CN113085895B - 车辆换道轨迹规划方法、装置、设备、存储介质及车辆 - Google Patents

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CN113085895B CN202110416172.7A CN202110416172A CN113085895B CN 113085895 B CN113085895 B CN 113085895B CN 202110416172 A CN202110416172 A CN 202110416172A CN 113085895 B CN113085895 B CN 113085895B
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Abstract

本发明适用于路径规划技术领域，提供一种车辆换道轨迹规划方法、装置、设备、存储介质及车辆。车辆换道轨迹规划方法包括：确定网格换道地图上待规划路径的始点和终点，网格换道地图为网格化的体现换道工况的局部地图，且网格换道地图以道路边界为地图边界；利用势函数对网格换道地图中的所有网格进行权重分配；搜索始点到终点之间不同权重要求对应的最优解；对不同权重要求对应的最优解进行平滑处理，获得不同权重要求对应的换道轨迹；在不同权重要求对应的换道轨迹选择最优换道轨迹。本方案通过搜索不同权重要求对应的最优解，再在不同权重要求对应的最优解中选择一个最优的方案，相比于现有技术有效提高客户对最终输出方案的满意程度。

Description

车辆换道轨迹规划方法、装置、设备、存储介质及车辆
技术领域
本发明属于路径规划技术领域，尤其涉及一种车辆换道轨迹规划方法、装置、设备、存储介质及车辆。
背景技术
近年来，随着车辆智能化程度的加深，无人驾驶技术的探索也越来越工程化。对于无人驾驶每一部分的细节技术都进一步完善，车辆感知、规划、控制都有了诸多方法来解决让无人驾驶更像人的问题。对于车辆行驶中不可避免的换道也成为了研究热点，车辆自动的换道也成为了部分量产车上搭载的功能之一。
目前无人驾驶的车辆研究出了诸多方法供以车辆换道工况使用，例如，等速偏移换道轨迹法、圆弧换道轨迹法、梯形速度换道轨迹法以及正弦函数换道轨迹法等，但是这些方法得到的换道轨迹各有利弊，不能满足用户需求
可见需要提供一种新的车辆换道轨迹规划方法，以解决现有技术得到的换道轨迹不能满足用户普遍需求的技术问题。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种车辆换道轨迹规划方法、装置、设备、存储介质及车辆，旨在解决现有技术得到的换道轨迹不能满足用户普遍需求的技术问题。
本发明实施例是这样实现的，所述车辆换道轨迹规划方法包括：
确定网格换道地图上待规划路径的始点和终点，所述网格换道地图为网格化的体现换道工况的局部地图，且所述网格换道地图以道路边界为地图边界；
利用势函数对所述网格换道地图中的所有网格进行权重分配；
搜索所述始点到所述终点之间不同权重要求对应的最优解；
对不同权重要求对应的最优解进行平滑处理，获得不同权重要求对应的换道轨迹；
在不同权重要求对应的换道轨迹选择最优换道轨迹。
本发明实施例的另一目的在于提供一种车辆换道轨迹规划装置，所述车辆换道轨迹规划装置，包括：
始终点确定模块，用于确定网格换道地图上待规划路径的始点和终点，所述网格换道地图为网格化的体现换道工况的局部地图，且所述网格换道地图以道路边界为地图边界；
权重分配模块，用于利用势函数对所述网格换道地图中的所有网格进行权重分配；
搜索模块，用于搜索所述始点到所述终点之间不同权重要求对应的最优解；
平滑处理模块，用于对不同权重要求对应的最优解进行平滑处理，获得不同权重要求对应的换道轨迹；
选择模块，用于在不同权重要求对应的换道轨迹选择最优换道轨迹。
本发明实施例的另一目的在于提供一种车辆换道轨迹规划设备，所述车辆换道轨迹规划设备包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行上述车辆换道轨迹规划方法的步骤。
本发明实施例的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行上述车辆换道轨迹规划方法的步骤。
本发明实施例的另一目的在于提供一种车辆，所述车辆包括上述的一种车辆换道轨迹规划设备。
