CN109376642A - 一种基于驾驶员行为的运动车辆状态预测方法 - Google Patents

一种基于驾驶员行为的运动车辆状态预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于驾驶员行为的运动车辆状态预测方法，为提高运动车辆状态预测的准确性和鲁棒性，考虑了驾驶员的避免超速和与前车防追尾行为，使预测过程更贴近于交通实际；利用人工势场法中的斥力场对上述两种驾驶员行为进行分析，首先考虑避免超速这一驾驶员行为，设计由速度上限产生的斥力场，对其求梯度得到由速度上限产生的虚拟力；根据车辆与前车的最小安全距离，设计防追尾斥力场，将驾驶员行为融入自适应无迹卡尔曼滤波中，并采用斥力场对上述这两种驾驶员行为进行分析，分别对斥力场求梯度，得到虚拟力，随后建立融合驾驶员行为的自适应无迹卡尔曼滤波方程，提高车辆状态预测的准确性和鲁棒性。

Description

一种基于驾驶员行为的运动车辆状态预测方法
技术领域
本发明属于交通信息检测与图像处理的交叉领域，涉及运动车辆的状态预测方法，特别是一种基于驾驶员行为的运动车辆状态预测方法。
背景技术
利用空中航拍视频对运动车辆进行状态预测，是车辆跟踪的重要步骤。只有通过对前一时刻的估计值和当前时刻的观测值来进行状态预测，才能获取当前时刻的估计值以及下一时刻的预测值，进而确定运动车辆的位置，实现车辆的状态预测。运动车辆受地面复杂交通环境的影响，难免在某些帧图像中被建筑物、桥梁、大型车辆等遮挡，此时有效的车辆状态预测至关重要。构造合适的预测模型来预测未来某一时间段内车辆的运动状态，实现车辆状态预测，可用于车辆轨迹、车辆速度以及加速度的提取，并为后续的运动车辆跟踪、交通行为分析提供参考。
传统的运动车辆预测方法存在一些局限。比如未考虑驾驶员行为对车辆状态预测的影响，预测精度不高。近年来，关于运动车辆预测研究已经取得了很大的进展。比如，采用线性运动模型预测待预测车辆状态；也可采用常系数运动模型来确定车辆状态；通过扩展卡尔曼滤波算法，来估计待预测车辆的运动状态；运用无迹卡尔曼滤波进行状态预测，用于确定车辆的运动状态；甚至也有学者将粒子滤波运用到运动车辆预测中，以此来进行状态预测。
以上算法并未考虑到在实际交通环境中，车辆行驶易受到交通法规和安全行驶的影响，忽略了驾驶员因要避免超速行驶和防追尾等产生的驾驶行为，运动车辆状态预测算法的准确率和鲁棒性均有待提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于驾驶员行为的运动车辆状态预测方法，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于驾驶员行为的运动车辆状态预测方法，包括以下步骤：
步骤1)、获取运动车辆的视频图像，从而得到驾驶员行为；
步骤2)、对驾驶员行为进行人工势场法分析，获取驾驶员行为的斥力场求梯度和虚拟力；
步骤3)、将驾驶员行为的斥力场求梯度和虚拟力结合自适应无迹卡尔曼滤波法建立融合驾驶员行为的运动方程，实现车辆运动状态预测。
进一步的，具体的获取运动车辆的航拍视频图像，建立驾驶员行为参数：避免超速行驶和防追尾，建模为虚拟力场。
进一步的，由速度上限产生的斥力场为：
其中，为速度上限产生的斥力场，k表示第k帧视频；为车辆θ的速度，为车辆θ在x坐标轴的分速度，为车辆θ在y坐标轴的分速度；上标s代表避免超速；为车辆θ的速度上限；a0和b0均为正系数，代表斥力场的幅值和响应速度；
对由速度上限产生的斥力场求梯度，得斥力场产生的斥力为：
其中，为斥力场产生的斥力；为微分算子。
进一步的，建立防追尾斥力场：
其中，Jθτ(dθτ(k),vθτ(k))表示防追尾斥力场；dθτ(k)为车辆θ与前车τ的距离；d θτ为最小安全距离，为斥力场起作用的最大距离，g0和n0为正系数，vθτ(k)为车辆θ与前车τ的相对速度，表示为vθτ(k)＝vθ(k)-vτ(k)；
h(vθτ(k))为非负函数，且满足0≤h(vθτ(k))≤1，定义为：
