CN106873600A - 一种面向无人自行车的局部避障路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向无人自行车的局部避障路径规划方法，包括如下步骤：(1)利用环境感知系统所得环境数据将统一到同一坐标系下，并生成环境地图，环境地图包含障碍物地图和自行车道线地图两种类型；(2)根据一般工况下自行车自主驾驶跟随自行车道线行驶的原则，采用拟合车道中心线作为行驶路径，建立当量包围盒，确定障碍物几何中心，确定避障过程路径；(3)根据无人自行车与障碍物发生碰撞的条件公式以及选取的路径，无人自行车执行避障步骤。采用本发明的避障局部路径规划方法，可使得自行车严格按照规划路径行驶，并且车速自动根据路径曲率调整，遇到移动或者固定障碍物的情况下，可以提前进行避障路径规划。

Description

一种面向无人自行车的局部避障路径规划方法

技术领域

本发明涉及无人自行车技术，特别是一种面向无人自行车避障路径规划方法。

背景技术

自20世纪60年代移动机器人诞生以来，研究人员一直梦想研究无人智能交通工具，作为智能交通系统的重要组成部分，无人自行车排除了人为不确定因素的影响，不仅可以提高驾驶安全性，而且可以解决交通拥堵，提高能源利用率，百度曾宣布开发复杂人工智能无人自行车，该产品是具备环境感知、规划和自平衡控制等复杂人工智能的无人自行车，主要集合了百度在人工智能、深度学习、大数据和云计算技术的成就，然而对技术细节没有任何披露。目前大多采用采用覆盖面广、成本低，且针对性强的运动干预服务系统，对无人自行车的运动进行符合实际情况的干预，有望解决自行车避障等问题。

作为无人自行车的智能核心，避障路径规划系统决定车辆如何在多种约束条件和路径障碍物条件下到达目标位置，这些约束包括体现为安全性的环境约束，体现可行性的系统运动学约束，体现平顺性和稳定性的系统动力学约束以及特定的优化指标约束，如最短时间或最短距离等。在无人自行车应用中，这些约束集中在全局路径规划中得到满足，全局路径规划问题等同于起点和终点间路径生成的问题，解决全局路径规划问题一般要求提前获知完成的典型道路及其数字化存储方式，也就是环境地图，当环境变化或其他因素导致规划结果不可行时，需要重启全局规划得到新的可行路径才能继续行使。

然而目前无人自行车的工作环境与一般机器人应用存在很多不同，因此需要规划一种新的局部避障路径规划方法。局部路径规划及轨迹生成的主要任务是确保自行车安全、平顺的形式，其首先从感知系统获取道路信息，经过处理后实时生成安全、平顺的行车轨迹，并以车速和转向角的数据形式传输给控制系统，从而使自行车实现车道跟随和避障功能。

所谓避障路径规划是指在给定的障碍条件以及起始和目标的位姿，选择一条从起始点到达目标点的路径，使运动物体能安全、无碰撞的通过所有的障碍。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向无人自行车的局部避障路径规划方法，包括如下步骤：

(1)利用环境感知系统所得环境数据将统一到同一坐标系下，并生成环境地图，环境地图包含障碍物地图和自行车道线地图两种类型；

(2)根据一般工况下自行车自主驾驶跟随自行车道线行驶的原则，采用拟合车道中心线作为行驶路径，建立当量包围盒，确定障碍物几何中心，确定避障过程路径；

(3)根据无人自行车与障碍物发生碰撞的条件公式以及选取的路径，无人自行车执行避障步骤。

优选的，所述步骤(1)中的所述障碍物地图以极坐标形式给出，坐标原点为无人自行车后轴中心点，包括720个数据，即0.5度一个数据，用来表示该方向上的最近物体离自行车中心的直线距离，如果没有障碍物，其数值设为最大距离值。

优选的，所述步骤(1)中的所述自行车道线地图由一组车道线数据组成，用车道线位置数据和线型数据两部分表示，位置数据为车道线上所提取10个采样点的直角坐标，线型包含：路边线、双黄线、单实线、单虚线、停车线、斑马线、禁停线等。

优选的，所述步骤(2)中设圆心坐标为O(x₀,y₀,z₀)，无人自行车末端执行器参考点坐标为P(p_x,p_y,p_z)，当式(1)成立时，无人自行车与障碍物发生碰撞。

优选的，所述步骤(2)中设障碍物圆心为o，半径为r，无人自行车末端执行器运动起始点为A，目标点为B，避障规划过程中，根据运动路径最短和末端执行器可达空间最大化原则选择多种曲线路径，其中末端点由末端执行器和障碍物的空间尺寸及避碰安全系数决定。

