手把手教你学simulink--Simulink智能驾驶辅助系统:行人检测与避障仿真
目录
Simulink智能驾驶辅助系统:行人检测与避障仿真
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:设计传感器模块
步骤3.1:添加摄像头传感器模块
步骤3.2:添加行人检测模块
步骤3.3:连接传感器模块
步骤4:设计数据处理模块
步骤4.1:添加目标跟踪模块
步骤4.2:连接行人检测模块到目标跟踪模块
步骤5:设计决策模块
步骤5.1:添加决策逻辑模块
步骤5.2:连接目标跟踪模块到决策逻辑模块
步骤6:设计控制模块
步骤6.1:添加控制器模块
步骤6.2:连接决策逻辑模块到控制器模块
步骤6.3:连接控制器模块到车辆底盘模块
步骤7:设置仿真参数
步骤8:运行仿真
步骤9:性能评估
检测准确率
避障成功率
动态响应特性
安全性分析
步骤10:性能优化
调整检测阈值
增加冗余机制
使用更先进的算法
使用Simulink Test进行自动化测试
四、总结
在智能驾驶辅助系统中,行人检测与避障是一个关键的功能,它确保车辆能够安全地避开行人,避免潜在的碰撞。通过Simulink仿真,我们可以验证和优化这一功能。以下是一个详细的指南,帮助你在Simulink中搭建一个用于行人检测与避障仿真的模型。
Simulink智能驾驶辅助系统:行人检测与避障仿真
一、背景介绍
行人检测与避障系统 主要包括以下几个部分:
- 传感器模块 :使用摄像头或其他传感器(如激光雷达)来检测行人。
 - 数据处理模块 :对传感器数据进行处理,识别并跟踪行人。
 - 决策模块 :根据当前的交通状况生成最优的避障策略。
 - 控制模块 :执行避障策略,调整车辆的速度和方向。
 - 性能评估模块 :评估系统的性能指标,如检测准确率、避障成功率等。
 
在本实例中,我们将使用 Automated Driving Toolbox 和 Sensor Fusion and Tracking Toolbox 来构建一个行人检测与避障系统的仿真模型,并进行验证。
二、所需工具和环境
为了进行行人检测与避障的仿真,你需要以下工具和环境:
- MATLAB/Simulink :用于建模和仿真。
 - Automated Driving Toolbox :提供自动驾驶相关的工具和模块。
 - Sensor Fusion and Tracking Toolbox :用于传感器数据处理和融合。
 - SimEvents :用于事件驱动的离散事件仿真(可选)。
 - Simulink Test :用于自动化测试和验证(可选)。
 
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
- 启动 MATLAB。
 - 在命令窗口中输入 
simulink打开 Simulink 启动页。 - 点击“Blank Model”创建一个新的空白模型。
 
        matlab
深色版本
 % 创建新的Simulink模型
    
 modelName = 'PedestrianDetectionAndAvoidance';
    
 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
- 在 
Automated Driving Toolbox > Vehicle Library > Chassis库中拖拽Rigid Body模块到模型编辑区。 - 设置参数如质量、惯性矩等。
 
        matlab
深色版本
 % 添加车辆底盘模块
    
 add_block('automatedDriving/Rigid Body', [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
    
    
    
    
        步骤2.2:添加纵向和横向控制模块
- 在 
Automated Driving Toolbox > Vehicle Library > Longitudinal Driver Inputs和Lateral Driver Inputs库中分别拖拽Longitudinal Driver和Lateral Driver模块到模型编辑区。 - 设置参数如最大加速度、转向角速率等。
 
        matlab
深色版本
 % 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。
        matlab
深色版本
 % 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:设计传感器模块
我们将使用摄像头传感器来检测行人。
步骤3.1:添加摄像头传感器模块
- 在 
Automated Driving Toolbox > Sensors库中拖拽Camera Sensor模块到模型编辑区。 - 设置参数如视场角、分辨率等。
 
        matlab
深色版本
 % 添加摄像头传感器模块
    
 add_block('automatedDriving/Camera Sensor', [modelName '/Camera_Sensor']);
    
 set_param([modelName '/Camera_Sensor'], 'FOV', '90'); % 设置视场角为90度
    
 set_param([modelName '/Camera_Sensor'], 'Resolution', '[640, 480]'); % 设置分辨率为640x480
    
