通过智能避碰策略提高无人驾驶地面车辆自主性的研究进展外文翻译资料

通过智能避碰策略提高无人驾驶地面车辆自主性的研究进展

摘要

近年来，无人驾驶汽车越来越受欢迎，在工业、军事以及航空、地面和海洋领域的研究中的应用数量越来越多。特别是，当存在其他海上交通航行时，无人驾驶船舶为提高自主性所带来的挑战包括自动避障和符合道路规则。为美国海军制定的美国海军总计划概述了一系列提高自主性的目标，以增加任务的多样性并减少监督干预的数量。本文基于迄今为止主要在导航、制导、控制和运动方面进行了引人注目的研究计划。《国际海上避碰规则》的整合避障协议旨在防止因人为失误造成的海上事故。这些关键的安全措施的添加可能是未来美国飞行器需求增长的关键，因为它们有助于为无人驾驶船只制定法律政策铺路。

介绍

经过几十年的基于空中和水下航行器的自主性研究和发展，自主地面车辆的活力又复苏了。随之而来的是，国防高级研究项目局宣布2012财政年度项目需要30亿美元，涉及潜艇跟踪的ASV开发( Doyle，2011年)。迄今为止，对无人驾驶水下航行器进行了广泛的研究，由于对石油和天然气的勘探、深海管道监测和地雷探测的影响。甚至，对无人机的研究也大大超过了无人驾驶地面车辆，因为它们已经成为军事战略中的一个优秀工具，例如美国空军在伊拉克和阿富汗部署捕食者和收割者无人驾驶飞机。无人机现在被严重依赖用于监视、情报、搜索和救援、军事侦察和打击任务。人们也给予了极大的关注涉及无人驾驶地面车辆( UGVs )，包括无人驾驶汽车、用于监视或炸弹处理的军事工具以及用于运输重型有效载荷的机械骡型车辆。例如大狗，波士顿设计的著名四足机器人，在困难的地形能够承受150千克的运载和已经适应了自主导航。UGVs之间可以得出技术上的相似之处，特别是在自由程度以及在周围交通存在的情况下安全运行的需要方面。然而，欠驱动船舶的运动控制在恶劣环境干扰的存在和开放的航行空间构成了更大的挑战。

应该指出的是，半自治是无人驾驶车辆的典型特征，并且在过去半自治常常被偏爱而非完全自治，由于特派团的多样性。这些无人居住系统进一步发展是需要的，为了扩展其包括更复杂和最佳任务规划的能力，为了减少对人类互动和主体的依赖人为错误。人工智能领域的最新发展、高级智能传感器、无线网络和最佳技术现在比以往任何时候都提供了更多的机会在美国飞行器和海洋技术总体上( Corfield and Young，2006年)。

这篇论文的目的是回顾和强调USV导航、制导和控制( NGC )系统的设计方面，关于避免海上碰撞的国际条例(科尔雷格斯)。COLREGs描述了潜在的冲突例如交叉、迎面和超车等场景很少(指挥官，1999年)，并建议可能的策略来避免碰撞。尽管这些规则提供了一套指导方针为了海上的安全航行，它们是为人类航海家编写的，他们根据自己的经验相应地改变了航行路线。COLREGs的这种主观性质是船舶碰撞的主要原因之一。据悉，人为错误造成89 %到96 %的海上碰撞，包括活跃的和潜在的，例如业余操纵( Rothblum，2000年)。这皇家邮船泰坦尼克号因与冰山相撞而沉没(布朗，2000年)以及埃克森瓦尔迪兹石油泄漏灾难撞礁( Leacock，2005年)和多纳帕斯号渡轮灾难在与MT Vector碰撞时( Strauch，2004年)，在和平时期最具破坏性的海上灾难。每一次碰撞都归咎于某种形式的人类错误，这是可以避免的。判断失误和未能迅速做出反应是可解决的议题，可以用一个智能障碍检测和避免( ODA )系统，本质上将风险降至最低。

