CN113050657A - 一种用于自动驾驶循迹的路点处理方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于自动驾驶循迹的路点处理方法及系统,该方法包括:步骤1,获取原始路点文件;步骤2,通过增加或删减方式处理步骤1获取的路点文件中的路点,使路点文件中相邻两个路点之间距离满足预设条件;步骤3,对步骤2处理后的路点文件进行平滑处理;步骤4,计算步骤3处理后的路点文件各路点的属性,属性包括:曲率、理论建议速度、实际建议速度和朝向。本发明能够简洁、高效地得到切实可用的循迹路线。
Description
技术领域
本发明涉及自动驾驶技术技术领域,特别是关于一种用于自动驾驶循迹的路点处理方法及系统。
背景技术
自动驾驶循迹作为自动驾驶技术的重要分支,是一种简单、快速和易实现的自动驾驶方案,广泛应用于简单场景的自动驾驶实现。在简单交通场景中,自动驾驶车辆定位通常使用GPS,再额外添加辅助的避障功能,便可满足自动驾驶循迹的任务要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于自动驾驶循迹的路点处理方法和系统,其能够简洁、高效地得到切实可用的循迹路线。
为实现上述目的,本发明提供一种用于自动驾驶循迹的路点处理方法,该方法包括:
步骤1,获取原始路点文件;
步骤2,通过增加或删减方式处理步骤1获取的路点文件中的路点,使路点文件中相邻两个路点之间距离满足预设条件;
步骤3,对步骤2处理后的路点文件进行平滑处理;
步骤4,计算步骤3处理后的路点文件各路点的属性,属性包括:曲率、理论建议速度、实际建议速度和朝向;其中,所述曲率计算方法包括:
步骤411,先计算相邻两路点之间的间距的平均值,再用车长的一半除以平均值取整得到一个数值N;
步骤412,以路点文件从头开始计算的第N个路点和从尾开始计算的第N个路点作为首尾两个分界点,将路点文件分为三段路段,分为首部路段、中间路段和尾部路段;
步骤413,计算中间路段的路点的曲率,其具体包括:
以从头开始计算的第N个路点作为当前路点,再在路点文件中向前和向后各找出间隔N-1个路点的两个路点,最后通过当前路点和找出的两个路点确定为一个圆,并计算该圆的曲率,该曲率作为当前路点的曲率;若找出的两个路点与当前路点共线,则认为当前路点的曲率为0;
步骤414,计算首部路段/尾部路段的路点的曲率。
进一步地,步骤414中的首部路段的路点的曲率计算方法具体包括:
用首部路段的首、尾路点及中间路点确定为一个圆,并计算圆的曲率,该曲率作为首部路段上各路点的曲率。
进一步地,步骤414中的尾部路段的路点的曲率计算方法具体包括:
用尾部路段的首、尾路点及中间路点确定为一个圆,并计算圆的曲率,该曲率作为首部路段上各路点的曲率。
进一步地,当前路点i的理论建议速度计算方法具体包括:
Vsug=min(V0,Vmax/curi)
其中,V0为车辆巡航速度,Vmax为车辆能达到的最大速度,Vmax可以等于V0但不能小于V0,curi为当前路点点的曲率。理论建议速度取两者中的较小。
进一步地,当前路点i的实际建议速度的计算方法具体包括:
其中,Vi表示当前路点i的实际建议速度,Vsug表示当前路点i的理论建议速度,Vi+1表示当前路点i的下一个路点i+1的实际建议速度,a为车辆的加速度,x为当前路点i和下一个路点i+1之间的距离。
进一步地,对步骤3平滑处理后的路点文件进行修正处理。
本发明还提供一种用于自动驾驶循迹的路点处理系统,该系统包括:
采集装置,其用于获取原始路点文件;
路点密集度处理装置,其用于通过增加或删减方式处理所述路点文件中的路点,使路点文件中相邻两个路点之间距离满足预设条件;
平滑处理装置,对所述路点文件进行平滑处理;
属性计算装置,其用于计算路点文件各路点的属性,属性包括:曲率、理论建议速度、实际建议速度和朝向;其中,所述曲率的计算单元包括:
