CN114407847A - 一种基于机器学习的单踏板线控底盘汽车辅助制动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于机器学习的单踏板线控底盘汽车辅助制动方法,包括以下步骤:样本数据获取;基于支持向量回归算法和自适应粒子群算法构建驾驶员行为模型;实时监测驾驶员是否误操作纵向控制踏板,在***判定驾驶员误操作纵向控制踏板后,汽车由单踏板驾驶模式变为制动模式,驾驶员向下踩纵向控制踏板时汽车接收到的是制动信号,制动执行机构开始执行,同时切断加速信号,保证汽车安全性,避免因意外的急加速而产生交通事故。
Description
技术领域
本发明涉及汽车技术领域,特别涉及一种基于机器学习的单踏板线控底盘汽车辅助制动方法。
背景技术
随着汽车技术的发展,出现了具有单踏板驾驶模式的线控底盘汽车,采用纵向控制踏板代替传统加速踏板。纵向控制踏板具有加速制动一体化的特点,其工作原理是驾驶员踩纵向控制踏板时,电机输出驱动扭矩,实现汽车的加速;驾驶员松纵向控制踏板后,电机输出制动扭矩通过再生制动来实现汽车的减速。
然而,在驾驶员已经适应踩纵向控制踏板加速、松纵向控制踏板制动的设定后,当遇到突发情况需要紧急制动的时候,由于驾驶习惯使然,很可能忽略制动踏板的存在而误操作纵向控制踏板。目前,国内外发生多起单踏板汽车意外加速事故,据调查这些事故均是由于驾驶员对踏板使用不当造成的。如何最大限度地减少该类恶性事故的发生并进一步提高汽车的安全性刻不容缓。研究一种能够准确感知驾驶员误操作踏板这一危险行为并帮助驾驶员采取制动措施的单踏板线控底盘汽车辅助制动方法以避免或减轻伤亡事故显得十分有必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于机器学习的单踏板线控底盘汽车辅助制动方法来解决上述技术问题。
该单踏板线控底盘汽车辅助制动方法包括以下步骤:
S1:样本数据获取:
挑选有C2及以上级别机动车驾驶证且年龄均匀分布在18-60岁之间的100名男性试验者和100名女性试验者在练车场进行实车试验,该实车采用加速制动一体化的纵向控制踏板代替传统加速踏板,驾驶员踩纵向控制踏板汽车加速,松纵向控制踏板汽车通过再生制动减速,纵向控制踏板左侧存在与传统汽车一致的制动踏板,用于紧急制动;在试验开始前采集每名试验者的年龄、驾龄、身高和体重信息,之后对每名试验者分别进行在平稳加速、急加速和遇到障碍物误操作纵向控制踏板三种工况下的测试,每种工况安排10次测试,在试验过程中三种工况随机出现;试验过程中实时监测车速和汽车与前方障碍物的距离,并采集所有试验者在急加速和遇到障碍物误操作纵向控制踏板工况下的纵向控制踏板角加速度最大值、纵向控制踏板压力最大值、方向盘手握力最大值、方向盘转矩最大值、方向盘转角最大值、方向盘转动角速度最大值和方向盘转动角加速度最大值。
S2:构建驾驶员行为模型:
基于试验数据构建驾驶员年龄、驾龄、身高、体重、车速和汽车与前方障碍物的距离关于纵向控制踏板角加速度最大值、纵向控制踏板压力最大值、方向盘手握力最大值、方向盘转矩最大值、方向盘转角最大值、方向盘转动角速度最大值和方向盘转动角加速度最大值的端到端预测模型,所述的端到端预测模型通过支持向量回归模型建立。
