CN110968082A - 一种自动驾驶车辆路径追踪方法及装置 - Google Patents

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CN110968082A CN201811136984.0A CN201811136984A CN110968082A CN 110968082 A CN110968082 A CN 110968082A CN 201811136984 A CN201811136984 A CN 201811136984A CN 110968082 A CN110968082 A CN 110968082A
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Abstract

本发明提供一种自动驾驶车辆路径追踪方法及装置，所述方法包括生成地图路点，地图路点包括参考路径上每一路点的坐标信息；获取自动驾驶车辆的位置信息，根据位置信息和每一路点的坐标信息生成至少一条追踪路径，并获得每一追踪路径的长度；计算每一追踪路径的曲率；根据每一追踪路径的长度和每一追踪路径的曲率建立目标函数，通过求解目标函数获取最佳的追踪路径以及最佳的追踪路径的曲率；根据最佳的追踪路径和最佳的追踪路径的曲率，控制自动驾驶车辆沿最佳的追踪路径切入参考路径。本发明通过在车辆和每一路点间假定多个追踪路径，计算出最佳的路径来控制车辆行驶，解决了现有技术导致的追踪夹角过大容易偏离路线，夹角太小效率太低的问题。

Description

一种自动驾驶车辆路径追踪方法及装置
技术领域
本发明涉及汽车控制技术领域，尤其涉及一种自动驾驶车辆路径追踪方法及装置。
背景技术
现在的自动驾驶车辆在从停车位到要追踪的路线有一定的距离时，会自动规划出一段车辆可以行使的平滑路径，向着高精地图的行驶路径点做点对点的路径跟踪，车辆方位角距离高精地图的行驶路径夹角较小时(0度；45度；90 度)，路径追踪性能较好，但夹角过大时(90度到180度)，因为车辆惯性原因会出现脱离规定行驶路径(震荡)的情况，但是与此同时如果追踪路径过于平滑，又会出现追踪路径过长，效率较低的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种自动驾驶车辆路径追踪方法及装置。
本发明提供的一种自动驾驶车辆路径追踪方法，所述方法包括：
生成地图路点，所述地图路点包括参考路径上每一路点的坐标信息；
获取自动驾驶车辆的位置信息，根据所述位置信息和所述每一路点的坐标信息生成至少一条追踪路径，并获得每一追踪路径的长度；
计算与每一追踪路径的曲率；
根据所述每一追踪路径的长度和与每一追踪路径的曲率建立目标函数，通过求解所述目标函数获取最佳的追踪路径以及最佳的追踪路径的曲率；
根据所述最佳的追踪路径和最佳的追踪路径的曲率，控制自动驾驶车辆沿最佳的追踪路径切入参考路径。
进一步地，利用使用载波相位差分技术的全球定位系统生成路由描述数据文件格式的地图路点。
进一步地，根据所述位置信息和所述每一路点的坐标信息生成至少一条追踪路径，并获得每一追踪路径的长度包括：
建立每一追踪路径的长度和每一追踪路径的曲率之间关系的一次方程 K(s)＝c、二次方程K(s)＝as2+bs+c和三次方程K(s)＝as3+bs2+c，所述s为每一追踪路径的长度，所述K(s)为每一追踪路径的曲率的函数，所述a、b、c为预设常数；
根据所述位置信息和所述每一路点生成多条追踪路径，所述多条追踪路径分别符合所述一次方程、二次方程和三次方程中每一追踪路径的长度和每一追踪路径的曲率之间关系；
根据导航系统计算每一追踪路径的长度。
进一步地，所述计算与每一追踪路径对应的曲率步骤具体为：
建立公式
Figure RE-GDA0001956571880000021
所述Ki为自动驾驶车辆至第i个路点的追踪路径的曲率，所述xi(t)为自动驾驶车辆至第i个路点的追踪路径上点的横坐标，所述yi(t)为自动驾驶车辆至第i个路点的追踪路径上点的横坐标；
将公式
Figure RE-GDA0001956571880000022
进行推导得到