现代COLREGs是由国际海事组织( IMO )在1972年作为一套海上相遇船舶指南推出的，即《道路规则》。预计所有船舶运营商都将遵守这些规定，这些规定概述了确定通行权和正确避让情况演习的程序。因此，如果船舶能够根据这些准则，可以避免人为失误造成的许多海上交通事故。应该强调海上交通工具的运动规划一直是研究细节，然而对科尔里格斯合规性的关注很少。这种缺乏关注可归因于以下一些因素。最重要的是没有任何法律或规定美国船只的运作。因此，直到现在，这个行业没有要求USV开发而不是载人车辆，主要是由于自治系统的决策能力缺陷。

在过去几年中，进行了值得注意的审查概述USV运动规划和避障方法学。一篇这样的论文( Statheros等人，2008年 )描述了各种软避障计算技术，仅提及有限的启发式搜索方法。它并没有涉及USV控制系统或COLREGs本身以及如何实现它们的任何细节。近距避碰的最新进展( Tam等人，2009年)按时间顺序叙述了可实施的解决指导问题的方法，并讨论了相关处理与避免碰撞相关的路径规划的研究。该作者没有讨论无人驾驶飞行器，而是集中讨论提高载人飞船的自主性以避免人为失误在执行COLREGs导航期间。另一份报纸(本杰明等人，2006 年)描述基于行为的控制，使用区间编程讨论COLREGs协议的选择和伴随着海上试验的平均行动。然而，只有研究了四种主要的基于COLREGs机动的规则，试验中使用的船只保持无线通信，为了确定另一个的位置而不依赖传感器信息。因此，结论是现有的文献没有充分解决建立基于障碍分类的行为模式(即静态的、动态的、地理的或其他船只)和关于COLREGs复杂的遭遇情况。如果USV遇到意外情况，也有必要为了反应回避开发故障保护方法。这篇论文介绍了一系列与USVs相关的基本话题的最新进展以及这些发展的综合实时运动规划可以提供全面的解决方案，对于符合COLREGs标准的USV来说。

以下各节讨论了USV发展的现状，并强调了不足之处和尚未令人满意的问题所在。通过对现有USV原型、NGC方面和吸收COLREGs的先进运动规划技术的考虑，这份文献确定了实现智能、自主USV的关键途径。

一种基于吸引子选择模型的自适应车辆传染路由方法

摘要

车载自组织网络( VANETs )是一种新兴技术，可以通过车内通信支持许多安全和舒适的车载应用。然而，VANETs 可能面临快速变化的网络拓扑带来的巨大挑战。设计一个高效可靠的解决方案来在动态车载自组网中传播信息，这是一个必要的议题。本文提出了一种具有自适应车辆高度动态特性的能力的传染路由方法。为了确保可达性和效率之间的良好平衡，还提出了用于传染广播的消息传播效率、自适应可能性的影响和自适应有限时间的转发机制。此外，通过细胞基因调控网络的自适应性和鲁棒性的启发，我们使用增强动态VANETs中路由消息的吸引子选择机制。通过在不同交通场景下的对比仿真，我们验证了我们提出的方法并证明它可以保证消息的可达性，实现高输送效率，就消息传递率、平均路由延迟和成本而言。

介绍

作为一种特殊类型的移动自组织网络，车载自组织网络可以帮助实现多种安全和非安全的车辆应用，如合作防撞、道路障碍物警告、车道变换辅助、多媒体流和其他远程信息服务[ 1 ]。因此，许多基础研究和项目由政府、学术和工业组织开发和测试，例如由研究和创新技术管理公司( RITA )和美国运输部( USDOT )实施的相关车辆项目，各种欧洲项目( CarTALK 2000，预防WILLWARN、预驱动C2X等) [ 2 ]和日本项目(天空项目，ITS -安全2010，等等。) [ 3 ]。