预设值设定子单元,其用于先计算相邻两路点之间的间距的平均值,再用车长的一半除以平均值取整得到一个数值N;
分段子单元,其用于以路点文件从头开始计算的第N个路点和从尾开始计算的第N个路点作为首尾两个分界点,将路点文件分为三段路段,分为首部路段、中间路段和尾部路段;
中间路段曲率计算子单元,其用于计算中间路段的路点的曲率,其具体包括:
以从头开始计算的第N个路点作为当前路点,再在路点文件中向前和向后各找出间隔N-1个路点的两个路点,最后通过当前路点和找出的两个路点确定为一个圆,并计算该圆的曲率,该曲率作为当前路点的曲率;若找出的两个路点与当前路点共线,则认为当前路点的曲率为0;
首部路段/尾部路段计算子单元,其用于计算首部路段/尾部路段的路点的曲率。
进一步地,所述首/尾部路段计算子单元的计算曲率方法具体包括:
用首/尾部路段的首、尾路点及中间路点确定为一个圆,并计算圆的曲率,该曲率作为首部路段上各路点的曲率。
进一步地,当前路点i的所述理论建议速度计算单元的计算方法具体包括:
Vsug=min(V0,Vmax/curi)
其中,V0为车辆巡航速度,Vmax为车辆能达到的最大速度,Vmax可以等于V0但不能小于V0,curi为当前路点点的曲率。理论建议速度取两者中的较小。
进一步地,当前路点i的所述实际建议速度计算单元的计算方法具体包括:
其中,Vi表示当前路点i的实际建议速度,Vsug表示当前路点i的理论建议速度,Vi+1表示当前路点i的下一个路点i+1的实际建议速度,a为车辆的加速度,x为当前路点i和下一个路点i+1之间的距离。
本发明将提出一种较为通用的循迹路点处理方法,通过增删点,平滑,属性赋值等操作,整理出一条理想、准确且可用的路点描述文件。
附图说明
图1为本发明方法所提出的路点处理方法的实际应用场景示意图。
图2为人工操作车辆通过采集GPS信息得到的路线总览示意图。
图3为人工操作车辆通过采集GPS信息得到的路线局部放大示意图。
图4为路线的起点细节放大图。
图5和图6分别为在限差相同的情况下不同平滑权重获得的路线。
图7为本发明方法所提出的路点处理方法获得路线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明实施例所提供的自动驾驶循迹的路点处理方法具体包括:
步骤1,获取原始路点文件。其中,原始路点文件,也是下文提及的路线,其可以由人工操作车辆实地测量得到,也可以是由测绘方法计算得到,获取方法不限,只要能描述车辆的行进轨迹即可。路点文件格式包括以列形式排列的每一个路点的X坐标值和Y坐标值,如下表1所示。
步骤2,通过增加或删减方式处理步骤1获取的路点文件中的路点,使路点文件中相邻两个路点之间距离满足预设条件。
其中,预设条件包括相邻两个路点之间距离的上限值和下限值。预设条件是根据实际的任务情况确定一个范围,比如:车身长度的1/20或者最大巡航速度下50ms走过的距离等,取值范围确定的方法并不唯一,根据需求与经验确定。
通过增加或删减方式处理步骤1获取的路点文件中的路点的方法具体包括:
步骤21,将路点文件的第一个路点作为当前路点;
步骤22,遍历所有路点文件中的所有路点,判断当前路点与后一个路点之间的间隔,如果大于上限值,则在当前路点后增加一个路点,间隔为上限值,更新为第一路点文件,格式不变,并进入步骤23;如果等于或小于上限值,则进入步骤24;
步骤23,将新增路点作为当前路点,并返回步骤22;
步骤24,将后一个路点作为当前路点,并返回步骤22;
步骤25,遍历所有路点文件中的所有路点,判断当前路点与后一个路点之间的间隔,如果小于下限值,则删除后一个路点,更新为第二路点文件,格式不变,并进入步骤26;如果等于或大于下限值,则进入步骤27;
步骤23,步骤25中的当前路点不变,并返回步骤25;
步骤24,将后一个路点作为当前路点,并返回步骤25;
