CN110703754A - 一种自动驾驶车辆路径与速度高度耦合的轨迹规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动驾驶车辆路径与速度耦合的轨迹规划方法,属于自动驾驶领域,包括:1)获取自车及周围车辆的运动状态信息;2)根据自车当前状态信息,分别建立车辆的候选路径模型和候选速度模型,得到路径和速度单独规划的输入加速度序列;3)建立一个以车辆切向加速度和法向加速度为输入,速度、横摆角、坐标为输出的点运动模型,用矩阵的形式将输入序列耦合在一起作为该模型输入,从而得到耦合候选轨迹序列;4)利用RMSProp优化器实时获取当前时刻车辆最优的轨迹,将该轨迹对应的控制量作为输入,即实现路径与速度的耦合规划。本发明解决了现有技术中自动驾驶车辆在进行轨迹规划时速度与路径间相耦合的问题。
Description
技术领域
本发明属于车辆自动驾驶技术领域,尤其涉及一种自动驾驶车辆路径与速度高度耦合的轨迹规划方法。
背景技术
近些年来,交通事故频发、交通拥堵加剧以及疲劳驾驶依然没有得到有效缓解,使得国内外对于车辆自动驾驶的需求变得越来越迫切。目前对于自动驾驶车辆的研究主要包括环境感知,决策规划及控制执行三个部分。随着传感器精度的提高,芯片计算能力的突破以及车辆线控转向、线控制动等新技术的出现,车辆对于周围环境的感知能力以及对底层执行器的控制精度得到了很大的提升,而轨迹规划方法作为其中的关键部分,对于车辆行驶的安全性,高效性及乘坐舒适性都有很大的影响。
车辆轨迹规划是一种复杂的决策行为,主要根据环境感知得到的周围交通信息以及自车的运动状态来决策出一条安全高效无碰撞的轨迹。并且所规划出的轨迹要充分考虑车辆的运动学约束使得在进行底层控制时能顺利跟踪规划的轨迹。具体对于车辆的行驶轨迹规划,主要包括由方向盘控制的车辆路径的规划,和由油门踏板控制的车辆速度的规划。
目前对于轨迹规划的研究主要停留在两类,一类是对于车辆路径和速度的单独规划,如车辆自动换道系统主要保持速度不变,仅仅规划路径进行换道超车;而自动跟车系统则保持路径不变,主要通过规划速度来进行跟车过程。另一类则是在规划好路径的基础上,粗糙的在各时刻点指定速度序列,这使得所规划出的轨迹比较生硬,不够光滑灵活。因此,一个能将速度与路径高度耦合在一起的路径规划方法对于提高自动驾驶车辆的安全性,舒适性显得尤其重要。
发明内容
针对于上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种自动驾驶车辆路径与速度高度耦合的轨迹规划方法,以解决现有技术中自动驾驶车辆在进行轨迹规划时速度与路径间相耦合的问题;本发明的方法使车辆在换道超车,减速避让等工况下能实时规划出一条安全、高效、平稳的轨迹。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案如下:
本发明的一种自动驾驶车辆路径与速度高度耦合的轨迹规划方法,包括步骤如下:
1)获取自车的运动状态信息及周围车辆的相对运动状态信息;
2)根据自车当前运动状态信息,分别建立自车的候选路径模型和候选速度模型;得到以车辆的法向加速度序列为输入,横摆角为输出的路径序列;以及切向加速度序列为输入,速度为输出的速度序列;
3)建立一个以车辆切向加速度序列和法向加速度序列为输入,速度、横摆角、坐标为输出的点运动模型,并将上述两个序列的输入利用矩阵的方式耦合起来,输入到该点运动模型即可得到速度与路径相耦合的候选轨迹序列;
4)利用RMSProp优化器实时获取当前时刻车辆最优的轨迹,将该轨迹对应的控制量作为输入,即实现路径与速度的耦合规划。
进一步的,所述步骤1)中通过GPS获取的自车的运动状态信息为:其中,是自车的纵向位置,是自车的侧向位置,是自车的横摆角,是自车的速度,是自车的横摆角速度,是自车的加速度,是自车的角加速度;通过毫米波雷达和激光雷达获取周围车辆的相对运动信息为其中,Δst,Δlt,分别是周围车辆相对于自车的相对纵向位置,相对横向位置,相对横摆角,是周围车辆的速度,是周围车辆的横摆角,是周围车辆的加速度,是周围车辆的角加速度。
进一步的,所述步骤2)中的候选路径模型利用4次多项式建立车辆侧向位置l与纵向位置s的函数并得到以法向加速度序列为输入,横摆角为输出的路径序列,具体包括如下步骤:
21)根据道路边界约束,得到候选路径终点时刻的侧向位置lt+Np序列:
lt+Nplmin:Δl/Cp:lmax
其中,lmin和lmax为道路的上、下边界;Δl=lmax-lmin;Cp为候选路径的个数;
