CN111238517A - 用于无人驾驶车辆的路径轨迹的生成方法和生成系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于无人驾驶汽车的路径轨迹的生成方法，将起点与终点之间的预生成路径轨迹按照横坐标等间距选取N点，将路径分割成(N‑1)段；根据所述ti‑1时刻和所述ti时刻对应的轨迹点，以及所述ti‑1时刻的车速vi‑1和ti时刻的车速vi得到第i段路径的参数方程；将所述i段路径的参数方程组成时间分段函数；按照第一时间间隔，根据所述时间分段函数依次输出ti时刻对应的车辆速度和转向角。发送所述车辆速度和转向角发送至车辆的底盘模块。可以使汽车严格按规划路径行驶，其车速自动根据路径曲率调整，实现了城市工况下无人驾驶汽车局部路径规划和轨迹的基本要求。

Description

用于无人驾驶车辆的路径轨迹的生成方法和生成系统
技术领域
本发明属于无人驾驶技术领域，具体涉及一种用于无人驾驶车辆的路径轨迹的生成方法和生成系统。
背景技术
无人驾驶汽车拥有巨大的军事和商业应用前景，早在第二次世界大战期间，各国就试图开发无人驾驶车辆，用于替代士兵执行战场上的侦查、排雷等高危任务。近年来，由于计算机技术、智能技术和传感器技术的快速发展，如何使得无人驾驶车辆结合具体路况或者工况信息进行路径轨迹的生成，达到更好的无人驾驶车辆的自适应情况是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明旨在一定程度上解决上述技术问题之一，本发明实施例提供一种城市道路工况下无人驾驶汽车局部路後规划及轨迹生成的方法，本方法采用三次样条插值规划路径，并在此基础上结合侧向安全性原则生成轨迹。
针对以上技术问题，本发明第一方面实施例提供了一种用于无人驾驶车辆的路径轨迹的生成方法，所述生成方法，包括：
将起点与终点之间的预生成路径轨迹按照横坐标等间距选取N点，将路径分割成(N-1)段。
所述第i段路径的起点时刻为ti-1,所述第i段路径的终点时刻为ti，设定t0时刻所述车辆的位置为所述起点位置，t0时刻所述汽车的速度为(v,0)，根据所述ti-1时刻对应的路径轨迹点得到ti-1时刻的最大安全车速Vi-1，根据所述ti时刻对应的路径轨迹点得到ti时刻的最大安全车速Vi。
比较所述ti-1时刻的车速vi-1与ti时刻的最大安全车速Vi；根据比较结果得到ti时刻的车速vi。
根据所述ti-1时刻和所述ti时刻对应的轨迹点，以及所述ti-1时刻的车速vi-1和ti时刻的车速vi得到第i段路径的参数方程。
将所述i段路径的参数方程组成时间分段函数。
按照第一时间间隔，根据所述时间分段函数依次输出ti时刻对应的车辆速度和转向角。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：发送所述车辆速度和转向角至车辆的底盘模块。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括判断车辆是否接收掉头或转弯控制指令；如果所述车辆接收掉头或转弯控制指令则将所述车辆按照预先存储的车辆速度和转向角发送至底盘模块。
根据本发明的一个实施例，所述根据比较结果得到ti时刻的车速vi，包括：不大于作为如果所述ti-1时刻的车速vi-1不大于ti时刻的最大安全车速Vi，将所述ti时刻的最大安全车速Vi作为ti时刻的车速vi。
如果所述ti-1时刻的车速vi-1大于ti时刻的最大安全车速Vi，将所述ti-1时刻的车速vi-1作为ti时刻的车速vi。
本发明第二方面公开了一种用于无人驾驶车辆的路径轨迹的生成系统，所述生成系统包括：
分割模块，用于将起点与终点之间的预生成路径轨迹按照横坐标等间距选取N点，将路径分割成(N-1)段。
第一获取模块，用于所述第i段路径的起点时刻为ti-1,所述第i段路径的终点时刻为ti，设定t0时刻所述车辆的位置为所述起点位置，t0时刻所述汽车的速度为(v,0)，根据所述ti-1时刻对应的路径轨迹点得到ti-1时刻的最大安全车速Vi-1，根据所述ti时刻对应的路径轨迹点得到ti时刻的最大安全车速Vi；比较所述ti-1时刻的车速vi-1与ti时刻的最大安全车速Vi；根据比较结果得到ti时刻的车速vi。
第二获取模块，根据所述ti-1时刻和所述ti时刻对应的轨迹点，以及所述ti-1时刻的车速vi-1和ti时刻的车速vi得到第i段路径的参数方程；将所述i段路径的参数方程组成时间分段函数。
第三获取模块，用于按照第一时间间隔，根据所述时间分段函数依次输出ti时刻对应的车辆速度和转向角。