h(vθτ(k))为递增函数，当vθτ(k)→0时，h(vθτ(k))→0；当vθτ(k)→∞时，h(vθτ(k))→1；h(vθτ(k))<1，其含义是相对速度产生的斥力场
不超过由距离产生的斥力场：
对防追尾斥力场求梯度，可得防追尾斥力场产生的虚拟力为：
fθτ(dθτ(k),vθτ(k))为防追尾斥力场Jθτ(dθτ(k),vθτ(k))产生的虚拟力。
进一步的，建立车辆CV运动模型为：
其中，为状态变量；xθ(k)和yθ(k)表示是车辆θ在x轴和y轴的位置；和表示是车辆θ在x轴和y轴的速度；fk(·)和hk(·)分别为动力学系统的状态函数和观测函数；为观测变量；ωθ(k)和ρθ(k)为互不相关的高斯白噪声；k+1表示第k+1帧视频。
进一步的，ωθ(k)为非零均值、协方差矩阵为非常数的高斯噪声。
进一步的，建立融合驾驶员行为的运动方程为：
其中，为加速度和aθτ(k)对车辆θ的动态方程产生的影响；和aθτ(k)分别是虚拟力和fθτ(dθτ(k),vθτ(k))产生的加速度，即：
其中，mθ表示车辆θ的质量；即完成了融合驾驶员行为的自适应无迹卡尔曼滤波方程，对运动车辆进行状态预测。
进一步的，在进行前向预测时需增加驱动项，即：
其中，为Xθ(k)的估计值，表示前向预测值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种基于驾驶员行为的运动车辆状态预测方法，为提高运动车辆状态预测的准确性和鲁棒性，考虑了驾驶员的避免超速和与前车防追尾行为，使预测过程更贴近于交通实际；利用人工势场法中的斥力场对上述两种驾驶员行为进行分析，首先考虑避免超速这一驾驶员行为，设计由速度上限产生的斥力场，对其求梯度得到由速度上限产生的虚拟力；根据车辆与前车的最小安全距离，设计防追尾斥力场，将驾驶员行为融入自适应无迹卡尔曼滤波中，并采用斥力场对上述这两种驾驶员行为进行分析，分别对斥力场求梯度，得到虚拟力，随后建立融合驾驶员行为的自适应无迹卡尔曼滤波方程，提高车辆状态预测的准确性和鲁棒性。
进一步的，通过引入速度辅助项，用来改善防追尾分析的效果，使所建立的斥力场更贴近实际驾驶员行为，即斥力场随车辆间距离的减小而增大，随相对速度的增加而增大。
附图说明
图1为本发明实例中所述航拍视频中融合驾驶员行为的运动车辆状态预测方法流程框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明提出一种基于驾驶员行为的运动车辆状态预测方法，利用航拍视频进行运动车辆状态预测时，引入驾驶员的行为这一因素；旨在实现运动车辆的更有效预测，下面结合说明书附图对本发明进一步说明。
图1是本发明的总体流程框图，本发明主要包含了利用人工势场中的斥力场对驾驶员行为进行分析、对驾驶员行为的斥力场求梯度及获得虚拟力、建立融入驾驶员行为的自适应无迹卡尔曼滤波、确定运动车辆状态步骤，具体实施方式如下：
步骤1：首先获取到地面车辆的航拍视频图像，为提高状态预测效果，引入驾驶员行为，采用人工势场法对驾驶员行为进行分析。人工势场法实际上是一种拟物方法，假设目标在一种虚拟力场下运动。常用的人工势场法是梯度势场法，势场的负梯度即为作用在车辆上的虚拟力。此处主要考虑两种驾驶员行为：避免超速行驶和防追尾。将这两种驾驶员行为建模为虚拟力场，进而分析其对状态预测的影响。由于这两种行为是希望限制车速或车车分离，因此只需设计为斥力场，不设计引力场。
步骤2：考虑避免超速这一驾驶员行为，首先，设计由速度上限产生的斥力场为：
其中，为速度上限产生的斥力场，k表示第k帧视频；为车辆θ的速度，为车辆θ在x坐标轴的分速度，为车辆θ在y坐标轴的分速度；上标s代表避免超速；为车辆θ的速度上限；a0和b0均为正系数，代表斥力场的幅值和响应速度。
对由速度上限产生的斥力场求梯度，可得斥力场产生的斥力为：
其中，为斥力场产生的斥力；为微分算子，可求梯度。此步骤求得的速度上限虚拟力将用于步骤4中的车辆状态预测。
