving Toolbox 的 Sensor Fusion and Tracking 区域中拖放 Sensor Data Aggregator 块至模型编辑区。
    • 配置相关参数设置包括但不限于传感器类型和采样频率等参数。
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 % 添加传感器数据聚合模块

    
 add_block('automatedDriving/Sensor Data Aggregator', [modelName '/Sensor_Data_Aggregator']);
    
 set_param([modelName '/Sensor_Data_Aggregator'], 'SensorTypes', 'Radar, Lidar, Camera'); % 设置传感器类型为雷达、激光雷达、摄像头
    
 set_param([modelName '/Sensor_Data_Aggregator'], 'SamplingFrequency', '10'); % 设置采样频率为10Hz
步骤5.3:连接传感器模块到数据聚合模块

将各个传感器模块的输出连接到传感器数据聚合模块的输入端口。

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 % 连接雷达传感器模块到传感器数据聚合模块

    
 add_line(modelName, [modelName '/Radar_Sensor'], [modelName '/Sensor_Data_Aggregator'], 'autorouting', 'on');
    
  
    
 % 连接激光雷达传感器模块到传感器数据聚合模块
    
 add_line(modelName, [modelName '/Lidar_Sensor'], [modelName '/Sensor_Data_Aggregator'], 'autorouting', 'on');
    
  
    
 % 连接摄像头传感器模块到传感器数据聚合模块
    
 add_line(modelName, [modelName '/Camera_Sensor'], [modelName '/Sensor_Data_Aggregator'], 'autorouting', 'on');
步骤6:设置仿真参数

进入模型编辑器的顶部菜单栏选择 Simulation > Model Configuration Parameters 选项,在此界面中依据需求设置仿真时长(例如:600秒),并可调节其他相关参数设置以优化模型性能。

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 % 设置仿真参数

    
 set_param(modelName, 'StopTime', '600'); % 模拟运行时间为600秒
    
 set_param(modelName, 'Solver', 'ode45');
步骤7:运行仿真

完成后,在功能区点击"运行"按钮以启动仿真。持续关注车辆的行为表现,并确保其能够可靠地实现根据设定路径进行的平滑处理算法以及稳定地沿预设路线行驶。

步骤8:性能评估

基于系统性地进行自动驾驶车辆路径平滑处理的运行状态评估体系构建需求需重点关注以下核心性能指标:

路径平滑度

通过计算路径的曲率变化率,评估路径的平滑度。

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 function smoothness = calculateSmoothness(path)

    
     % 示例:计算路径平滑度
    
     curvature = diff(diff(path(:, 2))) ./ (1 + diff(path(:, 1)).^2).^(3/2); % 计算曲率
    
     smoothness = mean(abs(curvature)); % 计算平均曲率变化率
    
 end
    
  
    
 % 获取路径数据
    
 path = getPathData();
    
  
    
 % 计算路径平滑度
    
 smoothness = calculateSmoothness(path);
    
 disp(['Path Smoothness: ', num2str(smoothness)]);
行驶舒适性

通过计算车辆加速度的变化,评估行驶舒适性。

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 function comfortLevel = calculateComfortLevel(acceleration)

    
     % 示例:计算行驶舒适性
    
     jerk = diff(acceleration); % 计算加速度变化率(Jerk)
    
     comfortLevel = mean(abs(jerk)); % 计算平均Jerk
    
 end
    
  
    
 % 获取加速度数据
    
 acceleration = getAccelerationData();
    
  
    
 % 计算行驶舒适性
    
 comfortLevel = calculateComfortLevel(acceleration);
    
 disp(['Comfort Level: ', num2str(comfortLevel)]);
路径跟踪误差

通过计算车辆实际行驶路径与规划路径之间的偏差,评估路径跟踪误差。

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 function trackingError = calculateTrackingError(actualPath, plannedPath)

    
     % 示例:计算路径跟踪误差
    
     distance = sqrt(sum((actualPath - plannedPath).^2, 2)); % 计算两点间距离
    
     trackingError = mean(distance); % 计算平均跟踪误差
    
 end
    
  
    
 % 获取实际路径和规划路径数据
    
 actualPath = getActualPathData();
    
 plannedPath = getPlannedPathData();
    
  
    