根据本发明的一个实施例，所述生成系统还包括：
发送模块，用于发送所述车辆速度和转向角至车辆的底盘模块。
根据本发明的一个实施例，所述生成系统还包括：
判断模块，判断车辆是否接收掉头或转弯控制指令；如果所述车辆接收掉头或转弯控制指令则将所述车辆按照预先存储的车辆速度和转向角发送至底盘模块。
本发明第三方面公开了一种电子设备，包括处理器和存储器；处理器通过读取所述存储器中存储的可执行程序代码来运行与所述可执行程序代码对应的程序，以用于实现以上所述的用于无人驾驶车辆的路径轨迹的生成方法。
本发明第四方面公开了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如以上所述的用于无人驾驶车辆的路径轨迹的生成方法。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明实施例公开的导航作用示意图；
图2是本发明实施例公开的车辆避让障碍物的动态分解图；
图3是本发明实施例公开的各种传感器作用范围示意图；
图4是本发明实施例公开的插值点选取图；
图5是本发明实施例公开的掉头或转弯工况的局部路径规划示意图；
图6是本发明实施例公开的车辆行驶轨迹生成方法步骤图；
图7是本发明实施例公开的汽车静止起步以及车速随路径曲率变化的变化图；
图8是本发明实施例公开的又一用于无人驾驶车辆的路径轨迹的生成方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。
本发明提供了一种城市道路工况下无人驾驶汽车局部路後规划及轨迹生成的方法，本方法采用三次样条插值规划路径，并在此基础上结合侧向安全性原则生成轨迹。仿真和实车试验后表明，本方法具有简洁、高效的优点。
由于无人驾驶汽车拥有巨大的军事和商业应用前景，早在第二次世界大战期间，各国就试图开发无人驾驶车辆，用于替代士兵执行战场上的侦查、排雷等高危任务。近二十年来，由于计算机技术、智能技术和传感器技术的快速发展，
局部路径规划作为无人驾驶汽车的“大脑”，其输入信息为环境感知系统所“看”到的环境信息，其输出汽车的车速信号和转向盘转角信号。如图1所示。
局部路径规划及轨迹生成的主要任务是确保汽车安全、平顺地行驶，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、平缓的行车轨迹，并以车速和转向角的数据形式传输给底盘控制系统，从而使车辆实现车道跟随和避障的功能，如图2所示。
本发明的无人驾驶汽车，其环境信息的获得来自于安装于车上的激光雷达、超声波雷达和摄像头三种传感器。其中激光雷达负责远距离(3m以上)障碍物探测，超声波雷达负责近距离(3m以下)障碍物探测，视频摄像头负责识别车道线及其类型,如图3所示。
局部路径规划所需的其他信息还包括GPS/惯性导航系统给出的导航信息，主要包括停车点位置、路口转弯提示、车身航向角等信息。
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车道线地图两种类型。
障碍物地图：以极坐标形式给出，坐标原点为汽车后轴点的中点。
中心点。包括720个数据，即0.5°—个数据，用来表示该方向上的最近物体离车中心的直线距离。如果没有障碍物，其数值设为最大距离值。
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。
在一般工况下自主驾驶的原则为：跟随车道线行驶。因此采用拟合车道中心线作为行驶路径，拟合的方法采用了三次样条插值，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，也就意味转向盘转角不会发生突变，这是车辆平顺行驶的必要条件。规划路径时关键插值点一般选取原则为：
第一点：本车后轴中点(即坐标原点)。
第二点：道路中心线第1采样点与右侧路边线第1采样点的中点。
第三点：道路中心线第5采样点与右侧路边线第5采样点的中点。
第四点：道路中心线第10采样点与右侧路边线第10采样点的中点。
如前方遇到障碍物时产生特殊关键点，以取代上述四点中的部分关键点(如图4，第3、第4插值点做了平移处理)。
根据关键点坐标插值生成三次样条曲线即为行车路径，插值过程中使用了第一边界条件，即始点和终点的斜率为给定值。始点的斜率取K0＝0,终点的斜率根据以下公式计算：
Figure BDA0002361984710000061
式中，k1——终点处导数；
x9——车道中心线第9点横坐标；
x10——车道中心线第10点横坐标；
y9——车道中心线第9点纵坐标；
y10——车道中心线第10点纵坐标。