22)根据自车当前运动状态,以及给定的候选终点时刻的位置,利用4次多项式拟合出相应的候选路径,即侧向位置l相对于纵向位置s的方程,该过程将车辆的速度看成匀速的,具体如下:
l=a0+a1s+a2s2+a3s3+a4s4
进一步的,所述步骤2)中的候选速度模型利用4次多项式建立车辆纵向距离s与时间t的函数,并得到以切向加速度序列为输入,速度为输出的速度序列,具体包括如下步骤:
24)根据车辆加速性能约束,候选速度序列可由候选终点时刻的纵向位置序列st+Np表示如下:
st+Np=smin:Δs/Cs:smax
其中,smin和smax为车辆所能达到的距离的上、下边界;Δs=smax-smin;Cs为候选速度的个数;
25)根据自车当前运动状态,以及给定的候选纵向距离序列,利用4次多项式拟合出相应的候选速度函数,即纵向位置s关于时间t的函数,具体如下:
s(t)=p0+p1t+p2t2+p3t3+p4t4
26)得到该拟合出的距离函数,即根据该函数的二次斜率离散出候选切向加速度序列,第j条候选切向加速度序列为:
进一步的,所述步骤3)中的以车辆切向加速度和法向加速度为输入,速度、横摆角、坐标为输出的点运动模型具体分为:
31)用抽象函数将车辆位置随时间变化的关系表示如下:
其中,f是纵向距离随时间变化的函数,g是侧向距离随时间变化的函数,这两个函数即可将车辆轨迹表示出来;
32)将上述函数用泰勒公式展开,保留到二次项,得到如下方程:
其中,各阶导数表示如下:
33)将以上各阶导数代入到轨迹方程中,得到所建立的以切向加速度和法向加速度为输入,速度、横摆角、坐标为输出的点运动方程:
其中,(st+1,lt+1)为该点运动方程输出的下一时刻的位置坐标,(st,lt)为当前t时刻的纵横向位置坐标,T是车辆的规划周期,vt是车辆的速度,是车辆的横摆角,为车辆的切向加速度,为车辆的法向加速度。
进一步的,将步骤2)中的两个加速度序列的输入利用矩阵的方式耦合起来,输入到该点运动模型得到速度与路径相耦合的候选轨迹序列,具体包括如下步骤:
34)速度与路径两个方向加速度序列用矩阵方式耦合如下:
其中,Cp是候选路径的个数,Cs是候选速度的个数,Aij(t)是第i条候选路径输入序列与第j条候选速度输入序列耦合得到的候选轨迹的输入序列,具体如下:
35)将上述耦合后的加速度序列输入到建立的点运动模型中,即可得到如下轨迹序列:
Pij(t)=[pij(t+1|t),pij(t+2|t),…,pij(t+k|t),…,pij(t+Np|t)]
进一步的,所述步骤4)中利用RMSProp优化器进行优化时,建立的优化函数需考虑安全性、高效性、舒适性,并通过调节这三个特性的权重来满足个性化驾驶;具体如下:
41)建立的优化函数J具体如下:
其中,为第i个候选速度对应终点时刻的纵向位置;为第j个候选路径对应终点时刻的侧向位置;为第i个候选速度与第j个候选路径耦合得到的候选轨迹对应的危险度,Rref为参考危险度,这一项代表安全性,M为权重;为第i个候选速度与第j个候选路径耦合得到的轨迹对应的速度,vref为参考速度,这一项代表高效性,N为权重;分母中的sref为参考纵向位置,lref为参考横向位置,代表舒适性;
42)建立的RMS优化器在确定学习率时,首先定义学习率调整因子r:
其中,r0为初始时刻的学习率调整因子;rt为t时刻的调整因子;ρ为衰减系数;gt为优化函数对应的梯度;
43)进一步得到学习率,并确定最优目标位置:
本发明的有益效果:
1、本发明规划出来的轨迹是路径与速度高度耦合的,使得规划出的轨迹更为圆滑连续,能满足大多数驾驶工况。
2、本发明在确定轨迹终点时,综合考虑车辆对于安全性、高效性和舒适性的需求,能满足不同的驾驶特性。
附图说明
图1绘示本发明方法的原理图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解,下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明,实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1所示,本发明的一种自动驾驶车辆路径与速度高度耦合的轨迹规划方法,包括步骤如下:
1)获取自车的运动状态信息及周围车辆的相对运动状态信息;