步骤3：考虑到驾驶员总是竭尽所能避免追尾的发生，相应地，设计了与前车的防追尾斥力场：
其中，Jθτ(dθτ(k),vθτ(k))表示防追尾斥力场；dθτ(k)为车辆θ与前车τ的距离；dθτ为最小安全距离，当dθτ(k)≤dθτ时，会发生追尾；为斥力场起作用的最大距离，当时，该斥力场不起作用；g0和n0为正系数，vθτ(k)为车辆θ与前车τ的相对速度，可表示为vθτ(k)＝vθ(k)-vτ(k)。h(vθτ(k))为非负函数，且满足0≤h(vθτ(k))≤1，定义为：
显然，h(vθτ(k))不是一个固定的系数，车辆θ速度低于前车τ速度时，h(vθτ(k))为0；当车辆θ速度高于前车τ时，h(vθτ(k))>0，且相对速度越高，h(vθτ(k))值越大。h(vθτ(k))为递增函数，当vθτ(k)→0时，h(vθτ(k))→0；当vθτ(k)→∞时，h(vθτ(k))→1。可以发现，h(vθτ(k))<1，其含义是相对速度产生的斥力场
不会超过由距离产生的斥力场
通过引入速度辅助项，用来改善防追尾分析的效果，使所建立的斥力场更贴近实际驾驶员行为。即斥力场随车辆间距离的减小而增大，随相对速度的增加而增大。
随后对防追尾斥力场求梯度，可得防追尾斥力场产生的虚拟力为：
fθτ(dθτ(k),vθτ(k))为防追尾斥力场Jθθτ(dθτ(k),vθτ(k))产生的虚拟力，此步骤求得的防追尾虚拟力将用于步骤4中的车辆状态预测。
步骤4：将驾驶员行为的人工势场描与自适应无迹卡尔曼滤波结合起来，设计融合驾驶员行为的自适应无迹卡尔曼滤波方法，并将其应用于车辆状态预测，进而确定待预测车辆在后续帧中的状态。
自适应无迹卡尔曼滤波针对系统数学模型不确定或系统过程噪声和观测噪声统计性不确定的情况下使用，对于运动车辆来说，以车辆θ为例，建立CV运动模型为：
其中，为状态变量；xθ(k)和yθ(k)表示是车辆θ在x轴和y轴的位置；和表示是车辆在x轴和y轴的速度；fk(·)和hk(·)分别为动力学系统的状态函数和观测函数；为观测变量；ωθ(k)和ρθ(k)为互不相关的高斯白噪声；k+1表示第k+1帧视频。
以上采用自适应无迹卡尔曼滤波进行状态预测的模型中，ωθ(k)为非零均值、协方差矩阵为非常数的高斯噪声。为了进一步提高状态预测的精度，将这两种驾驶员行为融入车辆的运动模型中。
综合步骤2和步骤3中所建立两种斥力场产生的速度上限虚拟力和防追尾虚拟力，并将其代入传统的自适应无迹卡尔曼滤波运动方程中，可得融合驾驶员行为的运动方程为：
其中，为加速度和aθτ(k)对车辆θ的动态方程产生的影响，的具体表达式与fk(Xθ(k))密切相关。和aθτ(k)分别是虚拟力和fθτ(dθτ(k),vθτ(k))产生的加速度，即：
其中，mθ表示车辆θ的质量。
至此，建立了融合驾驶员行为的自适应无迹卡尔曼滤波方程，可以进行状态预测。与传统的自适应无迹卡尔曼滤波运动方程相比，增加了驱动项因此在进行前向预测时需增加驱动项，即：
其中，为Xθ(k)的估计值，表示前向预测值。
通过建立融合驾驶员行为分析的状态预测方程，可提高运动车辆状态预测的准确性和鲁棒性。
步骤1)、利用航拍视频进行运动车辆状态预测时，为提高状态预测的准确性和鲁棒性，引入避免超速和防追尾这两种驾驶员行为，使用人工势场法中的斥力场来描述这两种驾驶员行为。
步骤2)、考虑避免超速这一驾驶员行为，即车辆行驶速度不能超过设置的速度上限，设计由速度上限产生的斥力场，进而对斥力场求梯度得到由速度上限产生的虚拟力。
步骤3)、考虑防追尾这一驾驶员行为，设计与前车的防追尾斥力场。随后对其求梯度得到由防追尾斥力场产生的虚拟力。
步骤4)、将驾驶员行为的人工势场描述与自适应无迹卡尔曼滤波结合起来，提出融合驾驶员行为的自适应无迹卡尔曼滤波算法，以提高运动车辆状态预测的准确性。
所述步骤1)考虑到传统运动车辆状态预测方法忽略了驾驶员行为对运动车辆状态预测的影响。本发明引入驾驶员行为，并采用人工势场法的斥力场对其进行预测分析，主要考虑驾驶员避免超速行驶和防追尾这两种行为。