优选的，所述步骤(3)按照如下流程进行：(3-1)确定无人自行车工作空间，求解障碍物中心与末端执行器空间坐标；(3-2)将空间圆弧ADB离散化若干控制点，确定避障路径的起点与终点；(3-3)运用运动学逆解求得起点、终点与离散控制点对应无人自行车各部分运动变量；(3-4)对步骤(3)中所得关节变量进行三次样条插值，得到各运动变量的运动函数；(3-5)生成初级行车路径；(3-6)取运动函数极值对应点，进行运动学正解，利用式(1)判断是否与障碍物相碰，检验三次样条插值精度和离散点数目是否符合要求；(3-7)利用符合要求的关节运动函数驱动人的腿部关节，实现无人自行车避障。

优选的，所述步骤(3-4)中三次样条插值点的选取原则为：第一点：本自行车后轴中心，第二点：道路中心线第一采样点与右侧路边线第一采样点的中点，第三点：道路中心线第五采样点与右侧路边线第五采样点的中点，第四点：道路中心线第十采样点与右侧路边线第十采样点的中点，当前方遇到障碍物时产生特殊关键点，通过平移处理以取代上述四点中的部分关键点。

优选的，所述步骤(3)中根据关键点坐标插值生成三次样条曲线即为行车路径，插值过程中使用第一边界条件，即始点和终点的斜率为给定值，始点的斜率取k₀＝0，终点的斜率根据如下公式(2)进行计算：式中，k₁为终点处导数；x₉为车道中心线第9点横坐标；x₁₀为车道中心线第10点横坐标；y₉为车道中心线第9点纵坐标；y₁₀为车道中心线第10点纵坐标。

优选的，所述步骤(3-5)生成初级行车路径中，在特殊工况下采用简单高效的圆弧曲线作为行车路径，在普通工况下，根据曲率公式(3)和转向角公式(4)生成轨迹。

优选的，所述步骤(3-5)的曲率公式(3)为：式中，K表示曲线y(x)的斜率，根据转向运动学关系tanα＝BK获得转向角的计算公式，即α＝arctan(BK)，式中B表示汽车轴距，α表示转向角。

所述普通工况下生成轨迹的步骤具体为：(3-5-1)在路径曲线上按横坐标等距选取11点，将路径分割成10段；(3-5-2)将t0，t1点作为第一段轨迹的起始点和终点，t0时刻的位置为(0，0)，速度为匀速行驶时速度v，X，Y方向速度分量为(v，0)，t1时刻位置来源于路径，并根据该路径点转弯半径求得最大安全车速，如果其大于v，则将v作为t1时刻车速，反之将最大安全车速作为t1时刻车速，其X，Y向分量由该点路径斜率求得，将t0，t1点间的距离除以t1，t2两点处速度均值，其结果作为t1的值；(3-5-3)以t0，t1点处的位置、速度作为4个条件联立方程求的第一段轨迹参数方程：X(t)＝at³+bt²+ct+d，Y(t)＝mt³+nt²+ot+p；(3-5-4)将t₁时刻作为第二段轨迹的起始点按照(3-5-2)和(3-5-3)的规则循环，则可以分别求出第二至第十段轨迹参数方程；(3-5-5)十段轨迹组成时间分段函数，按0.005s给出各个时刻点处的速度和转向角数值并传送给自行车底盘模块。

局部路径以20Hz速率进行实时更新，以满足轨迹实时生成的需要。

采用本发明的避障局部路径规划方法，可使得自行车严格按照规划路径行驶，并且车速自动根据路径曲率调整，遇到移动或者固定障碍物的情况下，可以提前进行避障路径规划。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

图1为根据本发明实施例的插值点选择示意图；

图2为根据本发明实施例的障碍物包围盒以及避障路径示意图；

图3为根据本发明实施例的特殊工况局部路径规划示意图；

图4为根据本发明实施例的普通工框路径生成步骤流程图。

具体实施方式

结合附图如下详细说明该面向无人自行车的局部避障路径规划方法，包括如下步骤：

(1)利用环境感知系统所得环境数据将统一到同一坐标系下，并生成环境地图，环境地图包含障碍物地图和自行车道线地图两种类型。

其中，障碍物地图以极坐标形式给出，坐标原点为无人自行车后轴中心点，包括720个数据，即0.5度一个数据，用来表示该方向上的最近物体离自行车中心的直线距离，如果没有障碍物，其数值设为最大距离值，自行车道线地图由一组车道线数据组成，用车道线位置数据和线型数据两部分表示，位置数据为车道线上所提取10个采样点的直角坐标，线型包含：路边线、双黄线、单实线、单虚线、停车线、斑马线、禁停线等。

(2)根据一般工况下自行车自主驾驶跟随自行车道线行驶的原则，采用拟合车道中心线作为行驶路径，建立当量包围盒，确定障碍物几何中心，设圆心坐标为O(x₀,y₀,z₀)，无人自行车末端执行器参考点坐标为P(p_x,p_y,p_z)，当式(1)成立时，无人自行车与障碍物发生碰撞。