将样本数据中的驾驶员年龄、驾龄、身高、体重、车速和汽车与前方障碍物的距离作为支持向量回归模型的输入变量,将样本数据中的纵向控制踏板角加速度最大值、纵向控制踏板压力最大值、方向盘手握力最大值、方向盘转矩最大值、方向盘转角最大值、方向盘转动角速度最大值和方向盘转动角加速度最大值作为支持向量回归模型的输出变量。将归一化处理后的训练数据集送入支持向量回归模型中进行训练,并用所学习到的高维映射关系对纵向控制踏板角加速度最大值、纵向控制踏板压力最大值、方向盘手握力最大值、方向盘转矩最大值、方向盘转角最大值、方向盘转动角速度最大值和方向盘转动角加速度最大值进行预测,为建立驾驶员误踩踏板从而误加速的判别逻辑提供数据基础。
具体步骤如下:
将样本数据按照如下方程进行归一化处理:
其中,Xmin为样本数据的最小值;Xmax为样本数据的最大值;X为样本数据;X'为归一化后的数据,范围在[0,1]。
在样本数据完成归一化处理后,将归一化处理后的数据划分成两部分,其中,80%归为训练数据集,20%归为测试数据集。
f(x)=w·Φ(x)+b
其中,x为输入变量,Φ(x)为将x映射到高维线性空间的非线性函数,w为权重向量,b为偏置。
为了最小化回归误差,支持向量回归算法的目标函数,可表示如下方程:
其中,Cp为惩罚系数,表示训练过程中模型对误差大于ε的样本的惩罚程度,lε为ε-不敏感损失函数,ε表示不敏感损失系数,ε越小表示回归函数的误差要求越小,lε表达式可表示为如下方程:
其中,z表示支持向量回归算法的拟合值与真实值的误差。
在数据不符合lε(z)的约束条件时,引入松弛变量δi,δi *来纠正不规则的因子,之后可得到如下方程:
通过引入拉格朗日乘子αi、αi *简化计算,将上式转化为求αi,αi *的对偶问题:
其中,K(xi,xj)是核函数,本发明选用RBF核函数,RBF核函数定义为如下方程:
K(xi,xj)=exp(-γ||xi-xj||2)
其中,γ为核参数。
根据卡罗需-库恩-塔克条件,求解得到回归函数f(x)可表示为:
基于上述方法,所述驾驶员行为模型可以抽象为:
y=f(x|(Cp,ε,γ))。
之后,使用自适应粒子群算法对支持向量回归模型的三个超参数即惩罚系数Cp,核参数γ,不敏感损失系数ε进行优化。选取能直接反映回归性能的平均绝对百分比误差MAPE来作为自适应粒子群算法的适应度函数fitness,即:
其中,n是样本数据的数量,yi是预测值,f(xi)是实验值。
使用训练得到的支持向量回归模型对纵向控制踏板角加速度最大值、纵向控制踏板压力最大值、方向盘手握力最大值、方向盘转矩最大值、方向盘转角最大值、方向盘转动角速度最大值和方向盘转动角加速度最大值进行预测,采用均方误差MSE和决定系数R2对模型的预测结果进行评估:
S3:实时监测驾驶员是否误操作纵向控制踏板:
在驾驶员开始驾驶汽车前采集驾驶员的年龄、驾龄、身高和体重,在汽车行驶过程中实时监测车速和汽车与前方障碍物的距离,以及纵向控制踏板角加速度a、纵向控制踏板压力h、方向盘手握力f、方向盘转矩m、方向盘转角θ、方向盘转动角速ω度和方向盘转动角加速度β;同时通过支持向量回归模型计算驾驶员在急加速工况下的纵向控制踏板角加速度最大值a1、纵向控制踏板压力最大值h1、方向盘手握力最大值f1、方向盘转矩最大值m1、方向盘转角最大值θ1、方向盘转动角速度最大值ω1和方向盘转动角加速度最大值β1,和遇到障碍物误操作纵向控制踏板工况下的纵向控制踏板角加速度最大值a2、纵向控制踏板压力最大值h2、方向盘手握力最大值f2、方向盘转矩最大值m2、方向盘转角最大值θ2、方向盘转动角速度最大值ω2和方向盘转动角加速度最大值β2。
在以下两种情况中的任何一种发生时,***判定驾驶员误操作纵向控制踏板,启动辅助制动模块:
情况一:以下七个条件同时满足四个及以上:
①a1≤a<a2;
②h1≤h<h2;
③f1≤f<f2;
④m1≤m<m2;
⑤θ1≤θ<θ2;
⑥ω1≤ω<ω2;
⑦β1≤β<β2;
情况二:以下七个条件满足任何一个:
①a≥a2;
②h≥h2;
③f≥f2;
④m≥m2;
⑤θ≥θ2;
⑥ω≥ω2;
⑦β≥β2。
所述辅助制动模块在***判定驾驶员误操作纵向控制踏板后开始工作,汽车由加速制动一体化的单踏板驾驶模式变为制动模式,驾驶员向下踩纵向控制踏板时汽车接收到的是制动信号,制动执行机构开始执行,同时切断加速信号,当纵向控制踏板压力和车速均为0时,辅助制动模块复原,汽车恢复为单踏板驾驶模式,此后,驾驶员可以正常驾驶汽车,踩纵向控制踏板汽车加速,松纵向控制踏板汽车减速。
本发明的有益效果为:
1.基于自适应粒子群算法和支持向量回归算法建立了驾驶员年龄、驾龄、身高、体重、车速和汽车与前方障碍物的距离关于加速踏板加速度最大值、加速踏板压力最大值、方向盘手握力最大值、方向盘转矩最大值、方向盘转角最大值、方向盘转动角速度最大值和方向盘转动角加速度最大值的代理模型。
2.在***判定驾驶员误操作纵向控制踏板后,汽车由单踏板驾驶模式变为制动模式,驾驶员向下踩纵向控制踏板时汽车接收到的是制动信号,制动执行机构开始执行,并且切断加速信号,避免因意外的急加速而产生交通事故。
3.该方法通用性强,普遍适用于不同厂商生产的汽车。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明的一种基于机器学习的单踏板线控底盘汽车辅助制动方法的***框架图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述,以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,因此只作为示例,而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是,除非另有说明,本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
一种基于机器学习的单踏板线控底盘汽车辅助制动方法,其***框架图如图1所示。
该单踏板线控底盘汽车辅助制动方法包括以下步骤:
该单踏板线控底盘汽车辅助制动方法包括以下步骤:
S1:样本数据获取:
挑选有C2及以上级别机动车驾驶证且年龄均匀分布在18-60岁之间的100名男性试验者和100名女性试验者在练车场进行实车试验,该实车采用加速制动一体化的纵向控制踏板代替传统加速踏板,驾驶员踩纵向控制踏板汽车加速,松纵向控制踏板汽车通过再生制动减速,纵向控制踏板左侧存在与传统汽车一致的制动踏板,用于紧急制动;在试验开始前采集每名试验者的年龄、驾龄、身高和体重信息,之后对每名试验者分别进行在平稳加速、急加速和遇到障碍物误操作纵向控制踏板三种工况下的测试,每种工况安排10次测试,在试验过程中三种工况随机出现;试验过程中实时监测车速和汽车与前方障碍物的距离,并采集所有试验者在急加速和遇到障碍物误操作纵向控制踏板工况下的纵向控制踏板角加速度最大值、纵向控制踏板压力最大值、方向盘手握力最大值、方向盘转矩最大值、方向盘转角最大值、方向盘转动角速度最大值和方向盘转动角加速度最大值。
S2:构建驾驶员行为模型:
基于试验数据构建驾驶员年龄、驾龄、身高、体重、车速和汽车与前方障碍物的距离关于纵向控制踏板角加速度最大值、纵向控制踏板压力最大值、方向盘手握力最大值、方向盘转矩最大值、方向盘转角最大值、方向盘转动角速度最大值和方向盘转动角加速度最大值的端到端预测模型,所述的端到端预测模型通过支持向量回归模型建立。
将样本数据中的驾驶员年龄、驾龄、身高、体重、车速和汽车与前方障碍物的距离作为支持向量回归模型的输入变量,将样本数据中的纵向控制踏板角加速度最大值、纵向控制踏板压力最大值、方向盘手握力最大值、方向盘转矩最大值、方向盘转角最大值、方向盘转动角速度最大值和方向盘转动角加速度最大值作为支持向量回归模型的输出变量。将归一化处理后的训练数据集送入支持向量回归模型中进行训练,并用所学习到的高维映射关系对纵向控制踏板角加速度最大值、纵向控制踏板压力最大值、方向盘手握力最大值、方向盘转矩最大值、方向盘转角最大值、方向盘转动角速度最大值和方向盘转动角加速度最大值进行预测,为建立驾驶员误踩踏板从而误加速的判别逻辑提供数据基础。
具体步骤如下:
将样本数据按照如下方程进行归一化处理:
其中,Xmin为样本数据的最小值;Xmax为样本数据的最大值;X为样本数据;X'为归一化后的数据,范围在[0,1]。
在样本数据完成归一化处理后,将归一化处理后的数据划分成两部分,其中,80%归为训练数据集,20%归为测试数据集。
f(x)=w·Φ(x)+b
其中,x为输入变量,Φ(x)为将x映射到高维线性空间的非线性函数,w为权重向量,b为偏置。
为了最小化回归误差,支持向量回归算法的目标函数,可表示如下方程:
其中,Cp为惩罚系数,表示训练过程中模型对误差大于ε的样本的惩罚程度,lε为ε-不敏感损失函数,ε表示不敏感损失系数,ε越小表示回归函数的误差要求越小,lε表达式可表示为如下方程:
其中,z表示支持向量回归算法的拟合值与真实值的误差。
在数据不符合lε(z)的约束条件时,引入松弛变量δi,δi *来纠正不规则的因子,之后可得到如下方程:
通过引入拉格朗日乘子αi、αi *简化计算,将上式转化为求αi,αi *的对偶问题:
其中,K(xi,xj)是核函数,本发明选用RBF核函数,RBF核函数定义为如下方程:
K(xi,xj)=exp(-γ||xi-xj||2)
其中,γ为核参数。
根据卡罗需-库恩-塔克条件,求解得到回归函数f(x)可表示为:
基于上述方法,所述驾驶员行为模型可以抽象为:
y=f(x|(Cp,ε,γ))。
之后,使用自适应粒子群算法对支持向量回归模型的三个超参数即惩罚系数Cp,核参数γ,不敏感损失系数ε进行优化。选取能直接反映回归性能的平均绝对百分比误差MAPE来作为自适应粒子群算法的适应度函数fitness,即:
其中,n是样本数据的数量,yi是预测值,f(xi)是实验值。
使用训练得到的支持向量回归模型对纵向控制踏板角加速度最大值、纵向控制踏板压力最大值、方向盘手握力最大值、方向盘转矩最大值、方向盘转角最大值、方向盘转动角速度最大值和方向盘转动角加速度最大值进行预测,采用均方误差MSE和决定系数R2对模型的预测结果进行评估:
S3:实时监测驾驶员是否误操作纵向控制踏板:
在驾驶员开始驾驶汽车前采集驾驶员的年龄、驾龄、身高和体重,在汽车行驶过程中实时监测车速和汽车与前方障碍物的距离,以及纵向控制踏板角加速度a、纵向控制踏板压力h、方向盘手握力f、方向盘转矩m、方向盘转角θ、方向盘转动角速ω度和方向盘转动角加速度β;同时通过支持向量回归模型计算驾驶员在急加速工况下的纵向控制踏板角加速度最大值a1、纵向控制踏板压力最大值h1、方向盘手握力最大值f1、方向盘转矩最大值m1、方向盘转角最大值θ1、方向盘转动角速度最大值ω1和方向盘转动角加速度最大值β1,和遇到障碍物误操作纵向控制踏板工况下的纵向控制踏板角加速度最大值a2、纵向控制踏板压力最大值h2、方向盘手握力最大值f2、方向盘转矩最大值m2、方向盘转角最大值θ2、方向盘转动角速度最大值ω2和方向盘转动角加速度最大值β2。