与其他移动自组织网络相比，车载自组网由于车辆的快速移动，拥有更多高度动态的特性。车辆网络可能没有一直全部连接。此外，大量车辆通常被限制在特定的空间模式，如道路网。由于高度动态的拓扑结构，频繁断开和改变节点密度，一些移动自组网依赖端到端传输路径维护的路由协议可能无法在车载自组网中正常工作[ 4 ]。传染路由方法已设计出，并适用于在节点密集或稀疏的高移动网络中传播消息[ 5 ]。这种类型的消息路由协议主要采用众所周知的“存储-转发”战略[ 6 ]。在此策略的驱动下，移动节点将从数据源接收到这个信息或它的副本后，将消息存储在它的数据缓冲区中，并将消息随之一起移动，当下一个转发跳节点当前不可用时。此时，载流子通常被称为“受感染”的节点。一旦它遇到另一个节点移动到通信范围内，这个被感染的节点会发送消息，并将副本转发给新的节点。新的受感染节点随后重复上述的“存储转发”过程，直到消息被转发到目标节点。传染信息传播被认为易于实施，并且对大规模移动自组织网络的频繁划分高度稳健[ 7 ]。纯粹的传染路由可能会在一些密集的交通网络中受到影响，来自信息风暴、存储拥塞或传输电力的浪费。因此，一些新型控制策略或优化机制已有人提出来克服纯传染路由的缺点，例如用于在车载自组网中限制不必要的信息副本数量的有限时间转发[ 8 ]，“喷雾等待”方案[ 9 ]，节能 n-传染路由[ 10 ]，节能转发可能性[ 11 ]，最优信标控制策略[ 12，13 ]。虽然现有许多改进传染路由协议的方案，从实现的角度来看，探索如何在动态车载自组网中传递信息仍然是一个悬而未决的问题，就交付延迟、可达性和资源成本而言。

关于上述核心问题，我们提议一种新的基于自适应转发机制和生物启发模型的传染路由方法，出于可达性和效率的双重目的:（1）实现消息传递的高可达性，同时保证低交付等待时间；( 2 )减少传播的一定数量的不必要信息，并确保传染路由适应动态车辆环境。随着目标，我们将重点放在这样一个普遍的应用上，在这个应用中，某个知情的车辆希望传播其收集到的信息给某些特定的车辆。例如，关于障碍物存在的警告信息或者公路网局部区域的滑坡传播到那些靠近远处危险区域入口的特定车辆，所以他们可以在驶入前提前重新规划他们的路线入口。首先，基于实时车辆速度和位置信息，我们建立了一个传染传播方案。然后，我们制定了一个概率性的感染机制和一个有时间限制的转发机制，并通过将它们和传染广播结合以改善保证消息可达性和减少冗余消息副本方面的性能。第三，受生物智能启发，即对于动态环境，细胞基因调节网络反应的鲁棒性和自适应性，我们将吸引子选择机制和传染路由方法结合，以提高动态车载自组网的自适应性。

本文的其余部分组织如下：在第3.2节，我们概述了一些相关的工作。第三节展示了提议的路由方法，基于改进的传染传播的细节。第4节讨论生物激发的吸引子选择模型并将提议的传染广播路由与此吸引子选择模型相结合。第5节说明了一种对于我们方法的性能评估的车载方案，并讨论了实验结果。最后，第6节总结本文。