    
    
    
        步骤3.2:添加行人检测模块
- 在 
Automated Driving Toolbox > Perception库中拖拽Pedestrian Detector模块到模型编辑区。 - 设置参数如检测阈值、最小目标尺寸等。
 
        matlab
深色版本
 % 添加行人检测模块
    
 add_block('automatedDriving/Pedestrian Detector', [modelName '/Pedestrian_Detector']);
    
 set_param([modelName '/Pedestrian_Detector'], 'DetectionThreshold', '0.5'); % 设置检测阈值为0.5
    
 set_param([modelName '/Pedestrian_Detector'], 'MinTargetSize', '[20, 20]'); % 设置最小目标尺寸为20x20像素
    
    
    
    
        步骤3.3:连接传感器模块
将摄像头传感器模块的输出连接到行人检测模块的输入端口。
        matlab
深色版本
 % 连接摄像头传感器模块到行人检测模块
    
 add_line(modelName, [modelName '/Camera_Sensor'], [modelName '/Pedestrian_Detector'], 'autorouting', 'on');
    
    
    
    
        步骤4:设计数据处理模块
我们将使用 Sensor Fusion and Tracking Toolbox 中的数据处理模块来处理传感器数据,并识别当前的行人位置。
步骤4.1:添加目标跟踪模块
- 在 
Sensor Fusion and Tracking Toolbox > Sensor Fusion and Tracking库中拖拽Multi-Object Tracker模块到模型编辑区。 - 设置参数如跟踪器类型、初始化方法等。
 
        matlab
深色版本
 % 添加目标跟踪模块
    
 add_block('sensorFusion/Multi-Object Tracker', [modelName '/Tracker']);
    
  
    
 % 设置参数
    
 set_param([modelName '/Tracker'], 'TrackerType', 'Global Nearest Neighbor (GNN)'); % 设置跟踪器类型为全局最近邻
    
 set_param([modelName '/Tracker'], 'InitializationMethod', 'Constant Velocity'); % 设置初始化方法为恒定速度
    
    
    
    
        步骤4.2:连接行人检测模块到目标跟踪模块
将行人检测模块的输出连接到目标跟踪模块的输入端口。
        matlab
深色版本
 % 连接行人检测模块到目标跟踪模块
    
 add_line(modelName, [modelName '/Pedestrian_Detector'], [modelName '/Tracker'], 'autorouting', 'on');
    
    
    
    
        步骤5:设计决策模块
我们将设计一个简单的决策模块,根据当前的行人位置生成最优的避障策略。
步骤5.1:添加决策逻辑模块
- 在 
Simulink > User-Defined Functions库中拖拽MATLAB Function模块到模型编辑区。 - 编写代码,根据当前的行人位置生成避障策略(如减速或转向)。
 
        matlab
深色版本
 % 添加决策逻辑模块
    
 add_block('simulink/User-Defined Functions/MATLAB Function', [modelName '/Decision_Logic']);
    
  
    
 % 编写MATLAB Function代码
    
 function action = fcn(pedestrianPosition, vehiclePosition)
    
     % pedestrianPosition 是从目标跟踪模块获取的行人位置信息
    
     % vehiclePosition 是当前车辆的位置信息
    
     distance = norm(pedestrianPosition - vehiclePosition); % 计算行人与车辆的距离
    
     
    
     if distance < 10 % 如果距离小于10米
    
     action = 'Brake'; % 减速
    
     elseif distance < 20 % 如果距离小于20米
    
     action = 'SteerLeft'; % 向左转向
    
     else
    
     action = 'Continue'; % 继续行驶
    
     end
    
 end
    
    
    