Figure RE-GDA0001956571880000023
所述K为每一追踪路径的曲率。
进一步地，根据所述每一追踪路径的长度和每一追踪路径的曲率建立目标函数，通过求解所述目标函数获取最佳的追踪路径以及最佳的追踪路径的曲率包括：
建立目标函数
Figure RE-GDA0001956571880000024
所述J为追踪路径，所述φ(x(tf),tf)为通量，所述φ(x(tf),tf)＝0，所述
Figure RE-GDA0001956571880000025
是以x、y、t为变量的 Y函数的积分；
建立第一方程
Figure RE-GDA0001956571880000026
所述a1和a2分别为
Figure RE-GDA0001956571880000027
和
Figure RE-GDA0001956571880000028
的权重，所述a1+a2＝1，s(t)为每一追踪路径的长度的函数，K(t)为每一追踪路径的曲率的函数；
建立第二方程、第三方程分别为
Figure RE-GDA0001956571880000029
和
Figure RE-GDA00019565718800000210
所述x、y分别为每一追踪路径的横坐标、纵坐标,i表示每一追踪路径上任意一点，a，b，c为常量；
根据目标函数、第一方程至第三方程以及
Figure RE-GDA00019565718800000211
推导出J＝a1s2+a2K2，即J＝as2+(1-a)K2，所述a的范围0～1；
求解出J的最小值，所述J的最小值对应的s为最佳的追踪路径的长度，所述J的最小值对应的K为最佳的追踪路径的曲率。
进一步地，根据所述最佳的追踪路径和最佳的追踪路径的曲率，控制自动驾驶车辆沿最佳的追踪路径切入参考路径包括：
利用公式δc＝tan-1(kL)计算最佳的追踪路径对应的转向角，所述δc为最佳的追踪路径对应的转向角，所述k为最佳的追踪路径的曲率，所述L为自动驾驶车辆前后轴距；
利用公式
Figure RE-GDA0001956571880000031
计算最佳的追踪路径对应的方位角，所述α是最佳的追踪路径对应的方位角，所述ld为自动驾驶车辆后轴至最佳的追踪路径对应的路点长度；
根据所述α和所述δc调整车辆的方位角和转向角，控制车辆沿最佳的追踪路径切入参考路径。
本发明提供的一种自动驾驶车辆路径追踪装置，所述装置包括：
生成单元，用于生成地图路点，所述地图路点包括参考路径上每一路点的坐标信息；
获取单元，用于获取自动驾驶车辆的位置信息，根据所述位置信息和所述每一路点的坐标信息生成至少一条追踪路径，并获得每一追踪路径的长度；
计算单元，用于计算每一追踪路径的曲率；
运算单元，用于根据所述每一追踪路径的长度和每一追踪路径的曲率建立目标函数，通过求解所述目标函数获取最佳的追踪路径以及最佳的追踪路径的曲率；
控制单元，用于根据所述最佳的追踪路径和最佳的追踪路径的曲率，控制自动驾驶车辆沿最佳的追踪路径切入参考路径。
进一步地，所述生成单元具体用于:
利用使用载波相位差分技术的全球定位系统生成路由描述数据文件格式的地图路点。
进一步地，所述获取单元具体用于：
建立每一追踪路径的长度和每一追踪路径的曲率之间关系的一次方程 K(s)＝c、二次方程K(s)＝as2+bs+c和三次方程K(s)＝as3+bs2+c，所述s为每一追踪路径的长度，所述K(s)为每一追踪路径的曲率的函数，所述a、b、c为预设常数；
根据所述位置信息和所述每一路点生成多条追踪路径，所述多条追踪路径分别符合所述一次方程、二次方程和三次方程中每一追踪路径的长度和每一追踪路径的曲率之间关系；
根据导航系统计算每一追踪路径的长度。
进一步地，所述计算单元具体用于：
建立公式
Figure RE-GDA0001956571880000041
所述Ki为自动驾驶车辆至第i个路点的追踪路径的曲率，所述xi(t)为自动驾驶车辆至第i个路点的追踪路径上点的横坐标，所述yi(t)为自动驾驶车辆至第i个路点的追踪路径上点的横坐标；
将公式
Figure RE-GDA0001956571880000042
进行推导得到
Figure RE-GDA0001956571880000043