本发明实施例提供的一种车辆换道轨迹规划方法，通过利用势函数对网格换道地图中的所有网格进行权重分配，然后在搜索始点到终点之间不同权重要求对应的最优解路径，最后再在不同权重要求对应的换道轨迹中选择一条最优的换道轨迹作为最终的车辆换道轨迹，相比于现有技术能够针对不同要求分别搜索对应的最优路径，最终再在不同要求对应的最终路径中选择一条，能够较大程度地满足用户需求。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种车辆换道轨迹规划方法的应用环境图；
图2为本发明实施例提供的一种车辆换道轨迹规划方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种包括获取网格换道地图步骤的车辆换道轨迹规划方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的车辆换道规划装置的结构框图；
图5为一个实施例中计算机设备的内部结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但除非特别说明，这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一xx脚本称为第二xx脚本，且类似地，可将第二xx脚本称为第一xx脚本。
如图1所示，为本发明实施例提供的车辆换道轨迹规划方法的应用环境图，如图1所示，在该应用环境中，包括车辆行驶控制装置110以及计算机设备120。
计算机设备120可以是车载终端、电脑、导航设备等，但不限于此，计算机设备120用于执行车辆换道轨迹规划方法，输出换道轨迹。
车辆行驶控制装置110，用于根据计算机设备120输出的换道轨迹控制车辆行驶。车辆行驶控制装置110和计算机设备120之间可以通过网络进行连接，本发明在此不做限制。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，提出了一种车辆换道轨迹规划方法，本实施例主要以该方法应用于上述图1中的计算机设备120来举例说明。
所述车辆换道轨迹规划方法，具体可以包括以下步骤：
步骤S202，确定网格换道地图上待规划路径的始点和终点，所述网格换道地图为网格化的体现换道工况的局部地图，且所述网格换道地图以道路边界为地图边界。
在本发明实施例中，如图3所示，在步骤S202之前还包括：
步骤S201，获取网格换道地图。
本实施例对获取网格换道地图的具体方式不做限制，例如可以从车辆换道轨迹规划方法所应用设备之外的其他设备直接获取，或者先通过图像采集设备获取换道地图，换道地图指能够体现待换道车辆换道工况的局部地图，然后再利用网格划分状态函数将换道地图网格化，且划分网格时以车道边界为地图边缘，从而得到网格换道地图。其中网格划分状态函数可以为：
Figure BDA0003025977750000051
其中，W为单车道frenet坐标系下横坐标所分布网格数；μ为待换道车辆加速度修正系数；a为待换道车辆加速度；v为待换道车辆速度；L为frenet坐标系下纵坐标分布网格数；η为纵坐标网格分布函数，L下待换道车辆速度修正量。
在本发明实施例中，网格换道地图上待规划路径的始点即待换道车辆的中心点。网格换道地图上待规划路径的终点可以通过在目标车道的中心线上随机撒若干点作为终点坐标，由于换道路径不同待换道车辆道到达目标车道中心线上的位置可能也不固定，所以使待换道车辆的终点落在在目标车道的中心线上即可。本实施例对待换道车辆终点的具体确定方式不做限制，例如可以通过如下公式实现终点的确定：
Figure BDA0003025977750000052
其中Range为撒点范围，y为待换道车辆道路方向坐标，rmin为车辆最小转弯半径，P(i)为撒点位置，a为待换道车辆加速度，i为撒点序号。本实施例对具体撒点数量不做限制，例如可以使i＝1-5。
步骤S204，利用势函数对所述网格换道地图中的所有网格进行权重分配。
在本发明实施例中，势函数可以包括第一约束、第二约束、第三约束以及第四约束，第一约束为网格换道地图中网格与障碍车的距离；第二约束为网格换道地图中网格与原车道远离目标车道一边边界的距离；第三约束为网格换道地图中网格与目标车道远离原车道一边边界的距离；第四约束为圆弧换道轨迹，例如，可以利用四分之一圆弧法模拟换道轨迹；势函数具体可以为：