在以下两种情况中的任何一种发生时,***判定驾驶员误操作纵向控制踏板,启动辅助制动模块:
情况一:以下七个条件同时满足四个及以上:
①a1≤a<a2;
②h1≤h<h2;
③f1≤f<f2;
④m1≤m<m2;
⑤θ1≤θ<θ2;
⑥ω1≤ω<ω2;
⑦β1≤β<β2;
情况二:以下七个条件满足任何一个:
①a≥a2;
②h≥h2;
③f≥f2;
④m≥m2;
⑤θ≥θ2;
⑥ω≥ω2;
⑦β≥β2。
所述辅助制动模块在***判定驾驶员误操作纵向控制踏板后开始工作,汽车由加速制动一体化的单踏板驾驶模式变为制动模式,驾驶员向下踩纵向控制踏板时汽车接收到的是制动信号,制动执行机构开始执行,同时切断加速信号,当纵向控制踏板压力和车速均为0时,辅助制动模块复原,汽车恢复为单踏板驾驶模式,此后,驾驶员可以正常驾驶汽车,踩纵向控制踏板汽车加速,松纵向控制踏板汽车减速。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合,为了避免不必要的重复,本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (6)
1.一种基于机器学习的单踏板线控底盘汽车辅助制动方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:样本数据获取:挑选有C2及以上级别机动车驾驶证且年龄均匀分布在18-60岁之间的100名男性试验者和100名女性试验者在练车场进行实车试验,该实车采用加速制动一体化的纵向控制踏板代替传统加速踏板,驾驶员踩纵向控制踏板汽车加速,松纵向控制踏板汽车通过再生制动减速,纵向控制踏板左侧存在与传统汽车一致的制动踏板,用于紧急制动;在试验开始前采集每名试验者的年龄、驾龄、身高和体重信息,之后对每名试验者分别进行在平稳加速、急加速和遇到障碍物误操作纵向控制踏板三种工况下的测试,每种工况安排10次测试,在试验过程中三种工况随机出现;试验过程中实时监测车速和汽车与前方障碍物的距离,并采集所有试验者在急加速和遇到障碍物误操作纵向控制踏板工况下的纵向控制踏板角加速度最大值、纵向控制踏板压力最大值、方向盘手握力最大值、方向盘转矩最大值、方向盘转角最大值、方向盘转动角速度最大值和方向盘转动角加速度最大值;
S2:构建驾驶员行为模型:基于试验数据构建驾驶员年龄、驾龄、身高、体重、车速和汽车与前方障碍物的距离关于纵向控制踏板角加速度最大值、纵向控制踏板压力最大值、方向盘手握力最大值、方向盘转矩最大值、方向盘转角最大值、方向盘转动角速度最大值和方向盘转动角加速度最大值的端到端预测模型,所述的端到端预测模型通过支持向量回归模型建立;
将样本数据中的驾驶员年龄、驾龄、身高、体重、车速和汽车与前方障碍物的距离作为支持向量回归模型的输入变量,将样本数据中的纵向控制踏板角加速度最大值、纵向控制踏板压力最大值、方向盘手握力最大值、方向盘转矩最大值、方向盘转角最大值、方向盘转动角速度最大值和方向盘转动角加速度最大值作为支持向量回归模型的输出变量;将归一化处理后的样本数据送入支持向量回归模型中进行训练,并用所学习到的高维映射关系对纵向控制踏板角加速度最大值、纵向控制踏板压力最大值、方向盘手握力最大值、方向盘转矩最大值、方向盘转角最大值、方向盘转动角速度最大值和方向盘转动角加速度最大值进行预测,为建立驾驶员误踩踏板从而误加速的判别逻辑提供数据基础;