所述步骤3)考虑到在实际情况中，要求两辆车之间的距离小于等于最小安全距离，根据这一条件设计防追尾斥力场，并对其求梯度，同时引入速度辅助项，改善防追尾分析的效果，使所建立的斥力场更贴近实际驾驶员行为。
所述步骤4)将驾驶员行为融入到自适应无迹卡尔曼滤波中，与传统采用自适应无迹卡尔曼滤波进行状态预测相比，对驾驶员行为进行了更准确的描述。建立融合驾驶员行为的自适应无迹卡尔曼滤波方程来进行状态预测，与传统自适应无迹卡尔曼滤波运动方程相比，增加了驱动项，以此来提高基于航拍图像序列的运动车辆状态预测的准确度。

Claims (8)

1.一种基于驾驶员行为的运动车辆状态预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、获取运动车辆的视频图像，从而得到驾驶员行为；
步骤2)、对驾驶员行为进行人工势场法分析，获取驾驶员行为的斥力场求梯度和虚拟力；
步骤3)、将驾驶员行为的斥力场求梯度和虚拟力结合自适应无迹卡尔曼滤波法建立融合驾驶员行为的运动方程，实现车辆运动状态预测。
2.根据权利要求1所述的一种基于驾驶员行为的运动车辆状态预测方法，其特征在于，具体的获取运动车辆的航拍视频图像，建立驾驶员行为参数：避免超速行驶和防追尾，建模为虚拟力场。
3.根据权利要求2所述的一种基于驾驶员行为的运动车辆状态预测方法，其特征在于，由速度上限产生的斥力场为：
其中，为速度上限产生的斥力场，k表示第k帧视频；为车辆θ的速度，为车辆θ在x坐标轴的分速度，为车辆θ在y坐标轴的分速度；上标s代表避免超速；为车辆θ的速度上限；a0和b0均为正系数，代表斥力场的幅值和响应速度；
对由速度上限产生的斥力场求梯度，得斥力场产生的斥力为：
其中，为斥力场产生的斥力；为微分算子。
4.根据权利要求3所述的一种基于驾驶员行为的运动车辆状态预测方法，其特征在于，建立防追尾斥力场：
其中，Jθτ(dθτ(k),vθτ(k))表示防追尾斥力场；dθτ(k)为车辆θ与前车τ的距离；dθτ为最小安全距离，为斥力场起作用的最大距离，g0和n0为正系数，vθτ(k)为车辆θ与前车τ的相对速度，表示为vθτ(k)＝vθ(k)-vτ(k)；
h(vθτ(k))为非负函数，且满足0≤h(vθτ(k))≤1，定义为：
h(vθτ(k))为递增函数，当vθτ(k)→0时，h(vθτ(k))→0；当vθτ(k)→∞时，h(vθτ(k))→1；h(vθτ(k))<1，其含义是相对速度产生的斥力场
不超过由距离产生的斥力场：
对防追尾斥力场求梯度，可得防追尾斥力场产生的虚拟力为：
fθτ(dθτ(k),vθτ(k))为防追尾斥力场Jθτ(dθτ(k),vθτ(k))产生的虚拟力。
5.根据权利要求4所述的一种基于驾驶员行为的运动车辆状态预测方法，其特征在于，建立车辆CV运动模型为：
其中，为状态变量；xθ(k)和yθ(k)表示是车辆θ在x轴和y轴的位置；和表示是车辆θ在x轴和y轴的速度；fk(·)和hk(·)分别为动力学系统的状态函数和观测函数；为观测变量；ωθ(k)和ρθ(k)为互不相关的高斯白噪声；k+1表示第k+1帧视频。
6.根据权利要求5所述的一种基于驾驶员行为的运动车辆状态预测方法，其特征在于，ωθ(k)为非零均值、协方差矩阵为非常数的高斯噪声。
7.根据权利要求4所述的一种基于驾驶员行为的运动车辆状态预测方法，其特征在于，建立融合驾驶员行为的运动方程为：
其中，为加速度和aθτ(k)对车辆θ的动态方程产生的影响；和aθτ(k)分别是虚拟力和fθτ(dθτ(k),vθτ(k))产生的加速度，即：
其中，mθ表示车辆θ的质量；即完成了融合驾驶员行为的自适应无迹卡尔曼滤波方程，对运动车辆进行状态预测。
8.根据权利要求7所述的一种基于驾驶员行为的运动车辆状态预测方法，其特征在于，在进行前向预测时需增加驱动项，即：
其中，为Xθ(k)的估计值，表示前向预测值。
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