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基于微分动态逻辑的CPS防碰撞控制方法

阅读：42发布：2020-05-14

专利汇可以提供基于微分动态逻辑的CPS防碰撞控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于微分动态逻辑的CPS防碰撞控制方法，首先基于dL进行防碰撞决策验证，若验证成功则预测未来某一时刻系统的安全性，若验证失败或预测到危险则试探式向前运行且提示和告警，然后若采纳系统建议，则根据一定原筛选静态最佳决策指令或基于dL获取动态最佳决策指令，否则视最小距离事件触发器触发情况判定是由系统接管还是继续提示和告警，最后启动制动装置，避免碰撞。本发明基于dL进行建模和安全性防碰撞决策验证并可动态获取最佳决策指令，同时可预测未来某一时刻或某一连续或非连续时间段系统的安全性，具有预测性、灵活性、指令系统精简化等多项优点。，下面是基于微分动态逻辑的CPS防碰撞控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.基于微分动态逻辑的CPS防碰撞控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：通过CPS结点设备进行信息的交互、采集和处理且基于微分动态逻辑进行防碰撞决策验证，若验证成功则预测未来某一时刻系统的安全性，若验证失败或预测到危险则系统试探式向前运行且提示和告警；
步骤2：采纳系统建议，根据一定原则筛选静态最佳决策指令或基于微分动态逻辑获取动态最佳决策指令；
步骤3：拒绝系统建议，视最小距离事件触发器触发情况判定是由系统接管还是继续提示和告警；
步骤4：启动制动装置，避免碰撞。
2.根据权利要求1所述的基于微分动态逻辑的CPS防碰撞控制方法，其特征在于：所述步骤1中判断系统安全性的具体流程为：
步骤1.1：基于微分动态逻辑进行建模和防碰撞决策验证；
步骤1.2：若防碰撞决策验证成功，则对未来某一时刻进行建模和安全性决策验证，即预测未来某一时刻系统的安全性；
步骤1.3：若防碰撞决策验证失败或预测到碰撞危险则启动时间触发器且通过屏幕显示接受和拒绝按钮，同时语音告警；如果是移动的障碍物，此时双方或多方协同避免碰撞。
3.根据权利要求1所述的基于微分动态逻辑的CPS防碰撞控制方法，其特征在于：所述步骤2中筛选最佳决策指令的具体流程为：
步骤2.1：首先对当前预警事件应用马尔可夫决策过程优化系统指令表，筛选出若干个理想的决策指令，然后在应用动态决策算法计算它们各自的期望值，最后选择期望值最大的那条指令；
步骤2.2：若静态最佳决策指令筛选失败，则更新信息并构建模型，反复调整目标速度并反复进行安全性测试验证直到验证成功，并将获取的避撞目标速度赋值给动态指令。
4.根据权利要求1所述的基于微分动态逻辑的CPS防碰撞控制方法，其特征在于：所述步骤3中筛选超级决策指令的具体流程为：
步骤3.1：更新信息与实时建模；
步骤3.2：未触发最小距离事件触发器，则反复进行实时建模和防碰撞决策验证直到验证失败，此时提示和告警，否则返回CPS结点采集信息；
步骤3.3：触发最小距离事件触发器，则实时建模并进行防碰撞决策验证，若验证失败则由系统接管，否则预测未来某一连续或非连续时间段系统的安全性，若预测到碰撞危险则由系统接管。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的基于微分动态逻辑的CPS防碰撞控制方法，其特征在于：系统的组成包括：控制中心、CPS结点设备和执行器，其中控制中心负责信息的接收与指令的发出，CPS结点设备负责信息的采集、处理、交互和转发，执行器负责转向和加减速。
6.根据权利要求5所述的基于微分动态逻辑的CPS防碰撞控制方法，其特征在于：所述CPS结点设备包括：测量系统加速度与速度的加速度和速度传感器、测量系统和近距离障碍物之间距离的激光测距传感器、获取远距离移动障碍物信息的询问器和应答器。
7.根据权利要求2所述的基于微分动态逻辑的CPS防碰撞控制方法，其特征在于：所述步骤1.3中的障碍物为移动的障碍物，此时双方或多方协同避免碰撞。