所述K为每一追踪路径的曲率。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明通过设定追踪路径的长度和追踪路径的曲率之间关系，在自动驾驶车辆和参考路径会建立多条追踪路径，对上述多条追踪路径建立目标函数并求解，选取在追踪路径的长度与进入参考路径的角度之间获得平衡下的最佳效果，解决了现有技术导致的进入追踪路径角度太大容易偏离轨道的问题，也解决追踪路径过长导致效率低的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的自动驾驶车辆路径追踪方法的流程图。
图2是本发明实施例提供的自动驾驶车辆路径追踪的场景图。
图3是本发明实施例提供的Ackerman追踪车辆转角模型的背景图。
图4是本发明实施例提供的自动驾驶车辆路径追踪装置的结构图。
具体实施方式
本专利核心内容为设定追踪路径的长度与追踪路径的曲率关系，并建立目标函数来求解最佳的追踪路径，以下结合附图和实施例对该方法和装置具体实施方式做进一步说明。
下面将详细描述本发明提供的一种自动驾驶车辆路径追踪方法及装置的实施例。
如图1所示，本发明实施例提供了一种自动驾驶车辆路径追踪方法，所述方法包括：
步骤S101、生成地图路点，所述地图路点包括参考路径上每一路点的坐标信息。
需要说明的是，自动驾驶车辆并不一定停止在设定的参考路径上，例如自动驾驶车辆停在停车场，要进入参考路径时，需要通过追踪该参考路径上的路点进入该参考路径，路点是在参考路径上预设位置点，在同一参考路径上可能包括多个路点，结合地图可以清晰地知道预设位置点的坐标信息，地图路点可以理解为包含每一路点信息的地图；一般情况下利用使用载波相位差分技术的全球定位系统可以生成路由描述数据文件格式的地图路点。
参考图2，自动驾驶车辆11并没有位于参考路径12上，在自动驾驶车辆 11要进入参考路径12时，有三个路点121、122和123可以作为切入的点，自动驾驶车辆11获得了路点121、122和123的坐标信息。
步骤S102、获取自动驾驶车辆的位置信息，根据所述位置信息和所述每一路点的坐标信息生成至少一条追踪路径，并获得每一追踪路径的长度。
需要说明的是，在位置信息和路点的坐标信息确定的情况下，调整追踪路线的曲率就可以从车辆位置追踪到路点，也就意味着自动驾驶车辆到路点可以有多条追踪路径，但是车辆进入到路点与参考路径夹角过大，会影响无人驾驶车辆乘坐人员的体验感觉。
在本实施例中，建立每一追踪路径的长度和与每一追踪路径的曲率之间关系的一次方程K(s)＝c、二次方程K(s)＝as2+bs+c和三次方程K(s)＝as3+bs2+c，所述s为每一追踪路径的长度，所述K(s)为与每一追踪路径的曲率的函数，所述a、 b、c为预设常数；
根据所述位置信息和所述每一路点生成多条追踪路径，所述多条追踪路径分别符合所述一次方程、二次方程和三次方程中每一追踪路径的长度和与每一追踪路径的曲率之间关系；
根据导航系统计算每一追踪路径的长度。
进一步需要说明的是，当每一追踪路径的长度和与每一追踪路径的曲率之间关系为一次方程时，自动驾驶车辆与路点之间只有一条追踪路径，但是当每一追踪路径的长度和与每一追踪路径对应的曲率之间关系为二次方程、三次方程时，自动驾驶车辆与路点之间可能有多条追踪路径。
步骤S103、计算每一追踪路径的曲率。
具体地，建立公式
Figure RE-GDA0001956571880000061
所述Ki为自动驾驶车辆至第i个路点的追踪路径的曲率，所述xi(t)为自动驾驶车辆至第i个路点的追踪路径上点的横坐标，所述yi(t)为自动驾驶车辆至第i个路点的追踪路径上点的横坐标；
将公式
Figure RE-GDA0001956571880000062
进行推导得到
Figure RE-GDA0001956571880000063
所述K为每一追踪路径的曲率。
步骤S104、根据所述每一追踪路径的长度和每一追踪路径的曲率建立目标函数，通过求解所述目标函数获取最佳的追踪路径以及最佳的追踪路径的曲率。
具体地，建立目标函数
Figure RE-GDA0001956571880000064
