CN107490382A - 一种无人驾驶汽车路径规划系统及控制方法 - Google Patents

一种无人驾驶汽车路径规划系统及控制方法 Download PDF

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陈常
李猛钢
张亚斌
汪雷
马域人
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Abstract

本发明公开了一种无人驾驶汽车路径规划系统及控制方法，一种无人驾驶汽车路径规划系统，包括工控机、路径规划单元、定位单元、操作面板。无人驾驶汽车路径规划系统的控制方法，能够根据起始点和目的地的信息做出全局路径规划，通过评价函数选择最优路径。根据全局路径规划以及汽车的位置坐标和路径规划单元的数据做出局部路径规划，能够根据全景摄像图视频信息筛选出车道线，识别视频中的指示灯、指示牌、交警手势的模型，利用SLAM算法根据三维激光雷达数据实时构建汽车周围环境三维地图，计算周围障碍物的位置和运行速度，做出相应的规划。同时利用红外激光测距仪的数据使整个路径规划更加安全，使汽车更加安全、有效的到达目的地。

Description

一种无人驾驶汽车路径规划系统及控制方法
技术领域
本发明涉及机动车技术领域，具体涉及无人驾驶车辆技术领域，尤其涉及用于无人驾驶汽车路径规划的系统和控制方法。
背景技术
近年来，互联网技术的迅速发展给汽车制造工业带来了革命性变化的机会。与此同时，汽车智能化技术正逐步得到广泛应用，这项技术简化了汽车的驾驶操作并提高了行驶安全性。而其中最典型也是最热门的未来应用就是无人驾驶汽车。在人工智能技术的加持下，无人驾驶高速发展，正在改变人类的出行方式，进而会大规模改变相关行业格局。
然而无人驾驶汽车的路径规划问题一直是无人驾驶汽车领域的重点和难点，如何设计一种安全、有效的无人驾驶汽车路径规划系统是主要的研究对象。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种无人驾驶汽车路径规划系统及控制方法，能够根据起始点和目的地的信息做出全局路径规划，通过评价函数选择最优路径。根据全局路径规划以及汽车的位置坐标和路径规划单元的数据做出局部路径规划，使汽车更加安全、有效的到达目的地。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种无人驾驶汽车路径规划系统，包括工控机、路径规划单元、定位单元、操作面板；其中：
所述路径规划单元包含红外激光测距仪、三维激光雷达、全景摄像头，所述红外激光测距仪、三维激光雷达、全景摄像头与路径规划单元进行数据通讯；
所述定位单元包含GPS、陀螺仪，所述GPS、陀螺仪与定位单元进行数据通讯；
所述路径规划单元、定位单元与工控机进行数据通讯。
进一步的，所述工控机安装Linux操作系统以及机器人操作系统ROS，具有较强的运算能力和处理能力，同时工控机具有GPU，对图像具有较强的处理能力。
一种无人驾驶汽车路径规划系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、将汽车的三维模型和已经训练好的车辆、行人、车道线、指示灯、指示牌、交警手势的模型、地图信息导入到工控机程序作为初始化，确定汽车的长度为a，宽度为b；
步骤二、GPS实时获取汽车位置数据传输至定位单元，定位单元同时采集陀螺仪的数据，结合GPS位置数据精确计算当前汽车的位置坐标T；
步骤三、定位单元实时将汽车的位置坐标传输至工控机，并在操作面板显示当前汽车的位置坐标T；
步骤四、操作人员在操作面板输入目的地P，并将当前汽车的位置坐标T作为起始点，操作人员进一步确定目的地和起始点；
步骤五、工控机根据目的地和起始点，进行全局路径规划，确定汽车行驶的路线；