S3:实时监测驾驶员是否误操作纵向控制踏板:在驾驶员开始驾驶汽车前采集驾驶员的年龄、驾龄、身高和体重,在汽车行驶过程中实时监测车速和汽车与前方障碍物的距离,以及纵向控制踏板角加速度a、纵向控制踏板压力h、方向盘手握力f、方向盘转矩m、方向盘转角θ、方向盘转动角速ω度和方向盘转动角加速度β;同时通过支持向量回归模型计算驾驶员在急加速工况下的纵向控制踏板角加速度最大值a1、纵向控制踏板压力最大值h1、方向盘手握力最大值f1、方向盘转矩最大值m1、方向盘转角最大值θ1、方向盘转动角速度最大值ω1和方向盘转动角加速度最大值β1,和遇到障碍物误操作纵向控制踏板工况下的纵向控制踏板角加速度最大值a2、纵向控制踏板压力最大值h2、方向盘手握力最大值f2、方向盘转矩最大值m2、方向盘转角最大值θ2、方向盘转动角速度最大值ω2和方向盘转动角加速度最大值β2;
在以下两种情况中的任何一种发生时,***判定驾驶员误操作纵向控制踏板,启动辅助制动模块:
情况一:以下七个条件同时满足四个及以上:
①a1≤a<a2;
②h1≤h<h2;
③f1≤f<f2;
④m1≤m<m2;
⑤θ1≤θ<θ2;
⑥ω1≤ω<ω2;
⑦β1≤β<β2;
情况二:以下七个条件满足任何一个:
①a≥a2;
②h≥h2;
③f≥f2;
④m≥m2;
⑤θ≥θ2;
⑥ω≥ω2;
⑦β≥β2;
所述辅助制动模块在***判定驾驶员误操作纵向控制踏板后开始工作,汽车由单踏板驾驶模式变为制动模式,驾驶员向下踩纵向控制踏板时汽车接收到的是制动信号,制动执行机构开始执行,同时切断加速信号,当纵向控制踏板压力和车速均为0时,辅助制动模块复原,汽车恢复为单踏板驾驶模式,此后,驾驶员可以正常驾驶汽车,踩纵向控制踏板汽车加速,松纵向控制踏板汽车减速。
2.根据权利要求1所述的基于机器学习的单踏板线控底盘汽车辅助制动方法,其特征在于,在所述步骤S2中,包括如下步骤:
f(x)=w·Φ(x)+b
其中,x为输入变量,Φ(x)为将x映射到高维线性空间的非线性函数,w为权重向量,b为偏置,
为了最小化回归误差,支持向量回归算法的目标函数,可表示如下方程:
其中,Cp为惩罚系数,表示训练过程中模型对误差大于ε的样本的惩罚程度,lε为ε-不敏感损失函数,ε表示不敏感损失系数,ε越小表示回归函数的误差要求越小,lε表达式可表示为如下方程:
其中,z表示支持向量回归算法的拟合值与真实值的误差;
在数据不符合lε(z)的约束条件时,引入松弛变量δi,δi *来纠正不规则的因子,之后可得到如下方程:
通过引入拉格朗日乘子αi、αi *简化计算,将上式转化为求αi,αi *的对偶问题:
其中,K(xi,xj)是核函数,本发明选用RBF核函数,RBF核函数定义为如下方程:
K(xi,xj)=exp(-γ||xi-xj||2)
其中,γ为核参数;
根据卡罗需-库恩-塔克条件,求解得到回归函数f(x)可表示为:
基于上述方法,所述驾驶员行为模型可以抽象为:
y=f(x|(Cp,ε,γ))。
3.根据权利要求2所述的基于机器学习的单踏板线控底盘汽车辅助制动方法,其特征在于,使用自适应粒子群算法对支持向量回归模型的三个超参数即惩罚系数Cp,核参数γ,不敏感损失系数ε进行优化。
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