    
        步骤5.2:连接目标跟踪模块到决策逻辑模块
将目标跟踪模块的输出连接到决策逻辑模块的输入端口。
        matlab
深色版本
 % 连接目标跟踪模块到决策逻辑模块
    
 add_line(modelName, [modelName '/Tracker'], [modelName '/Decision_Logic'], 'autorouting', 'on');
    
    
    
    
        步骤6:设计控制模块
我们将设计一个简单的控制模块,根据决策模块的输出调整车辆的速度和方向。
步骤6.1:添加控制器模块
- 在 
Simulink > Continuous库中拖拽PID Controller模块到模型编辑区。 - 设置参数如比例系数、积分时间、微分时间等。
 
        matlab
深色版本
 % 添加PID控制器模块
    
 add_block('simulink/Continuous/PID Controller', [modelName '/PID_Controller']);
    
 set_param([modelName '/PID_Controller'], 'P', '1'); % 设置比例系数为1
    
 set_param([modelName '/PID_Controller'], 'I', '0.1'); % 设置积分时间为0.1秒
    
 set_param([modelName '/PID_Controller'], 'D', '0.01'); % 设置微分时间为0.01秒
    
    
    
    
        步骤6.2:连接决策逻辑模块到控制器模块
将决策逻辑模块的输出连接到控制器模块的输入端口。
        matlab
深色版本
 % 连接决策逻辑模块到控制器模块
    
 add_line(modelName, [modelName '/Decision_Logic'], [modelName '/PID_Controller'], 'autorouting', 'on');
    
    
    
    
        步骤6.3:连接控制器模块到车辆底盘模块
将控制器模块的输出连接到车辆底盘模块的相应输入端口。
        matlab
深色版本
 % 连接控制器模块到车辆底盘模块
    
 add_line(modelName, [modelName '/PID_Controller'], [modelName '/Vehicle'], 'autorouting', 'on');
    
    
    
    
        步骤7:设置仿真参数
在模型编辑器顶部菜单栏中点击 Simulation > Model Configuration Parameters,根据需要调整仿真时间(如 60 秒)、求解器类型(推荐使用 ode45)和其他相关参数。
        matlab
深色版本
 % 设置仿真参数
    
 set_param(modelName, 'StopTime', '60'); % 模拟运行时间为60秒
    
 set_param(modelName, 'Solver', 'ode45');
    
    
    
    
        步骤8:运行仿真
完成上述步骤后,点击工具栏上的“Run”按钮开始仿真。观察车辆的行为,确保其能够正确地检测行人并采取适当的避障措施。
步骤9:性能评估
为了全面评估行人检测与避障系统的性能,我们需要关注以下几个关键性能指标:
检测准确率
通过统计成功检测到的行人数量与实际存在的行人数量之比,评估检测的准确率。
        matlab
深色版本
 % 获取检测统计数据
    
 detectedCount = getDetectedCount(); // 自定义函数获取检测到的行人数量
    
 actualCount = getActualCount(); // 自定义函数获取实际存在的行人数量
    
  
    
 % 计算检测准确率
    
 accuracy = detectedCount / actualCount;
    
  
    
 % 显示结果
    
 disp(['Detection Accuracy: ', num2str(accuracy * 100), '%']);
    
    
    
    
        避障成功率
通过统计成功避开的行人数量与总出现的行人数量之比,评估避障的成功率。
        matlab
深色版本
 % 获取避障统计数据
    
 avoidedCount = getAvoidedCount(); // 自定义函数获取成功避开的行人数量
    
 totalCount = getTotalCount(); // 自定义函数获取总出现的行人数量
    
  
    
 % 计算避障成功率
    
 successRate = avoidedCount / totalCount;
    
  
    