所述J为追踪路径，所述φ(x(tf),tf)为通量，所述φ(x(tf),tf)＝0，所述
Figure RE-GDA0001956571880000065
是以x、y、t为变量的Y函数的积分；
建立第一方程
Figure RE-GDA0001956571880000066
所述a1和a2分别为
Figure RE-GDA0001956571880000067
和
Figure RE-GDA0001956571880000068
的权重，所述a1+a2＝1，s(t)为每一追踪路径的长度的函数，K(t)为与每一追踪路径的曲率的函数；
建立第二方程、第三方程分别为
Figure RE-GDA0001956571880000069
和
Figure RE-GDA00019565718800000610
所述x、y分别为每一追踪路径的横坐标、纵坐标,i表示每一追踪路径上任意一点，a，b，c为常量；
根据目标函数、第一方程至第三方程以及
Figure RE-GDA00019565718800000611
推导出J＝a1s2+a2K2，即J＝as2+(1-a)K2，所述a的范围0～1；
求解出J的最小值，所述J的最小值对应的s为最佳的追踪路径的长度，所述J的最小值对应的K为最佳的追踪路径的曲率。
步骤S105、根据所述最佳的追踪路径和最佳的追踪路径的曲率，控制自动驾驶车辆沿最佳的追踪路径切入参考路径。
利用公式δc＝tan-1(kL)计算最佳的追踪路径对应的转向角，所述δc为最佳的追踪路径对应的转向角，所述k为最佳的追踪路径的曲率，所述L为自动驾驶车辆前后轴距；
利用公式
Figure RE-GDA0001956571880000071
计算最佳的追踪路径对应的方位角，所述α是最佳的追踪路径对应的方位角，所述ld为自动驾驶车辆后轴至最佳的追踪路径对应的路点长度；
根据所述α和所述δc调整自动驾驶车辆的方位角和转向角，控制自动驾驶车辆沿最佳的追踪路径切入参考路径。
需要说明的是，调整自动驾驶车辆的方位角等于最佳的追踪路径对应的方位角，调整自动驾驶车辆的转向角等于最佳的追踪路径对应的转向角，自动驾驶车辆后轴至最佳的追踪路径对应的路点长度是指从自动驾驶车辆后轴中心点到最佳的追踪路径对应的路点的长度。
如图3所示，本发明实施例提供了Ackerman追踪车辆转角模型，根据图中的模型可以得出公式
Figure RE-GDA0001956571880000072
α是方位角，ld是自动驾驶车辆后轴到路点的长度，R是追踪路径的半径，L是自动驾驶车辆前后轴之间的轴距。
经过推导得到
Figure RE-GDA0001956571880000073
即追踪路径的曲率
Figure RE-GDA0001956571880000074
引入二自由度Ackerman方程δc＝tan-1(kL)，该δc为转向角，因此当自动驾驶车辆位置和路点位置确定，曲率被确定，这样方位角和转向角也会确定。
如图4所示，本发明实施例提供了一种自动驾驶车辆路径追踪装置，所述装置包括：
生成单元41，用于生成地图路点，所述地图路点包括参考路径上每一路点的坐标信息；
获取单元42，用于获取自动驾驶车辆的位置信息，根据所述车辆位置和所述每一路点的坐标信息生成至少一条追踪路径，并获得每一追踪路径的长度；
计算单元43，用于计算与每一追踪路径的曲率；
运算单元44，用于根据所述每一追踪路径的长度和每一追踪路径的曲率建立目标函数，通过求解所述目标函数获取最佳的追踪路径以及最佳的追踪路径的曲率；
控制单元45，用于根据所述最佳的追踪路径和最佳的追踪路径的曲率，控制车辆沿最佳的追踪路径切入参考路径。
进一步地，所述生成单元41具体用于:
利用使用载波相位差分技术的全球定位系统生成路由描述数据文件格式的地图路点。
进一步地，所述获取单元42具体用于：
建立每一追踪路径的长度和与每一追踪路径对应的曲率之间关系的一次方程K(s)＝c、二次方程K(s)＝as2+bs+c和三次方程K(s)＝as3+bs2+c，所述s为每一追踪路径的长度，所述K(s)为每一追踪路径的曲率的函数，所述a、b、c为预设常数；