一般情况下,循迹路点同时提供车辆的定位与导航功能。路点过于密集没有实际意义,浪费计算资源。如果路点稀疏,可能使得车辆无法确定当前位置或导航出现问题。因此本实施例需要路点分布均匀,间隔适中。
步骤3,对步骤2处理后的路点文件进行平滑处理。
作为平滑处理路点文件的一种优选实施方式,其所用到的公式包括式(1)至式(5):
Δxi=b*(xi0-xi)+a*(xi-1+xi+1-2*xi) (1)
Δyi=b*(yi0-yi)+a*(yi-1+yi+1-2*yi) (2)
xi=xi+Δxi (3)
yi=yi+Δyi (4)
c=c+|Δxi|+|Δyi| (5)
式中,(xi0,yi0)表示步骤2获得的路点文件中的第i个路点的坐标值,(xi,yi)表示经由步骤3平滑处理后的当前第i个路点的坐标值,Δxi表示xi与xi0之差,Δyi表示yi与yi0之差,(xi-1,yi-1)表示经由步骤3平滑处理后的当前第i个路点的前一个路点的坐标值,(xi+1,yi+1)表示经由步骤3平滑处理后的当前第i个路点的后一个路点的坐标值。
a表示平滑权重,取值范围一般在0.75到0.98之间。一般性地,平滑权重越高,路径越平滑,新路径与原路径的偏离现象也严重(弯道上较为明显)。b表示数据权重,与平滑权重相对应,b的值越高,平滑后的路径与原路径越接近。a与b的值满足a+b=1。c表示限差,反应平滑后的路点较上次的路点变动情况。c的值一般设定为n*10-4,表示平均单个路点较上次移动距离不超过0.1mm即为平滑结束,每次循环c初始值为0。
经过若干次循环,c的值满足要求后,平滑结束。
步骤4,计算步骤3处理后的路点文件各路点的属性,通过属性精确描述该路点或者车辆处在该路点上的运行状态。
步骤41,计算曲率:
步骤411,先计算相邻两路点之间的间距的平均值,再用车长的一半除以平均值取整得到一个数值N。
步骤412,以路点文件从头开始计算的第N个路点和从尾开始计算的第N个路点作为首尾两个分界点,将路点文件分为三段路段,分为首部路段、中间路段和尾部路段。
步骤413,计算中间路段的路点的曲率,其具体包括:
以从头开始计算的第N个路点作为当前路点,再在路点文件中向前和向后各找出间隔N-1个路点的两个路点,最后通过当前路点和找出的两个路点确定为一个圆,并计算该圆的曲率,该曲率作为当前路点的曲率。
若找出的两个路点与当前路点共线,则认为当前路点的曲率为0。
例如:以路点文件中有1000个路点,N=10举例进行说明。那么,步骤412中,第1个路点至第10个路点为首部路段,第10个路点至第990个路点为中间路段,第990个路点至第1000个路点为尾部路段。步骤413中,计算中间路段的路点曲率时,第10个路点为当前路点,另外两个路点分别为第1个路点和第19个路点,以这三个路点确定为一个圆,该圆的曲率为第10个路点的曲率。若这三个路点共线,则第10个路点的曲率为0。
步骤414,计算首部路段/尾部路段的路点的曲率,首部路段和尾部路段的路点的曲率的获取方法相同。在此仅以首部路段为例,阐述其获取方法具体包括:
用首部路段的首、尾路点及中间路点确定为一个圆,并计算圆的曲率,该曲率作为首部路段上各路点的曲率。也就是说,首部路段上各路点的曲率相同。
同理,可以获得尾部路段上各路点的曲率。
在一个实施例中,也可以使用三点计算贝塞尔曲线表达式,对当前路点进行弧微分既得斜率,这样获得的曲率波动幅度更小。
比如:通过三个点Pa,Pi,Pb确定的二次贝塞尔曲线参数方程表示为式(6),其中,Pi是当前路点,Pa,Pb是当前路点Pi前后两个辅助点:
其中,t∈[0,1],(x,y)表示贝塞尔曲线上点的坐标,(xa,ya)表示点Pa的坐标,(xb,yb)表示点Pb的坐标,(xi,yi)表示点Pi的坐标。
再利用式(7)表示的弧微分公式,计算当前路点Pi的曲率K:
式(7)中,y′表示当前路点Pi的一阶导数,y″表示当前路点Pi的二阶导数。