δ＝δ1+δ2+δ3+δ4；
δ1＝ξ1[|xi-xob|+|yi-yob|]；
δ2＝ξ2|xb-xi|；
δ3＝ξ3|xa-xi|；
其中，δ1为第一约束在势函数中的权重，ξ1、ξ2、ξ3为曼哈顿距离修正系数，(xi，yi)为待算网格的坐标，(xob，yob)为障碍车的中心坐标，δ2为第二约束在势函数中的权重，xb为车道远离目标车道一边边界x轴坐标，δ3为第三约束在势函数中的权重，xa为目标车道远离原车道一边边界x轴坐标，δ4为第四约束在势函数中的权重。
步骤S206，搜索所述始点到所述终点之间不同权重要求对应的最优解。
在本发明实施例中，从始点到终点之间有多条路径可以实现，每条路径都有其优缺点，例如，用户可以是舒适性要求、时间要求、节省能耗要求等不同性能需求要求，不同性能需求要求下路径对应的权重也不同，不同权重要求对应的最优解指不同性能需求对应的最优路径，例如，舒适性要求对应一个最优解，时间要求对应一个最优解，节省能耗要求对应一个最优解。
在本发明实施例中，对搜索始点到所述终点之间不同权重要求对应最优解的具体方法不做限制，例如可以利用A*算法搜索始点到终点之间不同权重要求对应的最优解。本实施例以利用A*算法搜索始点到终点之间不同权重要求对应的最优解为例说明，需要先获取不同权重要求对应势函数：
Figure BDA0003025977750000061
其中，λ1为第一种约束的分配常量，λ2为第二种约束的分配常量，λ3为第三种约束的分配常量，λ4为第四种约束的分配常量，τ为对第四种约束权重控制系数；从而可以得到τ种权重要求对应的势函数，或者说是τ种初始势场地图，将其输入到A*算法中，A*算法会根据不同权重要求对应的势函数形成的每个单元格的势场搜索路径，得到τ*i个路径，从而搜索出不同权重要求对应路径的最优解。
步骤S208，对不同权重要求对应的最优解进行平滑处理，获得不同权重要求对应的换道轨迹。
在本发明实施例中，对于对不同权重要求对应的最优解进行平滑处理的具体方法不做限制，通过对不同权重要求对应的最优解路径进行平滑处理可以有效去除换道路径中的较为尖锐的拐角。例如，对于不同权重要要求对应路径的最优解可以先运用D-P算法撇除路径中杂点，然后在利用b样条对不同权重要求对应的最优解进行平滑处理。
步骤S210，在不同权重要求对应的换道轨迹选择最优换道轨迹。
在本发明实施例中，不同的权重要求均对应得到一个最优的路径，但是用户从原车道换到目标车道，最终只能选择一条最优的换道轨迹来作为最终的换道轨迹，本实施例对在不同权重要求对应的换道轨迹中选择最优换道轨迹的具体方法不做限制，例如可以定义一个成本函数，利用成本函数来评价每条换道轨迹做需要耗费的成本，最后选取成本最低的换道轨迹作为最优换道轨迹。例如,成本函数可以由动力学约束、是否偏离道路中心、曲率与侧向加速度是否低于阈值构成，但不限于此。
本发明实施例提供的一种车辆换道轨迹规划方法，通过利用势函数对网格换道地图中的所有网格进行权重分配，然后在搜索始点到终点之间不同权重要求对应的最优解路径，最后再在不同权重要求对应的换道轨迹中选择一条最优的换道轨迹作为最终的车辆换道轨迹，相比于现有技术能够针对不同要求分别搜索对应的最优路径，最终再在不同要求对应的最终路径中选择一条，能够较大程度地满足用户需求。
如图4所示，在一个实施例中，提供了一种车辆换道轨迹规划装置，该车辆换道轨迹规划装置可以集成于上述的计算机设备120中，具体可以包括始终点确定模块510、权重分配模块520、搜索模块530、平滑处理模块540、选择模块550。
始终点确定模块510，用于确定网格换道地图上待规划路径的始点和终点，所述网格换道地图为网格化的体现换道工况的局部地图，且所述网格换道地图以道路边界为地图边界；
权重分配模块520，用于利用势函数对所述网格换道地图中的所有网格进行权重分配；
搜索模块530，用于搜索所述始点到所述终点之间不同权重要求对应的最优解；
平滑处理模块540，用于对不同权重要求对应的最优解进行平滑处理，获得不同权重要求对应的换道轨迹；
选择模块550，用于在不同权重要求对应的换道轨迹选择最优换道轨迹。
在本发明实施例提供的一种车辆换道轨迹规划方法，所包含的始终点确定模块510、权重分配模块520、搜索模块530、平滑处理模块540以及选择模块550的功能实现于上文的车辆换道轨迹规划方法中的步骤S202、步骤S204、步骤S206、步骤S208以及步骤S210一一对应，对于该车辆换道轨迹规划方法中的具体解释以及相关细化、优化的内容参见上文车辆换道轨迹规划方法中的具实施例，此处不再赘述。