说明书全文

基于微分动态逻辑的CPS防碰撞控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于CPS技术的智能导航自动控制领域，主要涉及一种基于微分动态逻辑的CPS防碰撞控制方法。

背景技术

[0002] 目前，大部分甚至所有交通工具所采用的防碰撞技术都不能更加智能的对有可能发生的碰撞事故进行安全性预测和灵活性导航，加之天气或人为等各种因素导致碰撞事故频发，给我们的生命安全造成了威胁，也造成了重大经济损失，因此一种更智能化的基于微分动态逻辑(differential dynamic logic，dL)的CPS防碰撞控制方法也就显得非常重要。比如，部分船舶采用的雷达或北斗导航等防碰撞设备效果欠佳且无法自动控制，同时又因其系统延迟时间长且质量和惯性比较大，在发生碰撞危险时对其实行紧急制动非常困难；
大部分飞机采用的机载防撞系统灵活性欠佳且自动控制精度不高，同时又因其速度快、惯性大且缺乏安全预测功能，较容易进入危险区域飞行且可能导致碰撞事故的发生。

发明内容

[0003] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，针对驾驶员在驾驶过程中因天气或人为等各种因素未能及时避免碰撞的问题，提供一种具有预测性、灵活性、指令系统精简化的基于微分动态逻辑的CPS防碰撞控制方法。

[0004] 技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于微分动态逻辑的CPS防碰撞控制方法，首先基于dL进行防碰撞决策验证，若验证成功则预测未来某一时刻系统的安全性，若验证失败或预测到危险则试探式向前运行且提示和告警，然后若采纳系统建议，则根据一定原筛选静态最佳决策指令或基于dL获取动态最佳决策指令，否则视最小距离事件触发器触发情况判定是由系统接管还是继续提示和告警，最后启动制动装置，避免碰撞。

[0005] 具体包括一下步骤：

[0006] 步骤1：判断系统的安全性

[0007] 1.1实时建模与验证

[0008] 1.1.1信息的交互、采集和处理

[0009] 通过CPS结点设备进行信息的交互、采集和处理，获取加速度、速度、距离等信息同时分析是否有碰撞目标，比如暗礁、桥墩、轮船、飞机、汽车等障碍物。

[0010] 1.1.2基于dL实时建模与防碰撞决策验证

[0011] 若未发现目标则返回CPS结点设备采集信息，否则以采集的信息为初始条件构建模型并进行防碰撞决策验证，若验证成功则预测建模，否则启动时间触发器。

[0012] 1.2预测建模和验证

[0013] 若发现目标且防碰撞决策验证成功，则根据实时信息计算未来某一时刻的速度、距离等信息并根据这些信息构建模型并基于dL进行安全性决策验证，若验证成功则返回CPS结点设备采集信息，否则启动时间触发器，试探式向前运行。

[0014] 1.3提示和告警

[0015] 若防碰撞决策验证失败或预测到危险，则启动时间触发器且通过电脑屏幕显示接受和拒绝按钮，同时语音告警；如果是移动的障碍物，此时双方或多方协同避免碰撞。

[0016] 步骤2：选择接受按钮

[0017] 2.1筛选静态最佳决策指令

[0018] 首先对当前预警事件应用马尔可夫决策过程优化系统指令表，筛选出若干个理想的决策指令，然后在应用动态决策算法计算它们各自的期望值，最后选择期望值最大的那条指令。

[0019] 2.2获取动态最佳决策指令

[0020] 2.2.1更新信息

[0021] 2.2.2基于dL进行建模并反复进行安全决策测试验证

[0022] 根据更新的信息构建模型并进行安全性决策验证，若验证失败则重新调整目标速度同时修改模型参数，再次进行安全性决策验证，循环往复直到验证成功；然后将获取的避撞目标速度赋值给动态指令。