特殊工况下，比如转弯和掉头工况都采用简单但高效的圆弧曲线作为行驶路径，如图5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。
轨迹生成：
根据曲率公式：
Figure BDA0002361984710000071
式中K——曲率的斜率。
根据转向运动学关系：
tanα＝BK (3)
式中，B——汽车轴距；
α——转向角。
因此，转向角：α＝arctan(BK) (4)
普通工况时轨迹生成按图6中的步骤实现。轨迹最终以20Hz速率向汽车底盘控制系统输出一组车速、转向角数据，同一组内各数据之间的时间间隔约为5ms。
在制动工况时，汽车车速按等减速行驶直至停止。在左右转弯和掉头工况时，如前所述，汽车按圆弧路径低速行驶，故我们采用5km/h匀速过弯，转向盘转角为固定值，其数值由车道宽度推算得出。
通过仿真和实车试验证明，利用本方法可以使汽车严格按规划路径行驶，其车速自动根据路径曲率调整，实现了城市工况下无人驾驶汽车局部路径规划和轨迹的基本要求。
实施例二：
本发明第一方面实施例提供了一种用于无人驾驶车辆的路径轨迹的生成方法，如图8所示，所述生成方法，包括：
将起点与终点之间的预生成路径轨迹按照横坐标等间距选取N点，将路径分割成(N-1)段。
所述第i段路径的起点时刻为ti-1,所述第i段路径的终点时刻为ti，设定t0时刻所述车辆的位置为所述起点位置，t0时刻所述汽车的速度为(v,0)，根据所述ti-1时刻对应的路径轨迹点得到ti-1时刻的最大安全车速Vi-1，根据所述ti时刻对应的路径轨迹点得到ti时刻的最大安全车速Vi。
比较所述ti-1时刻的车速vi-1与ti时刻的最大安全车速Vi；根据比较结果得到ti时刻的车速vi。
根据所述ti-1时刻和所述ti时刻对应的轨迹点，以及所述ti-1时刻的车速vi-1和ti时刻的车速vi得到第i段路径的参数方程。
将所述i段路径的参数方程组成时间分段函数。
按照第一时间间隔，根据所述时间分段函数依次输出ti时刻对应的车辆速度和转向角。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：将所述车辆速度和转向角发送至车辆的底盘模块。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括判断车辆是否接收掉头或转弯控制指令；如果所述车辆接收掉头或转弯控制指令则将所述车辆按照预先存储的曲率和车速发送至地盘模块。
根据本发明的一个实施例，所述根据比较结果得到ti时刻的车速vi，包括：不大于作为如果所述ti-1时刻的车速vi-1不大于ti时刻的最大安全车速Vi，将所述ti时刻的最大安全车速Vi作为ti时刻的车速vi。
如果所述ti-1时刻的车速vi-1大于ti时刻的最大安全车速Vi，将所述ti-1时刻的车速vi-1作为ti时刻的车速vi。
本发明第二方面公开了一种用于无人驾驶车辆的路径轨迹的生成系统，所述生成系统包括：
分割模块，用于将起点与终点之间的预生成路径轨迹按照横坐标等间距选取N点，将路径分割成(N-1)段。
第一获取模块，用于所述第i段路径的起点时刻为ti-1,所述第i段路径的终点时刻为ti，设定t0时刻所述车辆的位置为所述起点位置，t0时刻所述汽车的速度为(v,0)，根据所述ti-1时刻对应的路径轨迹点得到ti-1时刻的最大安全车速Vi-1，根据所述ti时刻对应的路径轨迹点得到ti时刻的最大安全车速Vi；比较所述ti-1时刻的车速vi-1与ti时刻的最大安全车速Vi；根据比较结果得到ti时刻的车速vi。
第二获取模块，根据所述ti-1时刻和所述ti时刻对应的轨迹点，以及所述ti-1时刻的车速vi-1和ti时刻的车速vi得到第i段路径的参数方程；将所述i段路径的参数方程组成时间分段函数。
第三获取模块，用于按照第一时间间隔，根据所述时间分段函数依次输出ti时刻对应的车辆速度和转向角。
根据本发明的一个实施例，所述生成系统还包括：
发送模块，用于将所述车辆速度和转向角发送至车辆的底盘模块。
根据本发明的一个实施例，所述生成系统还包括：
判断模块，判断车辆是否接收掉头或转弯控制指令；如果所述车辆接收掉头或转弯控制指令则将所述车辆按照预先存储的曲率和车速发送至地盘模块。
本发明第三方面公开了一种电子设备，包括处理器和存储器；处理器通过读取所述存储器中存储的可执行程序代码来运行与所述可执行程序代码对应的程序，以用于实现以上所述的用于无人驾驶车辆的路径轨迹的生成方法。
本发明第四方面公开了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如以上所述的用于无人驾驶车辆的路径轨迹的生成方法。
