一种基于阻塞角的行人仿真中障碍物避碰方法.pdf

本发明涉及一种交通仿真技术领域中模拟行人交通行为的方法，一种基于阻塞角的行人仿真中障碍物避碰方法，在扫描避碰范围内所有静态障碍物以及其他行人后，建立这些障碍物对当前行人产生的阻塞角，若当前行人的目标方向不被任一阻塞角包含，行人沿该方向行走，否则，行人需绕过目标方向上的阻塞角组成的阻塞区域。本发明通过提出阻塞角的概念，建立障碍物对当前行人的阻塞角，进而确定行人需要绕行的阻塞区域，同时根据路径最短原则选择对静态障碍物以及同向行人的绕行路径，通过降低阻塞角的某一边的优先级实现对向行人避碰，这一过程不需要复杂的参数标定，且避碰范围以及绕行规则可以自由设定，进而满足不同目的的仿真需要。

权利要求书
1.  一种基于阻塞角的行人仿真中障碍物避碰方法，其特征在于包括以下步骤：
a)、对每一个行人建立一个障碍物集合，集合中包含该行人周围一定范围内的其他行人和静态障碍物；
b)、预设集合的更新时间，并在每个仿真步长内判断是否到达更新时间；
c)、若到达，更新行人的障碍物集合，并扫描，对其中距离该行人小于避碰距离障碍物建立阻塞角，放入阻塞角数据组中；若未到达规定时间，则不需要更新集合，直接进行扫描并建立阻塞角，放入阻塞角数组中；
d)、判断行人的目标方向是否被阻塞角数组中的任一阻塞角始边、终边之间的夹角包含；
e)、若不包含，行人按照目标方向继续行走；若包含，遍历阻塞角数组，判断其中是否含有不被其他阻塞角包含的始边或终边；
f)若不包含，则行人没有可以通过的角度，在该步长内停止行走，进行等待；若包含，则从所有满足上述条件的始边、终边中选出行人当前位置到该边上导航点与该导航点到目标点距离之和最小的始边或终边作为行人的绕行方向。

2.  根据权利要求1所述的一种基于阻塞角的行人仿真中障碍物避碰方法，其特征在于所述的阻塞角：将行人近似为圆形C，当障碍物为圆形Ci时，通过作圆Ci与圆C的内公切线，得到圆Ci上的两个切点，在两个切点的外法线方向上分别找到距切点的距离为圆C半径的点D、E，∠DCE即为行人Ci对当前行人C产生的阻塞角。

3.  根据权利要求1所述的一种基于阻塞角的行人仿真中障碍物避碰方法，其特征在于所述的阻塞角：将行人近似为圆形C，当障碍物为多边形时，设多边形中距行人最近的边的顶点分别为A、B，做圆C的圆心到A、B两点的连线CA、CB，在A、B两点处分别作CA、CB的垂线，在垂线上分别找到距A、B两点的距离为圆C半径的点F、G，∠FCG即为障碍物对当前行人C产生的阻塞角。

4.  根据权利要求2或3所述的一种基于阻塞角的行人仿真中障碍物避碰方法，其特征在于：每一个阻塞角的两条边，直角坐标系下方向角度小的为始边，另一条则为终边。

5.  根据权利要求4所述的一种基于阻塞角的行人仿真中障碍物避碰方法，其特征在于：绕行同向行人或静态障碍物时，首先识别出不被任何阻塞角包含的边，分别计算行人当前位置到这些边上的导航点的距离与该导航点到目标点的距离之和，选择从距离之和最小的一边绕行障碍物。

6.  根据权利要求4所述的一种基于阻塞角的行人仿真中障碍物避碰方法，其特征在于：绕行对向行人时，将两行人各自的阻塞角的终边的优先级降低，行人分别从始边方向绕行。