图5示出了一个实施例中计算机设备的内部结构图。该计算机设备具体可以是图1中的计算机设备120。如图5所示，该计算机设备包括该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、输入装置和显示屏。其中，存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该计算机设备的非易失性存储介质存储有操作系统，还可存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器实现车辆换道轨迹规划方法。该内存储器中也可储存有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器执行车辆换道轨迹规划方法。计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图5中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，本申请提供的车辆换道轨迹规划装置可以实现为一种计算机程序的形式，计算机程序可在如图5所示的计算机设备上运行。计算机设备的存储器中可存储组成该车辆换道轨迹规划装置的各个程序模块，比如，图4所示的始终点确定模块510、权重分配模块520、搜索模块530、平滑处理模块540和选择模块550。各个程序模块构成的计算机程序使得处理器执行本说明书中描述的本申请各个实施例的车辆换道轨迹规划方法中的步骤。
例如，图5所示的计算机设备可以通过如图4所示的车辆换道轨迹规划装置中的始终点确定模块510执行步骤S202。计算机设备可通过权重分配模块520执行步骤S204。计算机设备可通过搜索模块530执行步骤S206。计算机设备可通过平滑处理模块540执行步骤S208。计算机设备可通过选择模块550执行步骤S210。
在一个实施例中，提出了一种车辆换道轨迹规划设备，所述车辆换道轨迹规划设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
步骤S202，确定网格换道地图上待规划路径的始点和终点，所述网格换道地图为网格化的体现换道工况的局部地图，且所述网格换道地图以道路边界为地图边界；
步骤S204，利用势函数对所述网格换道地图中的所有网格进行权重分配；
步骤S206，搜索所述始点到所述终点之间不同权重要求对应的最优解；
步骤S208，对不同权重要求对应的最优解进行平滑处理，获得不同权重要求对应的换道轨迹；
步骤S210，在不同权重要求对应的换道轨迹选择最优换道轨迹。
在一个实施例中，提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行以下步骤：步骤S202，确定网格换道地图上待规划路径的始点和终点，所述网格换道地图为网格化的体现换道工况的局部地图，且所述网格换道地图以道路边界为地图边界；
步骤S204，利用势函数对所述网格换道地图中的所有网格进行权重分配；
步骤S206，搜索所述始点到所述终点之间不同权重要求对应的最优解；
步骤S208，对不同权重要求对应的最优解进行平滑处理，获得不同权重要求对应的换道轨迹；
步骤S210，在不同权重要求对应的换道轨迹选择最优换道轨迹。
在本发明的一个实施例中，还提供了一种车辆，所述车辆包括上述的一种车辆换道轨迹规划设备。
在本发明实施例中，车辆换道轨迹规划设备用于为车辆规划换道路线，并输出最优换道轨迹。车辆还包括控制装置，控制装置与车辆换道轨迹规划设备连接，控制装置用于控制车辆按最优换道轨迹行驶。
应该理解的是，虽然本发明各实施例的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，各实施例中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种车辆换道轨迹规划方法，其特征在于，所述车辆换道轨迹规划方法包括：
确定网格换道地图上待规划路径的始点和终点，所述网格换道地图为网格化的体现换道工况的局部地图，且所述网格换道地图以道路边界为地图边界；