通过GPS获取的自车的运动状态信息为:其中,是自车的纵向位置,是自车的侧向位置,是自车的横摆角,是自车的速度,是自车的横摆角速度,是自车的加速度,是自车的角加速度;通过毫米波雷达和激光雷达获取周围车辆的相对运动信息为其中,Δst,Δlt,分别是周围车辆相对于自车的相对纵向位置,相对横向位置,相对横摆角,是周围车辆的速度,是周围车辆的横摆角,是周围车辆的加速度,是周围车辆的角加速度。
2)根据自车当前运动状态信息,分别建立自车的候选路径模型和候选速度模型;得到以车辆的法向加速度序列为输入,横摆角为输出的路径序列;以及切向加速度序列为输入,速度为输出的速度序列;
候选路径模型利用4次多项式建立车辆侧向位置l与纵向位置s的函数并得到以法向加速度序列为输入,横摆角为输出的路径序列,具体包括如下步骤:
21)根据道路边界约束,得到候选路径终点时刻的侧向位置lt+Np序列:
lt+Np=lmin:Δl/Cp:lmax
其中,lmin和lmax为道路的上、下边界;Δl=lmax-lmin;Cp为候选路径的个数;
22)根据自车当前运动状态,以及给定的候选终点时刻的位置,利用4次多项式拟合出相应的候选路径,即侧向位置l相对于纵向位置s的方程,该过程将车辆的速度看成匀速的,具体如下:
l=a0+a1s+a2s2+a3s3+a4s4
其中,ai是4次多项式拟合出的车辆路径参数,i=1,2,3,4;为对应的终点时刻的纵向位置,Np是预测时域;
候选速度模型利用4次多项式建立车辆纵向距离s与时间t的函数,并得到以切向加速度序列为输入,速度为输出的速度序列,具体包括如下步骤:
24)根据车辆加速性能约束,候选速度序列可由候选终点时刻的纵向位置序列st+Np表示如下:
st+Np=smin:Δs/Cs:smax
其中,smin和smax为车辆所能达到的距离的上、下边界;Δs=smax-smin;Cs为候选速度的个数;
25)根据自车当前运动状态,以及给定的候选纵向距离序列,利用4次多项式拟合出相应的候选速度函数,即纵向位置s关于时间t的函数,具体如下:
s(t)=p0+p1t+p2t2+p3t3+p4t4
其中,为预测出的t+k时刻的切向加速度。
3)建立一个以车辆切向加速度序列和法向加速度序列为输入,速度、横摆角、坐标为输出的点运动模型,并将上述两个序列的输入利用矩阵的方式耦合起来,输入到该点运动模型即可得到速度与路径相耦合的候选轨迹序列;
其中,以车辆切向加速度和法向加速度为输入,速度、横摆角、坐标为输出的点运动模型具体分为:
31)用抽象函数将车辆位置随时间变化的关系表示如下:
其中,f是纵向距离随时间变化的函数,g是侧向距离随时间变化的函数,这两个函数即可将车辆轨迹表示出来;
32)将上述函数用泰勒公式展开,保留到二次项,得到如下方程:
其中,各阶导数表示如下:
33)将以上各阶导数代入到轨迹方程中,得到所建立的以切向加速度和法向加速度为输入,速度、横摆角、坐标为输出的点运动方程:
其中,(st+1,lt+1)为该点运动方程输出的下一时刻的位置坐标,(st,lt)为当前t时刻的纵横向位置坐标,T是车辆的规划周期,vt是车辆的速度,是车辆的横摆角,为车辆的切向加速度,为车辆的法向加速度。
将步骤2)中的两个加速度序列的输入利用矩阵的方式耦合起来,输入到该点运动模型得到速度与路径相耦合的候选轨迹序列,具体包括如下步骤:
34)速度与路径两个方向加速度序列用矩阵方式耦合如下:
其中,Cp是候选路径的个数,Cs是候选速度的个数,Aij(t)是第i条候选路径输入序列与第j条候选速度输入序列耦合得到的候选轨迹的输入序列,具体如下:
35)将上述耦合后的加速度序列输入到建立的点运动模型中,即可得到如下轨迹序列:
Pij(t)=[pij(t+1|t),pij(t+2|t),…,pij(t+k|t),…,pij(t+Np|t)]
4)利用RMSProp优化器实时获取当前时刻车辆最优的轨迹,将该轨迹对应的控制量作为输入,即实现路径与速度的耦合规划;建立的优化函数需考虑安全性、高效性、舒适性,并通过调节这三个特性的权重来满足个性化驾驶。具体如下:
41)建立的优化函数J具体如下:
其中,为第i个候选速度对应终点时刻的纵向位置;为第j个候选路径对应终点时刻的侧向位置;为第i个候选速度与第j个候选路径耦合得到的候选轨迹对应的危险度,Rref为参考危险度,这一项代表安全性,M为权重;为第i个候选速度与第j个候选路径耦合得到的轨迹对应的速度,vref为参考速度,这一项代表高效性,N为权重;分母中的sref为参考纵向位置,lref为参考横向位置,代表舒适性;
42)建立的RMS优化器在确定学习率时,首先定义学习率调整因子r:
其中,r0为初始时刻的学习率调整因子;rt为t时刻的调整因子;ρ为衰减系数;gt为优化函数对应的梯度;