说明书一种基于阻塞角的行人仿真中障碍物避碰方法
技术领域
本发明涉及一种交通仿真技术领域中模拟行人交通行为的方法，具体是一种基于阻塞角的行人仿真中障碍物避碰方法。
背景技术
交通领域中对行人的仿真研究通常是包含在对客运枢纽系统的仿真研究中的，这类研究可以追溯到20世纪60年代末期，最初主要针对机场枢纽进行研究。德国首次将客运枢纽站作为系统进行了仿真(Baron，1969)。在美国，联邦航空局资助研究了用于机场枢纽仿真的三种不同方法：随机离散事件仿真(Gorstein与McCabe，1982)、排队模型(Gentry与Doyle，1978)，以及回归模型(McCullough与Roberts，1979)；加州大学伯克利分校使用确定性的排队模型分析机场陆域设施(landside components)，模拟评价枢纽内各个设施的布局与设计，如门、行李领取设备、容纳厅及值机柜台(Mumayiz，1990)等。计算机硬件和软件尤其是软件编程和建模技术的不断飞跃对交通仿真的发展起到了至关重要的作用。世界范围内已经有30种以上的仿真模型进入了实用阶段，根据仿真模型对行人系统细节描述程度的不同，通常可以分为宏观模型、中观模型和微观模型。代表性的软件有Legion、STEPS、BuildingEXDOUS、MYRIAD、PAXPORT、SimPed和SIMULEX等。
在众多仿真软件中，行人对障碍物的避碰方法依赖于软件本身的行人建模方式。目前广泛应用的行人仿真模型中有两类，一类是以元胞自动机模型为代表的离散仿真模型，一类是以社会力模型为代表的连续仿真模型。元胞自动机是二十世纪四五十年代在数字计算机的基础上提出的，八九十年代引入交通领域。此类模型通常把建筑物的平面空间划分为微小的正方形单元格。在任意时刻，一个单元格要么被占据(障碍物或一个个体)、要么为空，在仿真的运行过程中，时间被划分为等长的时间段，在每一时间段，所有个体依据所处的环境和自己的行为规则选择是留在原格还是移动到相邻的8个单元格中的一格，但是离散仿真模型对行人微观行为模拟上仍存在欠缺。1995年Helbing使用阻力和引力的概念模拟行人的微观行为，并且建立了一种综合的复杂的等式关系，来模拟一系列行人行为，这就是我们所熟悉的社会力模型。该模型通过设置行人之间、行人与障碍物之间的斥力来解决障碍物的避碰问题，但是由于模型本身的复杂性，斥力的参数标定存在一定的困难，提高了行人仿真的难度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于阻塞角的行人仿真中的避障方法，该方法不受仿真模型的限制，且能够在不需要大量参数标定的前提下，实现行人对静态障碍物以及其他行人的避障绕行，使其顺利到达目标点。
一种基于阻塞角的行人仿真中障碍物避碰方法，包括以下步骤：
a)、对每一个行人建立一个障碍物集合，集合中包含该行人周围一定范围内的其他行人和静态障碍物；
b)、预设集合的更新时间，并在每个仿真步长内判断是否到达更新时间；
c)、若到达，更新行人的障碍物集合，并扫描，对其中距离该行人小于避碰距离障碍物建立阻塞角，放入阻塞角数据组中；若未到达规定时间，则不需要更新集合，直接进行扫描并建立阻塞角，放入阻塞角数组中；
d)、判断行人的目标方向是否被阻塞角数组中的任一阻塞角始边、终边之间的夹角包含；
e)、若不包含，行人按照目标方向继续行走；若包含，遍历阻塞角数组，判断其中是否含有不被其他阻塞角包含的始边或终边；
f)若不包含，则行人没有可以通过的角度，在该步长内停止行走，进行等待；若包含，则从所有满足上述条件的始边、终边中选出行人当前位置到该边上导航点与该导航点到目标点跑离之和最小的始边或终边作为行人的绕行方向。
将行人近似为圆形C，当障碍物为圆形Ci时，通过作圆Ci与圆C的内公切线，得到圆Ci上的两个切点，在两个切点的外法线方向上分别找到距切点的距离为圆C半径的点D、E，∠DCE即为行人Ci对当前行人C产生的阻塞角。
将行人近似为圆形C，当障碍物为多边形时，设多边形中距行人最近的边的顶点分别为A、B，做圆C的圆心到A、B两点的连线CA、CB，在A、B两点处分别作CA、CB的垂线，在垂线上分别找到距A、B两点的距离为圆C半径的点F、G，∠FCG即为障碍物对当前行人C产生的阻塞角。
每一个阻塞角的两条边，直角坐标系下方向角度小的为始边，另一条则为终边。
绕行同向行人或静态障碍物时，首先识别出不被任何阻塞角包含的边，分别计算行人当前位置到这些边上的导航点的距离与该导航点到目标点的距离之和，选择从距离之和最小的一边绕行障碍物。
绕行对向行人时，将两行人各自的阻塞角的终边的优先级降低，行人分别从始边方向绕行。
本发明的有益效果：
本发明不依赖于复杂的数学模型，算法参数少，通过提出阻塞角的概念，建立障碍物对当前行人的阻塞角，进而确定行人需要绕行的阻塞区域，同时根据路径最短原则选择对静态障碍物以及同向行人的绕行路径，通过降低阻塞角的某一边的优先级实现对向行人避碰，这一过程不需要复杂的参数标定，大大简化了行人仿真过程中的建模工作，且避碰范围以及绕行规则可以自由设定，进而满足不同目的的仿真需要。