通过仿真和实车试验证明，利用本方法可以使汽车严格按规划路径行驶，其车速自动根据路径曲率调整，实现了城市工况下无人驾驶汽车局部路径规划和轨迹的基本要求。
显然，上述具体实施案例仅仅是为了说明本方法应用所作的举例，而非对实施方式的限定，对于该领域的一般技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动，用以研究其他相关问题。因此，本发明的保护范围都应以权利要求的保护范围。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所描述的电子设备等实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.用于无人驾驶车辆的路径轨迹的生成方法，其特征在于，所述生成方法，包括：
将起点与终点之间的预生成路径轨迹按照横坐标等间距选取N点，将路径分割成(N-1)段；
所述第i段路径的起点时刻为ti-1,所述第i段路径的终点时刻为ti，设定t0时刻所述车辆的位置为所述起点位置，t0时刻所述汽车的速度为(v,0)，根据所述ti-1时刻对应的路径轨迹点得到ti-1时刻的最大安全车速Vi-1，根据所述ti时刻对应的路径轨迹点得到ti时刻的最大安全车速Vi；
比较所述ti-1时刻的车速vi-1与ti时刻的最大安全车速Vi；根据比较结果得到ti时刻的车速vi；
根据所述ti-1时刻和所述ti时刻对应的轨迹点，以及所述ti-1时刻的车速vi-1和ti时刻的车速vi得到第i段路径的参数方程；
将所述i段路径的参数方程组成时间分段函数；
按照第一时间间隔，根据所述时间分段函数依次输出ti时刻对应的车辆速度和转向角。
2.根据权利要求1所述的生成方法，其特征在于，所述方法还包括：
发送所述车辆速度和转向角至车辆的底盘模块。
3.根据权利要求1所述的生成方法，其特征在于，所述方法还包括判断车辆是否接收掉头或转弯控制指令；如果所述车辆接收掉头或转弯控制指令则将所述车辆按照预先存储的车辆速度和转向角发送至底盘模块。
4.根据权利要求1所述的生成方法，其特征在于，所述根据比较结果得到ti时刻的车速vi，包括：不大于作为
如果所述ti-1时刻的车速vi-1不大于ti时刻的最大安全车速Vi，将所述ti时刻的最大安全车速Vi作为ti时刻的车速vi；
如果所述ti-1时刻的车速vi-1大于ti时刻的最大安全车速Vi，将所述ti-1时刻的车速vi-1作为ti时刻的车速vi。
5.用于无人驾驶车辆的路径轨迹的生成系统，其特征在于，所述生成系统包括：
分割模块，用于将起点与终点之间的预生成路径轨迹按照横坐标等间距选取N点，将路径分割成(N-1)段；
第一获取模块，用于所述第i段路径的起点时刻为ti-1,所述第i段路径的终点时刻为ti，设定t0时刻所述车辆的位置为所述起点位置，t0时刻所述汽车的速度为(v,0)，根据所述ti-1时刻对应的路径轨迹点得到ti-1时刻的最大安全车速Vi-1，根据所述ti时刻对应的路径轨迹点得到ti时刻的最大安全车速Vi；比较所述ti-1时刻的车速vi-1与ti时刻的最大安全车速Vi；根据比较结果得到ti时刻的车速vi；
第二获取模块，根据所述ti-1时刻和所述ti时刻对应的轨迹点，以及所述ti-1时刻的车速vi-1和ti时刻的车速vi得到第i段路径的参数方程；将所述i段路径的参数方程组成时间分段函数；
第三获取模块，用于按照第一时间间隔，根据所述时间分段函数依次输出ti时刻对应的车辆速度和转向角。
6.根据权利要求5所述的生成系统，其特征在于，所述生成系统还包括：
发送模块，用于发送所述车辆速度和转向角至车辆的底盘模块。
7.根据权利要求5所述的生成系统，其特征在于，所述生成系统还包括：
判断模块，判断车辆是否接收掉头或转弯控制指令；如果所述车辆接收掉头或转弯控制指令则将所述车辆按照预先存储的车辆速度和转向角发送至底盘模块。
8.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器；
处理器通过读取所述存储器中存储的可执行程序代码来运行与所述可执行程序代码对应的程序，以用于实现如权利要求1-4中任一所述的用于无人驾驶车辆的路径轨迹的生成方法。
9.一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4中任一所述的用于无人驾驶车辆的路径轨迹的生成方法。
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