[0023] 步骤3：选择拒绝按钮

[0024] 3.1更新信息与实时建模

[0025] 根据CPS结点设备采集的实时信息构建模型。

[0026] 3.2未触发最小距离事件触发器

[0027] 基于dL进行防碰撞决策验证，若验证成功则返回CPS节点采集信息并重新构建模型，再次基于dL进行防碰撞决策验证，循环往复直到验证失败，则此时提示和告警。

[0028] 3.3触发最小距离事件触发器

[0029] 基于dL进行防碰撞决策验证，若验证失败则由系统接管，否则更新信息且对未来某一时刻进行建模并同时进行安全性决策验证，若验证成功则继续更新信息且预测建模并同时进行安全性决策验证，循环往复直到验证失败，则此时由系统接管，获取超级决策指令。

[0030] 步骤4：启动制动装置，避免碰撞。

[0031] 本发明的系统组成包括：控制中心、CPS结点设备和执行器，其中控制中心负责信息的接收与指令的发出，CPS结点设备负责信息的采集、处理、交互和转发，执行器负责转向和加减速。

[0032] 所述CPS结点设备包括：测量系统加速度与速度的加速度和速度传感器，测量系统和暗礁、桥墩等静止或移动的近距离障碍物之间距离的激光测距传感器，获取远距离移动障碍物加速度、速度、双方距离等信息的询问器和应答器。上述三种属性可作为验证过程的输入条件。

[0033] 有益效果：本发明基于dL进行建模和安全性防碰撞决策验证并可动态获取最佳决策指令，可预测未来某一时刻或某一连续或非连续时间段系统的安全性，同时两个或多个系统相互协商避免碰撞，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0034] 1)预测未来某一时刻或某一连续或非连续时间段系统的安全性

[0035] 现有方法还没有基于dL提出预测系统的安全性。

[0036] 安全预测必要性举例：根据CPS节点在第1秒采集的信息进行建模并基于dL进行防碰撞决策验证，且验证安全，但此时是安全的临界点，即第2秒及以后就有碰撞危险，若CPS节点采集信息的时间间隔为4秒，则第5秒验证失败，此时系统已经在危险区域前行4秒，加之人员反映(假如5秒)和系统延迟(假如2秒)，则在第13秒系统才启动制动装置避免碰撞，但此时系统已经在危险区域前行了12秒，很可能导致非常严重的后果。若采用安全预测功能且安全预测时间间隔Δτ为5秒，在第1秒验证安全，但在第6秒安全预测失败，此时系统就可以在第1秒及时进行安全提示和告警。这样就弥补了临界点验证安全的盲区以及从验证安全点到安全预测时间间隔Δτ这段时间系统可能存在碰撞危险的盲区。

[0037] 2)系统更加灵活和智能化

[0038] 现有防撞设备的指令系统复杂、筛选过程冗长和不能自由应对复杂性、突发性场景，故本发明提出一种动态指令以及基于dL获取动态指令的方法，以期系统更加智能化，尽量减少人为因素的干扰。

[0039] 灵活性必要性举例：现有指令系统中加速度、目标速度都是固定的，提供的是最小避撞导航路线，若计算的避撞目标速度大于最佳决策指令固定的目标速度，此时必须需要人为因素的参与，否则肯定会发生碰撞；若采用动态指令，只需把计算的避撞目标速度赋值给动态指令，根本不需要人为因素的参与。

[0040] 3)能够实现协同避撞

[0041] 目前，大部分具有信息交互能力的交通工具都是通过第三方交互信息，小部分具有自主交互能力的交通工具也就是获取彼此之间的距离等信息，并不能通过两个或多个防碰撞系统相互协商避免碰撞，故本发明提出一种协同避撞思想，以期尽量减少或避免在复杂、突发条件下交通事故的发生。