根据所述车辆位置和所述每一路点生成多条追踪路径，所述多条追踪路径分别符合所述一次方程、二次方程和三次方程中每一追踪路径的长度和每一追踪路径的曲率之间关系；
根据导航系统计算每一追踪路径的长度。
进一步地，所述计算单元43具体用于：
建立公式
Figure RE-GDA0001956571880000081
所述Ki为自动驾驶车辆至第i个路点的追踪路径的曲率，所述xi(t)为自动驾驶车辆至第i个路点的追踪路径上点的横坐标，所述yi(t)为自动驾驶车辆至第i个路点的追踪路径上点的横坐标；
将公式
Figure RE-GDA0001956571880000082
进行推导得到
Figure RE-GDA0001956571880000083
所述K为每一追踪路径的曲率。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明通过设定追踪路径的长度和追踪路径的曲率之间的关系，在自动驾驶车辆和参考路径会建立多条追踪路径，对上述多条追踪路径建立目标函数并求解，选取在追踪路径的长度与进入参考路径的角度之间获得平衡下的最佳效果，解决了现有技术导致的进入追踪路径角度太大容易偏离轨道的问题，也解决追踪路径过长导致效率低的问题。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自动驾驶车辆路径追踪方法，其特征在于，所述方法包括：
生成地图路点，所述地图路点包括参考路径上每一路点的坐标信息；
获取自动驾驶车辆的位置信息，根据所述位置信息和所述每一路点的坐标信息生成至少一条追踪路径，并获得每一追踪路径的长度；
计算每一追踪路径的曲率；
根据所述每一追踪路径的长度和每一追踪路径的曲率建立目标函数，通过求解所述目标函数获取最佳的追踪路径以及最佳的追踪路径的曲率；
根据所述最佳的追踪路径和最佳的追踪路径的曲率，控制自动驾驶车辆沿最佳的追踪路径切入参考路径。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生成地图路点具体步骤包括：
利用使用载波相位差分技术的全球定位系统生成路由描述数据文件格式的地图路点。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述位置信息和所述每一路点的坐标信息生成至少一条追踪路径，并获得每一追踪路径的长度包括：
建立每一追踪路径的长度和每一追踪路径的曲率之间关系的一次方程K(s)＝c、二次方程K(s)＝as2+bs+c和三次方程K(s)＝as3+bs2+c，所述s为每一追踪路径的长度，所述K(s)为每一追踪路径的曲率的函数，所述a、b、c为预设常数；
根据所述位置信息和所述每一路点生成多条追踪路径，所述多条追踪路径分别符合所述一次方程、二次方程和三次方程中每一追踪路径的长度和每一追踪路径的曲率之间关系；
根据导航系统计算每一追踪路径的长度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算每一追踪路径的曲率步骤具体为：
建立公式
Figure RE-FDA0001956571870000011
所述Ki为自动驾驶车辆至第i个路点的追踪路径的曲率，所述xi(t)为自动驾驶车辆至第i个路点的追踪路径上点的横坐标，所述yi(t)为自动驾驶车辆至第i个路点的追踪路径上点的横坐标；
将公式
Figure RE-FDA0001956571870000021
进行推导得到
Figure RE-FDA0001956571870000022
所述K为每一追踪路径的曲率。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述每一追踪路径的长度和每一追踪路径的曲率建立目标函数，通过求解所述目标函数获取最佳的追踪路径以及最佳的追踪路径的曲率包括：
建立目标函数
Figure RE-FDA0001956571870000023
所述J为追踪路径，所述φ(x(tf),tf)为通量，所述φ(x(tf),tf)＝0，所述
Figure RE-FDA0001956571870000024
是以x、y、t为变量的Y函数的积分；
建立第一方程
