前言

第1章 自动驾驶与车辆安全导论 1

1.1 自动驾驶 1

1.2 整车安全与事故统计 5

1.3 关键增值：电子元件与信号处理 12

1.4 习题 14

第2章 信号处理基础 15

2.1 线性代数 15

2.1.1 定义与符号 15

2.1.2 线性代数常见运算规则 19

2.1.3 向量与矩阵求导 22

2.1.4 特征值和奇异值分解，矩阵范数 24

2.2 用拉格朗日乘数求解优化问题 27

2.2.1 带等式约束条件的优化问题 28

2.2.2 带不等式约束条件的优化问题 29

2.3 概率论 31

2.3.1 概率空间和随机变量 31

2.3.2 条件概率和贝叶斯定理 35

2.3.3 信息论概述 36

2.3.4 高斯随机变量 37

2.3.5 随机变量的变换 40

2.3.6 随机过程 41

2.4 线性系统 45

2.4.1 连续时间系统 45

2.4.2 离散时间系统 46

2.4.3 离散化 46

2.5 频域信号滤波 57

2.5.1 线性时不变系统在频域中的描述 57

2.5.2 低通滤波、带通滤波和高通滤波 59

2.5.3 碰撞加速度信号的低通滤波 61

2.6 习题 63

第3章 汽车模型和轨迹 70

3.1 用于被动车辆安全的碰撞模型 70

3.1.1 质量-弹簧-阻尼器模型 72

3.1.2 多体仿真和有限元计算 79

3.2 涉及自动驾驶和主动车辆安全的车辆动力学模型 80

3.2.1 相对运动 80

3.2.2 交通参与者运动模型 92

3.2.3 车辆运动力学模型 103

3.2.4 单轨模型和转向行为 115

3.2.5 非线性双轨模型 142

3.3 轨迹规划与控制 147

3.4 习题 158

第4章 统计滤波 169

4.1 优统计滤波器 169

4.2 卡尔曼滤波器 176

4.2.1 卡尔曼滤波器的推导 176

4.2.2 用卡尔曼滤波器进行跟踪 189

4.2.3 卡尔曼滤波的推广 198

4.3 传感器数据融合 199

4.4 习题 205

第5章 机器学习 211

5.1 机器学习概论 211

5.1.1 分类与回归 212

5.1.2 维数灾难 215

5.1.3 特征向量的规范化 215

5.1.4 参数化和非参数化方法 216

5.1.5 分类和回归 217

5.1.6 大似然法和大后验法的参数估计 218

5.1.7 线性回归和分类 220

5.1.8 使用softmax函数进行分类 229

5.1.9 核密度估计、k近邻分类和核回归 232

5.1.10 泛化与偏差-方差分解 237

5.1.11 机器学习模型选择与评估 242

5.1.12 随机梯度下降法 248

5.1.13 监督学习方法概述 251

5.2 人工神经网络和深度学习 251

5.2.1 深度多层感知机 253

5.2.2 反向传播 257

5.2.3 径向基函数神经网络 262

5.2.4 深度卷积神经网络 263

5.3 支持向量机 275

5.3.1 用于分类的支持向量机以及核函数 275

5.3.2 用于回归的支持向量机 282

5.4 决策树和回归树 286

5.4.1 决策树 286

5.4.2 回归树 289

5.5 随机森林 291

5.5.1 袋外误差 295

5.5.2 通过随机森林进行特征选择 296

5.5.3 邻近性 298

5.6 无监督学习 300

5.6.1 聚类分析 300

5.6.2 随机森林的无监督学习 312

5.6.3 自编码器 314

5.6.4 变量自编码器和生成式串行网络 321

5.7 安全自动驾驶的应用 327

5.7.1 道路交通中的危急程度估计 331

5.7.2 碰撞严重程度的预测 335

5.7.3 避免碰撞的轨迹规划 337

5.7.4 约束系统的触发 339

5.7.5 交通场景聚类 341

5.7.6 使用变异自编码器生成场景 343

5.7.7 静止状态识别 345

5.8 习题 346

符号标记 358

参考文献 367

本书涵盖了在整体车辆安全和自动驾驶领域中需要用到的信号处理和机器学习方法，以信号处理相关算法为基础，引入了对应的车辆模型、轨迹算法和行车中的统计信号处理方法，并着重介绍了机器学习及其在该领域的应用。为了能自行设计并实现车辆控制中的自动干预算法，本书提供了相关的数学基础知识。各个重点内容将形象地通过习题与解题示例来阐明。对于有编程需求的习题，本书还提供了相应的MATLAB 脚本。

本书可供汽车领域的工程师阅读参考，也可作为高等院校车辆工程、电气工程、机电工程和计算机科学专业师生的教学参考书。