其中,“三点”的选取方法包括:可以使用连续三点,也可以使用间隔一定距离的三点。使用连续三点,曲率波动范围大,不利于控制。两点之间间隔越大,曲率波动越小,但是过大的间隔无法反应路径的真实情况。当前点是车辆中心,前后点取半车长是非常合适的。
步骤42,可以利用式(8)计算当前路点i的理论建议速度,理论建议速度Vsug取V0和Vmax/curi中的较小值:
Vsug=min(V0,Vmax/curi) (8)
其中,V0为车辆巡航速度,Vmax为车辆能达到的最大速度,Vmax可以等于V0但不能小于V0,curi为当前路点点的曲率。
也可以通过记录车辆在特定道路上的实际行驶速度,计算得到一组分段函数,通过查表的方式,获得当前路点i的理论建议速度。
步骤43,计算当前路点i的实际建议速度:考虑到实际情况,如车辆在终点时速度应该为0,但是只计算理论建议速度是符合实际情况的。所以,进一步计算实际建议速度。首先,将最后一个点的建议速度置为0,然后从倒数第二个点开始从后往前计算实际建议速度,其表示为下式(9):
其中,Vi表示当前路点i的实际建议速度,Vsug表示当前路点i的理论建议速度,Vi+1表示当前路点i的下一个路点i+1的实际建议速度(车辆实际运行时的速度不应大于实际建议速度),a为车辆的加速度(正值),x为当前路点i和下一个路点i+1之间的距离。
步骤44,计算朝向:从第一个路点开始,计算当前路点与后一个路点的反正切值,即为当前第i个路点的朝向,最后一路点的朝向等于前一个路点。
步骤45,属性添加。可以根据实际需要为路点添加某些属性。实际使用中的部分路点如表1所示:
表1
para | X | Y | yaw | type | cur | vel |
1 | 4435740 | 186264.3 | 271.146 | 0 | 0.000953 | 1.2 |
1 | 4435740 | 186264.3 | 272.291 | 0 | 0.000318 | 1.2 |
1 | 4435740 | 186264.2 | 271.146 | 0 | 0.000785 | 1.2 |
1 | 4435740 | 186264.2 | 272.291 | 0 | 0.000941 | 1.2 |
1 | 4435740 | 186264.1 | 271.146 | 0 | 0.000993 | 1.2 |
1 | 4435740 | 186264.1 | 272.291 | 0 | 0.00101 | 1.2 |
1 | 4435740 | 186264 | 272.291 | 0 | 0.001016 | 1.2 |
1 | 4435740 | 186264 | 271.146 | 0 | 0.001039 | 1.2 |
1 | 4435740 | 186263.9 | 272.291 | 0 | 0.001027 | 1.2 |
至此,循迹路点已经编辑完成。
在一个实施例中,本发明实施例所提供的自动驾驶循迹的路点处理方法在步骤3之后还包括:
步骤5,对步骤3平滑处理后的路点文件进行修正处理。
平滑处理无法解决所有的路点问题,可以在平滑后使用数学或测绘方法获得一段新路点,用于替换不满意的平滑后路点部分。替换路点的获得方法不唯一,替换后也可以再次进行平滑。此步骤为可选步骤。
下面以一个场景来简单描述本发明方法所提出的路点处理方法的实际应用,场景路线如图1所示,箭头表示车辆行进方向,本文中箭头的上游称为“前”,下游称为“后”。其中,A是停止区,车辆需要在此暂停收集数据。B区需要车辆开启温度传感器。车辆到达A区之前的控制算法与过A区后不同。
步骤1,获取原始路点文件。图2和图3分别是人工操作车辆通过采集GPS信息得到的路线总览与局部放大图,可以看到在GPS信号良好的情况下,因为GPS自身的系统误差,得到的路点依旧左右摇摆,自动驾驶车辆沿着这样的轨迹无法平稳的行驶,因此路点需要进一步的处理。
步骤2,通过增加或删减方式处理步骤1获取的路点文件中的路点,使路点文件中相邻两个路点之间距离满足预设条件。