[0042] 协同必要性举例：在最小安全距离之内、拐角等突发场景且机械最大制动力也发生碰撞的情况下，或者正常行驶过程中，两个或多个交通工具相互共享防碰撞决策信息，从而轻松避免碰撞。如，在岔路口，汽车b突然出现在汽车a的最小距离范围之内且此时汽车a由系统接管，但仍然会发生碰撞，若此时汽车b基于dL也检测出碰撞危险并同时收到汽车a的超级决策指令信息，则汽车b会根据汽车a的指令信息计算出一个避撞措施或以最大加速度加速前行，避免追尾事故的发生。附图说明

[0043] 图1是本发明的验证系统安全性流程图；

[0044] 图2是本发明的获取最佳决策指令流程图；

[0045] 图3是本发明的获取超级决策指令流程图；

[0046] 图4是本发明的船舶防碰撞应用场景实例；

[0047] 图5是本发明的防碰撞系统模块框架图。

具体实施方式

[0048] 下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

[0049] 下面结合附图1至5对本发明的实施例作进一步详细说明，如图4所示场景：船ownship自由向左航行，τ0时刻水平航行且发现正前方有一条静止的船intruder，τ1时刻安全但在τ1时刻预测到碰撞危险。假设CPS结点设备信息采集周期To为1s、安全预测时间间隔Δτ为5s和最小距离Smin为1000米。

[0050] 本实施例具备如下具体步骤：

[0051] 步骤1)判断系统的安全性，如附图1所示：

[0052] 在τ0时刻，船ownship发现目标并基于dL进行建模和防碰撞决策验证且预测τ0+Δτ时刻的安全性。由于To＝1s，则以后每个τ0+NTo(N＝1，2...)时刻都会基于dL验证系统的安全性且预测τ0+Δτ+NTo(N＝1，2...)时刻系统的安全性。τ1时刻系统验证安全，但在τ1+Δτ时刻预测到危险，此时船ownship试探式向前航行、电脑屏幕显示接受和拒绝按钮和语音警告船员，同时通过CPS结点设备与船intruder协商避撞措施，且于τ1时刻船intruder开始向前水平航行。

[0053] 步骤2)选择接受按钮，如附图2所示：

[0054] 在τ1时刻，船ownship避免碰撞的目标速度为vo且筛选的静态最佳决策指令的固定速度为vmin，但vo>vmin，如果没有人为因素的参与依然有发生碰撞的危险，即静态最佳决策指令筛选失败。因此，根据τ1+NTo(N＝0，1...)时刻采集的信息构建模型并进行防碰撞决策验证，若验证失败则重新调整目标速度并再次进行验证，循环往复直到τ2时刻验证成功并获取避撞目标速度vo，且把vo赋值给动态指令。此时系统已试探式向前航行了(τ2-τ1)秒，然后转向下述步骤4)。

[0055] 步骤3)选择拒绝按钮，如附图3所示：

[0056] 在τ1时刻，两船的水平距离为Sreal且Sreal>Smin，此时船ownship根据τ1+NTo(N＝0，1...)时刻采集的信息构建模型并进行防碰撞决策验证，若验证成功则再次根据根据τ1+NTo(N＝1，2...)时刻采集的信息构建模型并进行防碰撞决策验证，循环往复直到验证失败，则继续提示和告警直到τ2时刻仍不被采纳，但此时Sreal＝Smin，即触发了最小距离触发器(当然从τ1至τ2这段时间只要Sreal＝Smin立刻触发最小距离触发器)，所以在τ2时刻进行防碰撞决策验证，若验证失败则由系统接管并转向下述步骤4)，否则计算(τ2+Δτ)时刻的信息并根据这些信息构建模型且进行安全性决策验证，若验证成功则计算(τ2+Δτ+NTo)(N＝1，2...)时刻的信息并进行建模和安全性决策验证，循环往复一直连续性预测未来(τ2+Δτ+NTo)(N＝
2，3...)时间段系统的安全性。若τ3＝τ2+Δτ+2To时刻安全预测失败，则由系统接管并转向下述步骤4)。

[0057] 步骤4)启动制动装置，避免碰撞。

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