Figure RE-FDA0001956571870000025
所述a1和a2分别为
Figure RE-FDA0001956571870000026
和
Figure RE-FDA0001956571870000027
的权重，所述a1+a2＝1，s(t)为每一追踪路径的长度的函数，K(t)为每一追踪路径的曲率的函数；
建立第二方程、第三方程分别为
Figure RE-FDA0001956571870000028
和
Figure RE-FDA0001956571870000029
所述x、y分别为每一追踪路径的横坐标、纵坐标,i表示每一追踪路径上任意一点，a，b，c为常量；
根据目标函数、第一方程至第三方程以及
Figure RE-FDA00019565718700000210
推导出J＝a1s2+a2K2，即J＝as2+(1-a)K2，所述a的范围0～1；
求解出J的最小值，所述J的最小值对应的s为最佳的追踪路径的长度，所述J的最小值对应的K为最佳的追踪路径的曲率。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述最佳的追踪路径和最佳的追踪路径的曲率，控制自动驾驶车辆沿最佳的追踪路径切入参考路径包括：
利用公式δc＝tan-1(kL)计算最佳的追踪路径对应的转向角，所述δc为最佳的追踪路径对应的转向角，所述k为最佳的追踪路径的曲率，所述L为自动驾驶车辆前后轴距；
利用公式
Figure RE-FDA00019565718700000211
计算最佳的追踪路径对应的方位角，所述α是最佳的追踪路径对应的方位角，所述ld为自动驾驶车辆后轴至最佳的追踪路径对应的路点长度；
根据所述α和所述δc调整车辆的方位角和转向角，控制自动驾驶车辆沿最佳的追踪路径切入参考路径。
7.一种自动驾驶车辆路径追踪装置，其特征在于，所述装置包括：
生成单元，用于生成地图路点，所述地图路点包括参考路径上每一路点的坐标信息；
获取单元，用于获取自动驾驶车辆的位置信息，根据所述位置信息和所述每一路点的坐标信息生成至少一条追踪路径，并获得每一追踪路径的长度；
计算单元，用于计算每一追踪路径的曲率；
运算单元，用于根据所述每一追踪路径的长度和每一追踪路径的曲率建立目标函数，通过求解所述目标函数获取最佳的追踪路径以及最佳的追踪路径的曲率；
控制单元，用于根据所述最佳的追踪路径和与最佳的追踪路径的曲率，控制自动驾驶车辆沿最佳的追踪路径切入参考路径。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述生成单元具体用于:
利用使用载波相位差分技术的全球定位系统生成路由描述数据文件格式的地图路点。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述获取单元具体用于：
建立每一追踪路径的长度和与每一追踪路径的曲率之间关系的一次方程K(s)＝c、二次方程K(s)＝as2+bs+c和三次方程K(s)＝as3+bs2+c，所述s为每一追踪路径的长度，所述K(s)为每一追踪路径的曲率的函数，所述a、b、c为预设常数；
根据所述位置信息和所述每一路点生成多条追踪路径，所述多条追踪路径分别符合所述一次方程、二次方程和三次方程中每一追踪路径的长度和每一追踪路径的曲率之间关系；
根据导航系统计算每一追踪路径的长度。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述计算单元具体用于：
建立公式
Figure RE-FDA0001956571870000031
所述Ki为自动驾驶车辆至第i个路点的追踪路径的曲率，所述xi(t)为自动驾驶车辆至第i个路点的追踪路径上点的横坐标，所述yi(t)为自动驾驶车辆至第i个路点的追踪路径上点的横坐标；
将公式
Figure RE-FDA0001956571870000041
进行推导得到
Figure RE-FDA0001956571870000042
所述K为每一追踪路径的曲率。
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