图4是起点细节放大图,可以看到在采集信息时产生了大量的冗余数据,如果不加以处理,轻则浪费无人车的运算资源,重则影响车辆运行。在经过增删处理后,冗余数据被消除。
步骤3,对步骤2处理后的路点文件进行平滑处理。图5和图6分别是在限差相同的情况下平滑权重,数据权重分别为(0.98,0.02),(0.75,0.25)的对比图。经过平滑后的路线点之间距离更加平均,而且整体上更为光滑,更符合车辆的运动轨迹。
步骤4,计算步骤3处理后的路点文件各路点的属性与添加。经过平滑后(采用平滑权重为0.98的结果),路线基本满足了车辆平稳行进的要求,如图7所示。完成基本属性计算后根据场景需求添加路点属性,首先我们将为路点增加一个type属性,A区域设为1,方框区域设为2,其余为0,其中0表示正常行驶,1为车辆在此驻停15秒,2表示温度传感器开始运行。然后根据不同的控制模式,分别设置两个不同的para值,至此,一个可用的循迹路点编辑完成。
本发明实施例还提供一种用于自动驾驶循迹的路点处理系统,该系统包括采集装置、路点密集度处理装置、平滑处理装置和属性计算装置:
采集装置用于获取原始路点文件。
路点密集度处理装置用于通过增加或删减方式处理所述路点文件中的路点,使路点文件中相邻两个路点之间距离满足预设条件。
平滑处理装置用于对所述路点文件进行平滑处理。
属性计算装置用于计算路点文件各路点的属性,属性包括:曲率、理论建议速度、实际建议速度和朝向。
其中,所述曲率的计算单元包括预设值设定子单元、分段子单元、中间路段曲率计算子单元、首部路段计算子单元和尾部路段计算子单元(简称为首/尾部路段计算子单元):
预设值设定子单元用于先计算相邻两路点之间的间距的平均值,再用车长的一半除以平均值取整得到一个数值N。
分段子单元用于以路点文件从头开始计算的第N个路点和从尾开始计算的第N个路点作为首尾两个分界点,将路点文件分为三段路段,分为首部路段、中间路段和尾部路段。
中间路段曲率计算子单元用于计算中间路段的路点的曲率,其具体包括:
以从头开始计算的第N个路点作为当前路点,再在路点文件中向前和向后各找出间隔N-1个路点的两个路点,最后通过当前路点和找出的两个路点确定为一个圆,并计算该圆的曲率,该曲率作为当前路点的曲率;若找出的两个路点与当前路点共线,则认为当前路点的曲率为0。
首部路段/尾部路段计算子单元,其用于计算首部路段/尾部路段的路点的曲率。
在一个实施例中,所述首/尾部路段计算子单元的计算曲率方法具体包括:
用首/尾部路段的首、尾路点及中间路点确定为一个圆,并计算圆的曲率,该曲率作为首部路段上各路点的曲率。
在一个实施例中,当前路点i的所述理论建议速度计算单元用于利用式(8),计算当前路点i的理论建议速度,理论建议速度Vsug取V0和Vmax/curi中的较小值:
Vsug=min(V0,Vmax/curi) (8)
其中,V0为车辆巡航速度,Vmax为车辆能达到的最大速度,Vmax可以等于V0但不能小于V0,curi为当前路点点的曲率。
在一个实施例中,当前路点i的所述实际建议速度计算单元的计算方法具体包括:
其中,Vi表示当前路点i的实际建议速度,Vsug表示当前路点i的理论建议速度,Vi+1表示当前路点i的下一个路点i+1的实际建议速度,a为车辆的加速度,x为当前路点i和下一个路点i+1之间的距离。
最后需要指出的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解:可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;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各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种用于自动驾驶循迹的路点处理方法,其特征在于,包括:
步骤1,获取原始路点文件;