相关工作

车载自组网的路由方法是一个具有挑战性的问题，最近吸引了大量来自研究人员的关注。他们提议各种广播或者路由协议，例如基于位置的多跳广播协议[ 14 ]，车辆数据传播集成定向模式和鲁棒交集模式的机制[ 15 ]，使用来自交通的一些实时数据监控构建最可靠的路由[ 16 ]，在不同的密集移动场景中或者解析车辆密度时结合拓扑控制方案改进路由[ 17 ]。这些方法主要属于以几何为基础的路线设计，通常会考虑位置、车辆密度和道路的可达性网络拓扑。还有一些其他方法利用本地统计信息，例如统计车载广播( SVB)[ 18 ]，基于自适应阈值的传播 [ 19 ]和其他基于动态计数器的协议[ 20，21 ]。这些基于统计的方案通常依赖于一些阈值参数，用于决定是否移动节点应该重播或丢弃它们接收到的内容信息。此外，由于在快速变化的车辆网络拓扑中固定阈值可能失败，一些作者根据一些实时测量已经提出了某些调整或优化，使相关阈值参数动态可调(例如，随机数、接收消息的次数、到最近相邻节点的距离等)。例如，[ 18 ]将机器学习技术应用于设计阈值函数，它利用邻居的数量平方统计量和作为输入函数的莱斯衰落因子；在[ 19 ]，他们重播消息的适应性决策方法主要是基于数字移动节点从其邻居本地接收的消息数量；在[ 20 ]提出的基于计数器的计划考虑到不同方案的节点密度状态，以动态调整阈值，其中移动节点应在他们接收的分组副本小于阈值；[ 21 ]引入了一种设计阈值的新指标参数，称为路径相遇率( PER )。

此外，许多其他研究受某些生物机制的启发，即传染的疾病传播的动态，以发展信息传播计划[ 6，22 ]。一个基本的传染路由协议在早期作品[ 5 ]中被提议，随后，传染路由的一些变化提高了基本传染路由在具体应用场景的性能[ 8–13 ]。在[ 8 ]，一种基于传染广播方案的制定考虑了有限时间转发和受控信标因素。他们使用一个预先固定的超时参数来权衡交货延迟和重播次数以及存储占用率。[ 9 ]提出了“喷雾等待”机制来减少基于洪水的传染计划的开销。算法对于避免冗余转播是有效的，在实现他们的协议之前需要估计许多因素，例如移动节点总数和网络大小。[ 10 ]呈现出一种非传染协议，根据该协议，当邻居的数量达到某个阈值时消息仅被传输。那些研究[ 11 - 13 ]主要集中在节能上容错网络中的路由问题。如[ 11，12 ]所讨论的，尽管能源消耗不是车辆DTNs的关键问题，与部分能源成本相对应的不必要消息传播可能会损害整个网络的共同利益。从这个意义上说，作品[ 11 - 13 ]对于传染路由协议的节能设计提供某种指导方针是有意义的。在这些研究中，采用了马尔可夫建模技术制定基本传染的优化问题转发[ 12 ]或其变体(机会转发)[ 11，13 ]就最大限度地传递信息可能性而言，同时满足了能源消耗约束。提出了控制转发概率[ 11 ]和信标速率[ 12，13 ]的最佳策略。这些方法需要访问实时信息在时间t、X(t)或中继节点的总数、N、[ 11–13 ]上受感染节点的分数。因为这些参数将是未知的，或者在现实的场景中无法直接获得，额外的交通监控信息，或者某些分散估计技术，例如分散的随机近似[ 23 ]基于扩散的分布式估计[ 24 ]等等，是支持这些方法的实施所需要的。

在这篇论文中，我们提出了一种新的自适应传染路由方法来在车载自组网中传播信息。首先，我们制定一个传染广播计划，该计划基于实时车辆位置和移动性信息。第二，使传染广播能够适应动态车辆拓扑和交通场景，我们设计了两种转发机制，包括自适应概率感染和自适应有限时间转发机制。此外，试图增强所提出方案的鲁棒性和自适应性，我们采用生物智能，称为自适应吸引子选择。这种受生物启发的机制在大肠杆菌基因调控网络的自适应反应中被发现于大肠杆菌对环境的改变[ 25 ]。研究表明[ 26 ]，吸引子选择机制可以提供一种新颖的生物启发的范例，用于在动态环境中实现自适应和稳健解决方案。对于特

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