利用势函数对所述网格换道地图中的所有网格进行权重分配；
搜索所述始点到所述终点之间不同权重要求对应的最优解；
对不同权重要求对应的最优解进行平滑处理，获得不同权重要求对应的换道轨迹；
在不同权重要求对应的换道轨迹选择最优换道轨迹；
所述势函数包括第一约束、第二约束、第三约束以及第四约束，所述第一约束为所述网格换道地图中网格与障碍车的距离，所述第二约束为所述网格换道地图中网格与原车道远离目标车道一边边界的距离，所述第三约束为所述网格换道地图中网格与目标车道远离原车道一边边界的距离，第四约束为圆弧换道轨迹；
所述势函数为：
δ＝δ1+δ2+δ3+δ4；
δ1＝ξ1[|xi-xob|+|yi-yob|]；
δ2＝ξ2|xb-xi|；
δ3＝ξ3|xa-xi|；
其中，δ1为第一约束在势函数中的权重，ξ1、ξ2、ξ3为曼哈顿距离修正系数，(xi，yi)为待算网格的坐标，(xob，yob)为障碍车的中心坐标，δ2为第二约束在势函数中的权重，xb为车道远离目标车道一边边界x轴坐标，δ3为第三约束在势函数中的权重，xa为目标车道远离原车道一边边界x轴坐标，δ4为第四约束在势函数中的权重。
2.根据权利要求1所述的一种车辆换道轨迹规划方法，其特征在于，确定网格换道地图上待规划路径的始点和终点，包括：
在目标车道的中心线上随机撒若干点作为终点坐标，
Figure FDA0003688731280000021
其中Range为撒点范围，y为待换道车辆道路方向坐标，rmin为车辆最小转弯半径，P(i)为撒点位置，a为待换道车辆加速度，i为撒点序号。
3.根据权利要求1所述的一种车辆换道轨迹规划方法，其特征在于，利用A*算法搜索所述始点到所述终点之间不同权重要求对应的最优解；
利用A*算法搜索所述始点到所述终点之间不同权重要求对应的最优解，包括：
获取不同权重要求对应的势函数：
Figure FDA0003688731280000022
其中，λ1为第一种约束的分配常量，λ2为第二种约束的分配常量，λ3为第三种约束的分配常量，λ4为第四种约束的分配常量，τ为对第四种约束权重控制系数；
利用A*算法根据不同权重要求对应势函数中各约束的权重确定所述始点到所述终点之间不同权重要求对应的最优解。
4.根据权利要求1所述的一种车辆换道轨迹规划方法，其特征在于，利用成本函数在不同权重要求对应的换道轨迹选择最优换道轨迹。
5.根据权利要求1所述的一种车辆换道轨迹规划方法，其特征在于，所述车辆换道轨迹规划方法还包括获取网格换道地图，
获取网格换道地图，包括：
获取换道地图；
利用网格划分状态函数网格化所述换道地图，得到网格换道地图；
所述网格划分状态函数为：
Figure FDA0003688731280000031
其中，W为单车道frenet坐标系下横坐标所分布网格数；μ为待换道车辆加速度修正系数；a为待换道车辆加速度；v为待换道车辆速度；L为frenet坐标系下纵坐标分布网格数；η为纵坐标网格分布函数下待换道车辆速度修正量。
6.一种车辆换道轨迹规划装置，其特征在于，应用于权利要求1-5任一所述的车辆换道轨迹规划方法，所述车辆换道轨迹规划装置，包括：
始终点确定模块，用于确定网格换道地图上待规划路径的始点和终点，所述网格换道地图为网格化的体现换道工况的局部地图，且所述网格换道地图以道路边界为地图边界；
权重分配模块，用于利用势函数对所述网格换道地图中的所有网格进行权重分配；
搜索模块，用于搜索所述始点到所述终点之间不同权重要求对应的最优解；
平滑处理模块，用于对不同权重要求对应的最优解进行平滑处理，获得不同权重要求对应的换道轨迹；
选择模块，用于在不同权重要求对应的换道轨迹选择最优换道轨迹。
7.一种车辆换道轨迹规划设备，其特征在于，所述车辆换道轨迹规划设备包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1至5中任一项权利要求所述车辆换道轨迹规划方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1至5中任一项权利要求所述车辆换道轨迹规划方法的步骤。
9.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括权利要求7所述的一种车辆换道轨迹规划设备。
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