步骤六、工控机根据步骤二中汽车的位置坐标和路径规划单元的数据，以及步骤五中的汽车行驶路线进行局部路径规划；
步骤七、工控机实时计算当前汽车的位置坐标T与目的地P的位置关系函数D＝||p-T||2，当时，汽车停止运行，同时操作面板显示任务结束。
进一步的，在步骤五的全局路径规划中，根据工控机中的地图信息以及起始点和目的地计算可以行驶的路线，当可以行驶的路线多于1条时，通过评价函数F进行评价，选择最优路径；当没有行驶的路线时，操作面板进行报错。
进一步的，在步骤五的全局路径规划中，将包含最优路径的路网地图进一步转换成节点地图，将最优路径分成直线、转向线，确定汽车在每个节点的运行方式。
进一步的，在步骤六的局部路径规划中，全景摄像头将采集的视频信息传输至工控机，利用IP M算法将图像转化为透视投影，通过平行约束进一步转换成二值图像筛选出车道线，局部路径规划受到车道线约束；利用OPENCV，工控机将全景摄像头的视频信息与初始化的指示灯、指示牌的模型进行匹配，识别视频中的指示灯、指示牌、交警手势的模型，做出相应的规划。
进一步的，在步骤六的局部路径规划中，三维激光雷达采集的数据传输至工控机，工控机利用SLAM算法实时构建汽车周围环境三维地图，计算周围障碍物的位置和运行速度，做出相应的规划。
进一步的，在步骤六的局部路径规划中，红外激光测距仪安装在汽车前方，检测前方障碍物和汽车的距离d。当距离d在1-10米范围内时，汽车进行减速运动，最低速度1米每秒；当距离d小于1米时，汽车立即停车。
进一步的，在步骤六的局部路径规划中，当路径规划单元的数据延时超过0.1秒时，汽车立即停车。
进一步的，在步骤六的局部路径规划中，当前方因交通故障、临时交通管制不能通行时，将前汽车的位置坐标T作为起始点，返回步骤五重新进行全局路径规划。
本发明有益效果：
本发明提供的一种无人驾驶汽车路径规划系统及控制方法，能够根据起始点和目的地的信息做出全局路径规划，通过评价函数选择最优路径。根据全局路径规划以及汽车的位置坐标和路径规划单元的数据做出局部路径规划，能够根据全景摄像图视频信息筛选出车道线。利用OPENCV，工控机将全景摄像头的视频信息与初始化的指示灯、指示牌的模型进行匹配，识别视频中的指示灯、指示牌、交警手势的模型，利用SLAM算法根据三维激光雷达数据实时构建汽车周围环境三维地图，计算周围障碍物的位置和运行速度，做出相应的规划。同时利用红外激光测距仪的数据使整个路径规划更加安全，使汽车更加安全、有效的到达目的地。
附图说明
图1为无人驾驶汽车路径规划系统示意图；
图2为无人驾驶汽车路径规划系统的控制方法示意图；
图中：1-工控机，2-路径规划单元，2-1-红外激光测距仪，2-2-三维激光雷达，2-3-全景摄像头，3-定位单元，3-1-GPS，3-2-陀螺仪，4-操作面板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种无人驾驶汽车路径规划系统，包括工控机1、路径规划单元2、定位单元3、操作面板4；所述路径规划单元2、定位单元3、操作面板4与工控机1进行数据通讯；还包括与路径规划单元2进行数据通讯的红外激光测距仪2-1、三维激光雷达2-2和全景摄像头2-3以及与定位单元3进行数据通讯的GPS3-1和陀螺仪3-2。所述工控机1安装Linux操作系统以及机器人操作系统ROS，具有较强的运算能力和处理能力，同时工控机1具有GPU，对图像具有较强的处理能力。
如图2所示，一种无人驾驶汽车路径规划系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、工控机初始化；即将汽车的三维模型和已经训练好的车辆、行人、车道线、指示灯、指示牌、交警手势的模型、地图信息导入到工控机1程序作为初始化，确定汽车的长度为a，宽度为b。