 % 显示结果
    
 disp(['Obstacle Avoidance Success Rate: ', num2str(successRate * 100), '%']);
    
    
    
    
        动态响应特性
通过阶跃响应或斜坡响应测试,评估系统的动态响应特性,如超调量、振荡次数等。
        matlab
深色版本
 % 计算超调量
    
 overshoot = calculateOvershoot(vehicleSpeed); // 自定义函数计算车辆速度的超调量
    
  
    
 // 显示结果
    
 disp(['Overshoot: ', num2str(overshoot), '%']);
    
    
    
    
        安全性分析
通过分析车辆轨迹和传感器数据,确保车辆能够安全地避开行人,避免碰撞其他行人或障碍物。
        matlab
深色版本
 % 获取车辆轨迹数据
    
 trajectory = getTrajectory();
    
  
    
 % 检查是否发生碰撞
    
 if any(isCollision(trajectory)) % 自定义函数检查是否发生碰撞
    
     disp('Warning: Collision detected.');
    
 else
    
     disp('Vehicle successfully avoided pedestrians without collision.');
    
 end
    
    
    
    
        步骤10:性能优化
为了优化行人检测与避障系统的性能,我们可以通过以下几种方法进行改进:
调整检测阈值
手动调整行人检测模块中的检测阈值,直到达到满意的检测准确率。
        matlab
深色版本
 % 修改行人检测模块中的检测阈值
    
 set_param([modelName '/Pedestrian_Detector'], 'DetectionThreshold', '0.6'); % 更改为0.6
    
    
    
    
        增加冗余机制
引入冗余机制(如多传感器融合),提高检测的可靠性和稳定性。
        matlab
深色版本
 % 添加激光雷达传感器模块
    
 add_block('automatedDriving/Lidar Sensor', [modelName '/Lidar_Sensor']);
    
 set_param([modelName '/Lidar_Sensor'], 'Range', '100'); % 设置激光雷达的最大探测范围为100米
    
  
    
 % 将激光雷达传感器模块的输出连接到行人检测模块
    
 add_line(modelName, [modelName '/Lidar_Sensor'], [modelName '/Pedestrian_Detector'], 'autorouting', 'on');
    
    
    
    
        使用更先进的算法
使用更先进的行人检测算法(如深度学习模型)来提高检测的准确性和实时性。
        matlab
深色版本
 % 使用深度学习行人检测模型
    
 add_block('deepLearning/Pedestrian Detection Using Deep Learning', [modelName '/Deep_Learning_Pedestrian_Detector']);
    
    
    
    
        使用Simulink Test进行自动化测试
利用 Simulink Test 工具箱进行自动化测试和验证,确保系统在不同场景下的稳定性。
        matlab
深色版本
 % 创建测试用例
    
 testCase = sltest.testmanager.TestFile('PedestrianDetection_TestCases');
    
 testCase.addTestSuite('PedestrianDetection_TestSuite');
    
 testCase.addTestCase('Scenario_1', 'Initial_Pedestrian_Counts_5');
    
  
    
 % 运行测试
    
 sltest.testmanager.run(testCase);
    
    
    
    
        四、总结
通过本指南,我们介绍了如何基于Simulink搭建一个用于行人检测与避障的仿真模型,并进行仿真和性能评估。主要内容包括:
- 背景介绍 :理解行人检测与避障系统及其在智能驾驶中的应用。
 - 所需工具和环境 :列出进行行人检测与避障仿真所需的工具和环境。
 - 步骤详解 :从零开始搭建一个完整的行人检测与避障系统模型,并进行车辆动力学建模、传感器模块设计、数据处理、决策与控制模块设计、仿真设置与运行。
 - 性能评估 :通过检测准确率、避障成功率、动态响应特性、安全性分析等指标评估系统的性能。
 - 性能优化 :通过调整检测阈值、增加冗余机制或使用更先进的算法,提高系统的性能。
 
