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Simulink开发项1000例实战专栏--实例210:Simulink智能驾驶辅助系统:行人检测与避障仿真

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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占据核心地位的是行人检测与避障功能。该功能旨在保障车辆在遇到行人在其路径时躲开并预防潜在的碰撞风险。利用Simulink仿真技术进行验证和优化是实现这一功能的关键步骤。以下将提供一个详细的操作指南,在此指南中您将学会如何构建一个基于行...

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:

  1. 传感器模块 :该系统依赖摄像头或其他类型的传感器(如激光雷达)来检测行人。
    2. 数据处理模块 :通过分析传感器数据来识别并追踪行人。
    3. 决策模块 :根据实时交通状况动态生成最优避障策略。
    4. 控制模块 :会根据预设策略自动调整车辆速度与转向方向。
    5. 性能评估模块 :负责评估系统的关键性能指标,包括行人检测准确率与避障成功率等。

在本实例中,我们将在两个关键工具的基础上搭建一套行人检测与避障系统的仿真模型,并随后完成验证工作。

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:

  1. MATLAB/Simulink 主要用于建模与仿真操作。
  2. Automated Driving Toolbox 包含一系列自动驾驶相关功能模块。
  3. Sensor Fusion and Tracking Toolbox 专注于传感器数据融合与处理技术。
  4. SimEvents 主要用于实现基于事件驱动机制的离散事件系统仿真(可选配置)。
  5. Simulink Test 提供自动化系统测试与验证功能(可选配置)。
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。
  • 通过在命令窗口输入 simulink 指令即可打开Simulink起始界面。
  • 单击‘Blank Model’按钮以创建一个新的空模型。
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 % 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 车辆库 Vehicle Library 下的 Chassis 子库中导入 Rigid Body 模块至模型编辑区。
    • 配置模块参数包括质量、惯性矩等属性。
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 % 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 的 Vehicle Library 目录下依次拖放 Longitudinal Driver 和 Lateral Driver 组件至模型设计器界面。
    • 配置设置包括最大加速度值、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 的 Sensors 窗口中拖放 Camera Sensor 模块至模型编辑区进行配置。
    • 请设置相关参数(包括视场角和分辨率等信息)。
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 % 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 的 Perception 库中进行 Pedestrian Detector 模块的拖放操作至场景配置界面。
    • 请依次配置相关参数设置:包括但不限于检测阈值调节以优化物体检测灵敏度以及最小目标尺寸设定以确保检测对象的有效识别。
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 % 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。

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 % 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

我们整合了 Sensor Fusion and Tracking Toolbox 的数据处理功能来处理传感器数据,并同时实现了行人实时位置的检测。

步骤4.1:添加目标跟踪模块
  • Sensor Fusion and Tracking Toolbox > Sensor Fusion and Tracking 包中被拖放 Multi-Object Tracker 组件到模型编辑区。
    • 配置参数如追踪器类型和初始化方法等。
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 % 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。

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 % 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

我们将开发一个基础决策系统,并基于实时行人数据计算最佳避让方案。

步骤5.1:添加决策逻辑模块
  • 在 Simulink 的 User-Defined Functions 库中拖拽 MATLAB Function 块导入到模型编辑区.*
  • 开发代码以基于当前行人位置制定避障策略(如减速或转向).*
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 % 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。

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 % 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

我们将会开发一个简单的控制模块,并依据决策模块的输出来调节车辆的速度和行驶方向。

步骤6.1:添加控制器模块
  • 在 Simulink 的 Continuous 子库中拖放 PID Controller 组件至模型编辑区。
    • 请配置 PID Controller 的参数设置(包括比例系数 Kp、积分时间 Ti 和微分时间 Td 等)。
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 % 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。

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 % 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。

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 % 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

启动模型编辑器时,请选择 Simulation > Model Configuration Parameters 菜单项。建议根据具体需求调节仿真时长(例如60秒)、求解算法(推荐采用龙格-库塔法的变体 ode45)以及相关的设置项。

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 % 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

在完成所有操作流程之后,请您启动仿真过程。通过持续监控车辆动态以确保其能够准确识别行人并采取有效的规避障碍的措施。

步骤9:性能评估

我们应当系统性地考察行人检测与避障系统的各项关键性能参数。

检测准确率

利用计算正确识别出的行人数量与真实数量之间的比率来测定检测系统的准确率

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 % 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

通过计算避免成功发生的人数与总行人人数之间的比率来衡量避障系统的效率

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 % 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

采用阶跃信号或斜坡信号进行测试,并对系统的动态响应特性进行分析研究。具体而言,则需考察系统在动态过程中所呈现的关键性能参数包括但不仅限于超调率、振荡频率和调节时间等各项指标

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 % 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

利用先进的数据分析技术对车辆运行轨迹和传感器数据进行收集与整合,并通过该系统实现对行人的安全避让。该系统不仅有效规避行人的潜在危险路径,并成功隔离障碍物

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 % 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

为了提升行人检测与避障系统的性能表现,我们可以采用多种改进措施来实现这一目标。

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。

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 % 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。

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 % 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

采用新型行人检测算法(包括基于深度学习模型的设计)以显著提升检测的准确性和实时性

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 % 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']);

通过 Simulink Test 工具箱实施系统化地执行测试与验证流程,以保证系统的适应性在各种工作场景中的可靠性。

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 % 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

按照本指南阐述了如何利用Simulink构建一个针对行人检测与避障的仿真模型,并不仅实现了对行人的检测与避障功能,并且进行了相应的仿真测试和性能评估。主要涵盖的内容有:

  • 背景介绍:掌握行人检测与避障系统的基本原理及其在智能驾驶场景中的实际应用情况。
    • 所需工具和环境:概述实现行人检测与避障仿真所必需的主要工具及工作环境配置。
    • 步骤详解:从零开始构建一个完整的行人检测与避障系统模型,并详细阐述以下关键环节的具体实施步骤:
      • 车辆动力学建模
      • 传感器模块的设计
      • 数据处理流程
      • 决策与控制模块的开发
      • 仿真参数设置及运行流程
    • 性能评估:基于以下关键指标对系统的性能进行全面评估:
      • 行人检测准确率
      • 避障成功率
      • 动态响应特性
      • 安全性和稳定性评估
    • 性能优化:通过优化以下技术手段提升系统整体性能:
      • 行人检测灵敏度调节
      • 引入冗余保护机制
      • 应用深度学习算法辅助优化

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