步骤二、精确计算当前汽车的位置坐标；即GPS3-1实时获取汽车位置数据传输至定位单元3，定位单元3同时采集陀螺仪3-2的数据，结合GPS3-1位置数据精确计算当前汽车的位置坐标T。
步骤三、操作面板显示当前汽车的位置坐标；即定位单元3实时将汽车的位置坐标传输至工控机1，并在操作面板4显示当前汽车的位置坐标T。
步骤四、操作人员确定目的地和起始点；即操作人员在操作面板4输入目的地P，并将当前汽车的位置坐标T作为起始点，操作人员进一步确定目的地和起始点。
步骤五、全局路径规划；即工控机1根据步骤四中的目的地和起始点，进行全局路径规划，确定汽车行驶的路线；
在步骤五的全局路径规划中，根据工控机1中的地图信息以及起始点和目的地计算可以行驶的路线，当可以行驶的路线多于1条时，通过评价函数F进行评价，选择最优路径；当没有行驶的路线时，操作面板4进行报错；
F＝α1t(i)+α2f(i)+α3r(i)+α4n(i)
式中i为可供选择的道路路线的数量，t(i)为运行时间，f(i)为能量消耗，r(i)为红绿灯的数量，n(i)为记忆行驶数量，α1、α2、α3、α4为对应因素所占的权重；
在步骤五的全局路径规划中，将包含最优路径的路网地图进一步转换成节点地图，将最优路径分成直线、转向线，确定汽车在每个节点的运行方式。
步骤六、局部路径规划；即工控机1根据步骤二中汽车的位置坐标和路径规划单元2的数据，以及步骤五中的汽车行驶路线进行局部路径规划；
在步骤六的局部路径规划中，全景摄像头2-3将采集的视频信息传输至工控机1，利用IPM算法将图像转化为透视投影，通过平行约束进一步转换成二值图像筛选出车道线，局部路径规划受到车道线约束；利用OPENCV，工控机1将全景摄像头2-3的视频信息与初始化的指示灯、指示牌的模型进行匹配，识别视频中的指示灯、指示牌、交警手势的模型，做出相应的规划；
在步骤六的局部路径规划中，三维激光雷达2-2采集的数据传输至工控机1，工控机1利用SLAM算法实时构建汽车周围环境三维地图，计算周围障碍物的位置和运行速度，做出相应的规划；
在步骤六的局部路径规划中，红外激光测距仪2-1安装在汽车前方，检测前方障碍物和汽车的距离d。当距离d在1-10米范围内时，汽车进行减速运动，最低速度1米每秒；当距离d小于1米时，汽车立即停车；
在步骤六的局部路径规划中，当路径规划单元2的数据延时超过0.1秒时，汽车立即停车；
在步骤六的局部路径规划中，当前方因交通故障、临时交通管制不能通行时，将前汽车的位置坐标T作为起始点，返回步骤五重新进行全局路径规划。
步骤七、判断位置关系函数；即工控机1实时计算当前汽车的位置坐标T与目的地P的位置关系函数D＝||p-T||2，当时，汽车停止运行，同时操作面板4显示任务结束。
本发明提供的一种无人驾驶汽车路径规划系统及控制方法，能够根据起始点和目的地的信息做出全局路径规划，通过评价函数选择最优路径。根据全局路径规划以及汽车的位置坐标和路径规划单元的数据做出局部路径规划，能够根据全景摄像图视频信息筛选出车道线。利用OPENCV，工控机将全景摄像头的视频信息与初始化的指示灯、指示牌的模型进行匹配，识别视频中的指示灯、指示牌、交警手势的模型，利用SLAM算法根据三维激光雷达数据实时构建汽车周围环境三维地图，计算周围障碍物的位置和运行速度，做出相应的规划。同时利用红外激光测距仪的数据使整个路径规划更加安全，使汽车更加安全、有效的到达目的地。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无人驾驶汽车路径规划系统，其特征在于：包括工控机(1)、路径规划单元(2)、定位单元(3)、操作面板(4)；
所述路径规划单元(2)、定位单元(3)、操作面板(4)与工控机(1)进行数据通讯；
还包括与路径规划单元(2)进行数据通讯的红外激光测距仪(2-1)、三维激光雷达(2-2)和全景摄像头(2-3)以及与定位单元(3)进行数据通讯的GPS(3-1)和陀螺仪(3-2)。