步骤2,通过增加或删减方式处理步骤1获取的路点文件中的路点,使路点文件中相邻两个路点之间距离满足预设条件;
步骤3,对步骤2处理后的路点文件进行平滑处理;
步骤4,计算步骤3处理后的路点文件各路点的属性,属性包括:曲率、理论建议速度、实际建议速度和朝向;其中,所述曲率计算方法包括:
步骤411,先计算相邻两路点之间的间距的平均值,再用车长的一半除以平均值取整得到一个数值N;
步骤412,以路点文件从头开始计算的第N个路点和从尾开始计算的第N个路点作为首尾两个分界点,将路点文件分为三段路段,分为首部路段、中间路段和尾部路段;
步骤413,计算中间路段的路点的曲率,其具体包括:
以从头开始计算的第N个路点作为当前路点,再在路点文件中向前和向后各找出间隔N-1个路点的两个路点,最后通过当前路点和找出的两个路点确定为一个圆,并计算该圆的曲率,该曲率作为当前路点的曲率;若找出的两个路点与当前路点共线,则认为当前路点的曲率为0;
步骤414,计算首部路段/尾部路段的路点的曲率。
2.如权利要求1所述的用于自动驾驶循迹的路点处理方法,其特征在于,步骤414中的首部路段的路点的曲率计算方法具体包括:
用首部路段的首、尾路点及中间路点确定为一个圆,并计算圆的曲率,该曲率作为首部路段上各路点的曲率。
3.如权利要求1所述的用于自动驾驶循迹的路点处理方法,其特征在于,步骤414中的尾部路段的路点的曲率计算方法具体包括:
用尾部路段的首、尾路点及中间路点确定为一个圆,并计算圆的曲率,该曲率作为首部路段上各路点的曲率。
4.如权利要求1至3中任一项所述的用于自动驾驶循迹的路点处理方法,其特征在于,当前路点i的理论建议速度计算方法具体包括:
Vsug=min(V0,Vmax/curi)
其中,V0为车辆巡航速度,Vmax为车辆能达到的最大速度,Vmax不小于V0,curi为当前路点点的曲率。
6.如权利要求1至3中任一项所述的用于自动驾驶循迹的路点处理方法,其特征在于,对步骤3平滑处理后的路点文件进行修正处理。
7.一种用于自动驾驶循迹的路点处理系统,其特征在于,包括:
采集装置,其用于获取原始路点文件;
路点密集度处理装置,其用于通过增加或删减方式处理所述路点文件中的路点,使路点文件中相邻两个路点之间距离满足预设条件;
平滑处理装置,对所述路点文件进行平滑处理;
属性计算装置,其用于计算路点文件各路点的属性,属性包括:曲率、理论建议速度、实际建议速度和朝向;其中,所述曲率的计算单元包括:
预设值设定子单元,其用于先计算相邻两路点之间的间距的平均值,再用车长的一半除以平均值取整得到一个数值N;
分段子单元,其用于以路点文件从头开始计算的第N个路点和从尾开始计算的第N个路点作为首尾两个分界点,将路点文件分为三段路段,分为首部路段、中间路段和尾部路段;
中间路段曲率计算子单元,其用于计算中间路段的路点的曲率,其具体包括:
以从头开始计算的第N个路点作为当前路点,再在路点文件中向前和向后各找出间隔N-1个路点的两个路点,最后通过当前路点和找出的两个路点确定为一个圆,并计算该圆的曲率,该曲率作为当前路点的曲率;若找出的两个路点与当前路点共线,则认为当前路点的曲率为0;
首部路段/尾部路段计算子单元,其用于计算首部路段/尾部路段的路点的曲率。
8.如权利要求7所述的用于自动驾驶循迹的路点处理系统,其特征在于,所述首/尾部路段计算子单元的计算曲率方法具体包括:
用首/尾部路段的首、尾路点及中间路点确定为一个圆,并计算圆的曲率,该曲率作为首部路段上各路点的曲率。
9.如权利要求7或8所述的用于自动驾驶循迹的路点处理系统,其特征在于,当前路点i的所述理论建议速度计算单元的计算方法具体包括:
Vsug=min(V0,Vmax/curi)
其中,V0为车辆巡航速度,Vmax为车辆能达到的最大速度,Vma不小于V0,curi为当前路点点的曲率。
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