43)进一步得到学习率,并确定最优目标位置:
本发明具体应用途径很多,以上所述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,还可以作出若干改进,这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种自动驾驶车辆路径与速度高度耦合的轨迹规划方法,其特征在于,包括步骤如下:
1)获取自车的运动状态信息及周围车辆的相对运动状态信息;
2)根据自车当前运动状态信息,分别建立自车的候选路径模型和候选速度模型;得到以车辆的法向加速度序列为输入,横摆角为输出的路径序列;以及切向加速度序列为输入,速度为输出的速度序列;
3)建立一个以车辆切向加速度序列和法向加速度序列为输入,速度、横摆角、坐标为输出的点运动模型,并将上述两个序列的输入利用矩阵的方式耦合起来,输入到该点运动模型得到速度与路径相耦合的候选轨迹序列;
4)利用RMSProp优化器实时获取当前时刻车辆最优的轨迹,将该轨迹对应的控制量作为输入,实现路径与速度的耦合规划。
3.根据权利要求1所述的自动驾驶车辆路径与速度高度耦合的轨迹规划方法,其特征在于,所述步骤2)中的候选路径模型利用4次多项式建立车辆侧向位置l与纵向位置s的函数并得到以法向加速度序列为输入,横摆角为输出的路径序列,具体包括如下步骤:
21)根据道路边界约束,得到候选路径终点时刻的侧向位置lt+Np序列:
lt+Np=lmin:Δl/Cp:lmax
其中,lmin和lmax为道路的上、下边界;Δl=lmax-lmin;Cp为候选路径的个数;
22)根据自车当前运动状态,以及给定的候选终点时刻的位置,利用4次多项式拟合出相应的候选路径,即侧向位置l相对于纵向位置s的方程,该过程将车辆的速度看成匀速的,具体如下:
l=a0+a1s+a2s2+a3s3+a4s4
4.根据权利要求1或3所述的自动驾驶车辆路径与速度高度耦合的轨迹规划方法,其特征在于,所述步骤2)中的候选速度模型利用4次多项式建立车辆纵向距离s与时间t的函数,并得到以切向加速度序列为输入,速度为输出的速度序列,具体包括如下步骤:
24)根据车辆加速性能约束,候选速度序列可由候选终点时刻的纵向位置序列st+Np表示如下:
st+Np=smin:Δs/Cs:smax
其中,smin和smax为车辆所能达到的距离的上、下边界;Δs=smax-smin;Cs为候选速度的个数;
25)根据自车当前运动状态,以及给定的候选纵向距离序列,利用4次多项式拟合出相应的候选速度函数,即纵向位置s关于时间t的函数,具体如下:
s(t)=p0+p1t+p2t2+p3t3+p4t4
其中,为预测出的t+k时刻的切向加速度。
5.根据权利要求1所述的自动驾驶车辆路径与速度高度耦合的轨迹规划方法,其特征在于,所述步骤3)中的以车辆切向加速度和法向加速度为输入,速度、横摆角、坐标为输出的点运动模型具体分为:
31)用抽象函数将车辆位置随时间变化的关系表示如下:
其中,f是纵向距离随时间变化的函数,g是侧向距离随时间变化的函数,这两个函数即可将车辆轨迹表示出来;
32)将上述函数用泰勒公式展开,保留到二次项,得到如下方程:
其中,各阶导数表示如下:
33)将以上各阶导数代入到轨迹方程中,得到所建立的以切向加速度和法向加速度为输入,速度、横摆角、坐标为输出的点运动方程:
6.根据权利要求5所述的自动驾驶车辆路径与速度高度耦合的轨迹规划方法,其特征在于,将步骤2)中的两个加速度序列的输入利用矩阵的方式耦合起来,输入到该点运动模型得到速度与路径相耦合的候选轨迹序列,具体包括如下步骤:
34)速度与路径两个方向加速度序列用矩阵方式耦合如下:
其中,Cp是候选路径的个数,Cs是候选速度的个数,Aij(t)是第i条候选路径输入序列与第j条候选速度输入序列耦合得到的候选轨迹的输入序列,具体如下:
35)将上述耦合后的加速度序列输入到建立的点运动模型中,即可得到如下轨迹序列:
Pij(t)=[pij(t+1|t),pij(t+2|t),…,pij(t+k|t),…,pij(t+Np|t)]
7.根据权利要求1所述的自动驾驶车辆路径与速度高度耦合的轨迹规划方法,其特征在于,所述步骤4)中利用RMSProp优化器进行优化时,建立的优化函数需考虑安全性、高效性、舒适性,并通过调节这三个特性的权重来满足个性化驾驶。
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