设障碍物圆心为o，半径为r，无人自行车末端执行器运动起始点为A，目标点为B。避障规划过程中，路径有多种选择：空间曲线ACDEB、空间曲线AC’D’E’B和空间曲线AC”D”E”B等，如图2所示，根据运动路径最短和末端执行器可达空间最大化原则，选取空间圆弧ADB作为避障过程路径，其中D点由末端执行器和障碍物的空间尺寸及避碰安全系数决定；

(3)根据式(1)以及选取的路径ADB，无人自行车执行如下避障步骤：

(3-1)确定无人自行车工作空间，求解障碍物中心与末端执行器空间坐标；

(3-2)将空间圆弧ADB离散化若干控制点，确定避障路径的起点与终点；

(3-3)运用运动学逆解求得起点、终点与离散控制点对应无人自行车各部分运动变量；

(3-4)对步骤(3)中所得关节变量进行三次样条插值，得到各运动变量的运动函数；

因为三次样条曲线具有在插值点两侧二阶导数连续的优点，因此三次样条曲线的曲率是连续的，也就意味着自行车转向不会发生突变，自行车可以平顺形式的必要条件，从而能够实现在自行车行驶过程中行车者还能处理一定的其他事务。

如图1所示,根据发明是实力的插值点选择示意图，而规划路径时关键插值点的一般选取原则为：

第一点：本自行车后轴中心(即坐标原点)。

第二点：道路中心线第一采样点与右侧路边线第一采样点的中点。

第三点：道路中心线第五采样点与右侧路边线第五采样点的中点。

第四点：道路中心线第十采样点与右侧路边线第十采样点的中点。

当前方遇到障碍物时产生特殊关键点，通过平移处理以取代上述四点中的部分关键点。

根据关键点坐标插值生成三次样条曲线即为行车路径，插值过程中使用第一边界条件，即始点和终点的斜率为给定值，始点的斜率取k₀＝0，终点的斜率根据如下公式(2)进行计算：

式中k₁为终点处导数；x₉为车道中心线第9点横坐标；x₁₀为车道中心线第10点横坐标；y₉为车道中心线第9点纵坐标；y₁₀为车道中心线第10点纵坐标。

(3-5)生成初级行车路径。

在特殊工况下，比如自行车转弯和掉头的时候采用简单高效的圆弧曲线作为行车路径，如图3所示。

局部路径以20Hz速率进行实时更新，以满足轨迹实时生成的需要。

在普通工况下，根据曲率公式(3)和转向角公式(4)按照附图4的步骤生成轨迹，其中曲率公式(3)为：

式中，K表示曲线y(x)的斜率，根据转向运动学关系tanα＝BK(5)获得转向角的计算公式(4)，即α＝arctan(BK)，式中B表示汽车轴距，α表示转向角。

步骤具体为：

(3-5-1)在路径曲线上按横坐标等距选取11点，将路径分割成10段；

(3-5-2)将t0，t1点作为第一段轨迹的起始点和终点，t0时刻的位置为(0，0)，速度为匀速行驶时速度v，X，Y方向速度分量为(v，0)，t1时刻位置来源于路径，并根据该路径点转弯半径求得最大安全车速，如果其大于v，则将v作为t1时刻车速，反之将最大安全车速作为t1时刻车速，其X，Y向分量由该点路径斜率求得，将t0，t1点间的距离除以t1，t2两点处速度均值，其结果作为t1的值；

(3-5-3)以t0，t1点处的位置、速度作为4个条件联立方程求的第一段轨迹参数方程：

X(t)＝at³+bt²+ct+d，Y(t)＝mt³+nt²+ot+p

(3-5-4)将t₁时刻作为第二段轨迹的起始点按照(3-5-2)和(3-5-3)的规则循环，则可以分别求出第二至第十段轨迹参数方程；

(3-5-5)十段轨迹组成时间分段函数，按0.005s给出各个时刻点处的速度和转向角数值并传送给自行车底盘模块。

(3-6)取运动函数极值对应点，进行运动学正解，利用式(1)判断是否与障碍物相碰，检验三次样条插值精度和离散点数目是否符合要求；

(3-7)利用符合要求的关节运动函数驱动人的腿部关节，实现无人自行车避障。

采用设计的路径以及算法步骤，通过避障路径仿真，得到无人自行车末端执行器轨迹，其运动速度与插补速度相关，当插补为匀速时，其末端执行器在空间轨迹与所规划路径吻合，符合一定速度范围内无人自行车行车过程避障要求，其各个轴向速度曲线具有单调性，速度变量在约束条件内，各轴最大速度满足无人自行车综合特性，末端执行器各轴速度曲线变化平滑、连续，表明无人自行车末端执行器在避障过程中不会发生振动，从而保证无人自行车的平稳控制与运动。

虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。

Claims (10)

1.一种面向无人自行车的局部避障路径规划方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)利用环境感知系统所得环境数据将统一到同一坐标系下，并生成环境地图，环境地图包含障碍物地图和自行车道线地图两种类型；

(2)根据一般工况下自行车自主驾驶跟随自行车道线行驶的原则，采用拟合车道中心线作为行驶路径，建立当量包围盒，确定障碍物几何中心，确定避障过程路径；

(3)根据无人自行车与障碍物发生碰撞的条件公式以及选取的路径，无人自行车执行避障步骤。

2.根据权利要求1所述的一种面向无人自行车的局部避障路径规划方法，其特征在于：所述步骤(1)中的所述障碍物地图以极坐标形式给出，坐标原点为无人自行车后轴中心点，包括720个数据，即0.5度一个数据，用来表示该方向上的最近物体离自行车中心的直线距离，如果没有障碍物，其数值设为最大距离值。

3.根据权利要求1所述的一种面向无人自行车的局部避障路径规划方法，其特征在于：所述步骤(1)中的所述自行车道线地图由一组车道线数据组成，用车道线位置数据和线型数据两部分表示，位置数据为车道线上所提取10个采样点的直角坐标，线型包含：路边线、双黄线、单实线、单虚线、停车线、斑马线、禁停线等。

4.根据权利要求1所述的一种面向无人自行车的局部避障路径规划方法，其特征在于：所述步骤(2)中设圆心坐标为O(x₀,y₀,z₀)，无人自行车末端执行器参考点坐标为P(p_x,p_y,p_z)，当式(1)成立时，无人自行车与障碍物发生碰撞。

$\sqrt{{(p_x-x_0)}^2+{(p_y-y_0)}^2+{(p_z-z_0)}^2}\≤r---\left(1\right)$

5.根据权利要求4所述的一种面向无人自行车的局部避障路径规划方法，其特征在于：所述步骤(2)中设障碍物圆心为o，半径为r，无人自行车末端执行器运动起始点为A，目标点为B，避障规划过程中，根据运动路径最短和末端执行器可达空间最大化原则选择多种曲线路径，其中末端点由末端执行器和障碍物的空间尺寸及避碰安全系数决定。

6.根据权利要求1所述的一种面向无人自行车的局部避障路径规划方法，其特征在于：所述步骤(3)按照如下流程进行：(3-1)确定无人自行车工作空间，求解障碍物中心与末端执行器空间坐标；(3-2)将空间圆弧ADB离散化若干控制点，确定避障路径的起点与终点；(3-3)运用运动学逆解求得起点、终点与离散控制点对应无人自行车各部分运动变量；(3-4)对步骤(3)中所得关节变量进行三次样条插值，得到各运动变量的运动函数；(3-5)生成初级行车路径；(3-6)取运动函数极值对应点，进行运动学正解，利用式(1)判断是否与障碍物相碰，检验三次样条插值精度和离散点数目是否符合要求；(3-7)利用符合要求的关节运动函数驱动人的腿部关节，实现无人自行车避障。

7.根据权利要求6所述的一种面向无人自行车的局部避障路径规划方法，其特征在于：所述步骤(3-4)中三次样条插值点的选取原则为：第一点：本自行车后轴中心，第二点：道路中心线第一采样点与右侧路边线第一采样点的中点，第三点：道路中心线第五采样点与右侧路边线第五采样点的中点，第四点：道路中心线第十采样点与右侧路边线第十采样点的中点，当前方遇到障碍物时产生特殊关键点，通过平移处理以取代上述四点中的部分关键点。

8.根据权利要求1所述的一种面向无人自行车的局部避障路径规划方法，其特征在于：所述步骤(3)中根据关键点坐标插值生成三次样条曲线即为行车路径，插值过程中使用第一边界条件，即始点和终点的斜率为给定值，始点的斜率取k₀＝0，终点的斜率根据如下公式(2)进行计算：式中，k₁为终点处导数；x₉为车道中心线第9点横坐标；x₁₀为车道中心线第10点横坐标；y₉为车道中心线第9点纵坐标；y₁₀为车道中心线第10点纵坐标。

9.根据权利要求6所述的一种面向无人自行车的局部避障路径规划方法，其特征在于：所述步骤(3-5)生成初级行车路径中，在特殊工况下采用简单高效的圆弧曲线作为行车路径，在普通工况下，根据曲率公式(3)和转向角公式(4)生成轨迹。

10.根据权利要求6所述的一种面向无人自行车的局部避障路径规划方法，其特征在于：所述步骤(3-5)的曲率公式(3)为：式中，K表示曲线y(x)的斜率，根据转向运动学关系tan α＝BK获得转向角的计算公式，即α＝arctan(BK)，式中B表示汽车轴距，α表示转向角。