附图说明
图1本发明计算机程序实现流程总图；
图2本发明计算机实现中阻塞角建立流程图；
图3本发明中行人或圆形障碍物产生的阻塞角建立示意图；
图4本发明中多边形障碍物产生的阻塞角建立示意图；
图5本发明中同向行人绕行方法示意图；
图6本发明中双向行人绕行方法示意图；
图7本实施例的同向多个行人避碰示意图；
图8本实施例的多边形障碍物避碰示意图；
图9本实施例的相向行人避碰示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式详细说明：
本发明的计算机程序实现方法如下：
图1为本发明的方法计算机实现的流程图，首先对每一个行人建立一个障碍物集合，集合中包含该行人周围一定范围内的其他行人和静态障碍物。预设集合的更新时间，并在每个仿真步长内判断是否到达更新时间，若到达，则更新行人周围障碍物集合，并扫描周围障碍物集合，对其中距离该行人小于避碰距离的障碍物建立阻塞角，若没有到达规定时间，则不需要更新集合，直接进行扫描并建立阻塞角。将所建立的阻塞角全部放入阻塞角数组中，在此基础上，判断行人的目标方向是否被阻塞角数组中的任一阻塞角始边、终边之间夹角包含，若不包含，则行人按照目标方向继续行走遍历阻塞角数组；若被包含，进行二次判断，判断其中是否含有不被其他阻塞角包含的始边或终边，若没有，则行人没有可以通过的角度，在该步长内停止行走进行等待；若有未被包含的边，则从所有满足上述条件的始边、终边中选出行人当前位置到该边上导航点与该导航点到目标点距离之和最小的始边或终边作为行人的绕行方向。
图2本发明计算机实现中阻塞角建立流程图，实施例中将行人抽象成为一个半径为r的圆，设行人当前圆心位置为C，以行人避碰前方同向多个行人、多边形障碍物以及避碰相向行人为例，阻塞角的建立及绕行方向判断的具体过程如下：
阻塞角的建立方法如下：
如图3所示，建立其他行人Ci对当前行人C产生的阻塞角时，将行人近似为圆形，作圆Ci与圆C的内公切线，得到圆Ci上的两个切点，在两个切点的外法线方向上分别找到距切点的距离为圆C半径的点D、E，∠DCE即为行人Ci对当前行人C产生的阻塞角，阻塞角包含的区域只是不允许行人C通过，对其他行人没有影响。D、E为阻塞角边上的导航点。对建立的阻塞角的两条边进行标记，定义直角坐标系下方向角度小的为始边，另一条为终边，则∠DCE的边CE为始边、CD为终边。
如图4所示，建立静态障碍物对当前行人C产生的阻塞角时，若障碍物为圆形，采用与(1)中相同的方法建立阻塞角，若障碍物为多边形，首先判断出多边形中距行人最近的边，设此条边的顶点分别为A、B，做圆C的圆心到A、B两点的连线CA、CB，然后，在A、B两点处分别作CA、CB的垂线，在垂线上分别找到距A、B两点的距离为圆C半径的点F、G，∠FCG即为障碍物对当前行人C产生的阻塞角，F、G代替A、B成为新的导航点。根据上述阻塞角的边的标记方法，∠FCG的边CG为始边、CF为终边。
行人绕行由阻塞角组成的阻塞区域的方法如下：
绕行同向行人或静态障碍物时，首先识别出阻塞区域最外侧的两条边，即不被任何阻塞角包含的边，分别计算行人当前位置到这两条边上的导航点的距离与该导航点到目标点的距离之和，选择从距离之和最小的一边绕行障碍物(图5中箭头指示的方向)。
绕行对向行人时，将两行人各自的阻塞角的终边的优先级降低，行人分别从始边方向绕行(图6中箭头所指示的方向)。这符合我国行人右侧行走习惯。
实施例
对于同向多个行人的避碰
如图7所示，C为当前行人，Dj为目标点，C1、C2为行人C为前方阻碍其到达目标点的行人，通过做圆C与圆C1、C2的内公切线得到切点A1、A2、A3、A4，在每个切点的外法线方向上取距离切点为圆C半径的点T1、T2、T3、T4，∠T1CT2和∠T3CT4即为阻塞角。阻塞角的终边和始边均对应有方向角度及导航点，通过方向角度的判断阻塞角的边是否被其它阻塞角所包含，将未被包含的始边或终边的导航点记入一个集合T中，计算行人当前位置到导航点的距离与导航点到目标点的距离之和若则行人C以TD为导航点绕过前方的行人或其它障碍物。本实施例中CT1和CT4为未被阻塞角包含的两条边，这两条边上的导航点分别为T1和T4，通过计算如图3中的箭头所指方向，行人C以T1为导航点绕过前方行人，最终到达目标点Dj。
对于多边形障碍物的避碰
如图8所示，C为当前行人，Dj为目标点，AB为多边形障碍物距行人C最近的一条边，分别在A、B两点处做CA、CB的垂线并向障碍物外侧延长行人半径的长度得到点T5、T6，∠T5CT6就是障碍物对行人C的阻塞角，计算距离后则行人C以T6为导航点绕过障碍物，最终到达目标点Dj。
对于相向行人的避碰
如图9所示，C为当前行人示意图，C3为行人C正前方与其相向行走的行人，图中实线箭头所指分别是两个行人的前进方向，采用(1)中的方法分别建立行人C3对行人C的阻塞角∠T7CT8以及行人C对行人C3的阻塞角∠T9CT0，根据我国行人右侧行走的习惯，将两个阻塞角的终边CT7、CT9的优先级降低(可在程序实现时将其状态设置为delete)，这样行人只能选择始边方向行走，如图中虚线箭头所示。