 % 计算路径跟踪误差
    
 trackingError = calculateTrackingError(actualPath, plannedPath);
    
 disp(['Tracking Error: ', num2str(trackingError), ' meters']);
步骤9:性能优化

为了解决自动驾驶车辆路径平滑化处理的问题,我们可以采取多种改进措施来提升相关性能指标。

调整平滑参数

对路径光滑化处理模块进行人工微调设置,在贝塞尔曲线绘制阶段需调节控制点数量以平衡复杂度与平滑效果;同时在样条插值计算时注意节点密度设置;最后通过调节滤波器参数可有效去除不必要的细节抖动;直至获得预期的视觉效果

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 % 修改贝塞尔曲线控制点数量

    
 set_param([modelName '/Bezier_Smoothing'], 'NumControlPoints', '10'); % 更改为10个控制点
    
  
    
 % 修改样条插值节点密度
    
 set_param([modelName '/Spline_Smoothing'], 'NumNodes', '50'); % 更改为50个节点
    
  
    
 % 修改低通滤波器的截止频率
    
 set_param([modelName '/Lowpass_Filter'], 'CutoffFrequency', '0.05'); % 更改为0.05Hz
引入多传感器融合算法

采用多传感器融合算法(包括卡尔曼滤波与粒子滤波)旨在通过提高数据的准确性与可靠性来实现目标。

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 % 使用多传感器数据融合算法

    
 add_block('automatedDriving/Multi-Sensor Fusion', [modelName '/Multi_Sensor_Fusion']);
    
 set_param([modelName '/Multi_Sensor_Fusion'], 'FusionAlgorithm', 'Kalman Filter'); % 设置融合算法为卡尔曼滤波
    
  
    
 % 连接传感器数据聚合模块到多传感器融合模块
    
 add_line(modelName, [modelName '/Sensor_Data_Aggregator'], [modelName '/Multi_Sensor_Fusion'], 'autorouting', 'on');
    
  
    
 % 连接多传感器融合模块到路径平滑处理模块
    
 add_line(modelName, [modelName '/Multi_Sensor_Fusion'], [modelName '/Bezier_Smoothing'], 'autorouting', 'on');
使用更精确的路径规划算法

采用更为精准的路径规划系统(例如基于图形搜索的方法)来优化路径规划系统的精度

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 % 使用基于图搜索的路径规划算法

    
 add_block('automatedDriving/Graph-Based Path Planner', [modelName '/Path_Planner']);
    
 set_param([modelName '/Path_Planner'], 'Algorithm', 'A*'); % 设置算法为A*
    
  
    
 % 连接传感器数据聚合模块到路径规划模块
    
 add_line(modelName, [modelName '/Sensor_Data_Aggregator'], [modelName '/Path_Planner'], 'autorouting', 'on');
    
  
    
 % 连接路径规划模块到路径平滑处理模块
    
 add_line(modelName, [modelName '/Path_Planner'], [modelName '/Bezier_Smoothing'], 'autorouting', 'on');

借助Simulink Test工具箱执行自动化测试与验证过程, 保证系统的稳定性, 在各个驱动周期下表现良好.

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 % 创建测试用例

    
 testCase = sltest.testmanager.TestFile('PathSmoothing_TestCases');
    
 testCase.addTestSuite('PathSmoothing_TestSuite');
    
 testCase.addTestCase('Scenario_1', 'Standard_WLTC_Cycle');
    
  
    
 % 运行测试
    
 sltest.testmanager.run(testCase);
四、总结

按照本指南所述内容, 我们指导如何构建一个基于Simulink平台的自动驾驶车辆路径平滑处理仿真模型, 并对其进行了仿真模拟和性能评估. 具体涵盖内容如下:

  • 背景介绍:深入理解自动驾驶车辆路径平滑处理技术及其在智能交通系统中的应用价值。
  • 所需工具和环境:详细列出进行自动驾驶车辆路径平滑处理仿真所需的主流工具及软硬件开发环境。
  • 步骤详解:系统性地构建并完成一个完整的路径平滑处理模型,并详细阐述其包含的主要模块设计内容。
    • 包括车辆动力学建模模块的设计思路
    • 路径规划模块的设计方案
    • 路径平滑处理模块的具体实现方法
    • 传感器数据采集与融合技术的应用方案
    • 整体仿真配置及运行流程
  • 性能评估:采用多维度评估标准对系统进行全面测试与分析,
    • 包括观察系统的运行稳定性
    • 测量系统的实时响应能力
    • 分析系统的鲁棒性表现
  • 性能优化:通过深入分析影响系统性能的关键参数,
    • 对其取值范围及调节策略进行优化研究
    • 引入先进的多传感器融合算法提升精度
    • 或采用更为精确的智能导航算法以获得更好的效果

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