2.一种基于权利要求1所述的无人驾驶汽车路径规划系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、工控机初始化；
步骤二、精确计算当前汽车的位置坐标；即GPS(3-1)实时获取汽车位置数据传输至定位单元(3)，定位单元(3)同时采集陀螺仪(3-2)的数据，结合GPS(3-1)位置数据精确计算当前汽车的位置坐标T；
步骤三、操作面板显示当前汽车的位置坐标；即定位单元(3)实时将汽车的位置坐标传输至工控机(1)，并在操作面板(4)显示当前汽车的位置坐标T；
步骤四、操作人员确定目的地和起始点；即操作人员在操作面板(4)输入目的地P，并将当前汽车的位置坐标T作为起始点，操作人员进一步确定目的地和起始点；
步骤五、全局路径规划；
步骤六、局部路径规划；
步骤七、判断位置关系函数。
3.根据权利要求2所述的一种无人驾驶汽车路径规划系统的控制方法，其特征在于：所述步骤一中，将汽车的三维模型和已经训练好的车辆、行人、车道线、指示灯、指示牌、交警手势的模型、地图信息导入到工控机(1)程序作为初始化，确定汽车的长度为a，宽度为b。
4.根据权利要求2所述的一种无人驾驶汽车路径规划系统的控制方法，其特征在于：所述步骤五中，工控机(1)根据步骤四中的目的地和起始点，进行全局路径规划，确定汽车行驶的路线；
在全局路径规划中，根据工控机(1)中的地图信息以及起始点和目的地计算可以行驶的路线，当可以行驶的路线多于1条时，通过评价函数F进行评价，选择最优路径；当没有行驶的路线时，操作面板(4)进行报错；
在全局路径规划中，将包含最优路径的路网地图进一步转换成节点地图，将最优路径分成直线、转向线，确定汽车在每个节点的运行方式。
5.根据权利要求3所述的一种无人驾驶汽车路径规划系统的控制方法，其特征在于：所述步骤六中，工控机(1)根据步骤二中汽车的位置坐标和路径规划单元(2)的数据，以及步骤五中的汽车行驶路线进行局部路径规划。
6.根据权利要求5所述的无人驾驶汽车控制系统的方法，其特征在于：在步骤六的局部路径规划中，全景摄像头(2-3)将采集的视频信息传输至工控机(1)，利用IPM算法将图像转化为透视投影，通过平行约束进一步转换成二值图像筛选出车道线，局部路径规划受到车道线约束；利用OPENCV，工控机(1)将全景摄像头(2-3)的视频信息与初始化的指示灯、指示牌的模型进行匹配，识别视频中的指示灯、指示牌、交警手势的模型，做出相应的规划。
7.根据权利要求5所述的无人驾驶汽车控制系统的方法，其特征在于：在步骤六的局部路径规划中，三维激光雷达(2-2)采集的数据传输至工控机(1)，工控机(1)利用SLAM算法实时构建汽车周围环境三维地图，计算周围障碍物的位置和运行速度，做出相应的规划。
8.根据权利要求5所述的无人驾驶汽车控制系统的方法，其特征在于：在步骤六的局部路径规划中，红外激光测距仪(2-1)安装在汽车前方，检测前方障碍物和汽车的距离d；当距离d在1-10米范围内时，汽车进行减速运动，最低速度1米每秒；当距离d小于1米时，汽车立即停车。
9.根据权利要求5所述的无人驾驶汽车控制系统的方法，其特征在于：在步骤六的局部路径规划中，当路径规划单元(2)的数据延时超过0.1秒时，汽车立即停车；
在步骤六的局部路径规划中，当前方因交通故障、临时交通管制不能通行时，将前汽车的位置坐标T作为起始点，返回步骤五重新进行全局路径规划。
10.根据权利要求3所述的一种无人驾驶汽车路径规划系统的控制方法，其特征在于：所述步骤七中，工控机(1)实时计算当前汽车的位置坐标T与目的地P的位置关系函数D||p-T||2，当时，汽车停止运行，同时操作面板(4)显示任务结束。
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