CN113788014B - 一种基于斥力场模型的特种车辆避让方法和系统 - Google Patents

一种基于斥力场模型的特种车辆避让方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于斥力场模型的特种车辆避让方法，包括，以当前车辆的行驶方向构建行驶坐标系，构建障碍边界的斥力函数；以特种车辆的行驶方向构建特种坐标系，构建特种车辆边界斥力函数；计算障碍物边界斥力函数和特种车辆边界斥力函数在行驶坐标系的两个坐标轴上的合力；基于车辆行驶方向的合力控制当前车辆的速度，基于垂直行驶方向的横向合力控制当前车辆的转向角度。本发明还提供了特种车辆避让系统。本发明的优点在于：以当前车辆位置为基点构建两个坐标系以分析当前车辆周边的障碍物以及特种车辆的斥力场函数，基于斥力的合力做出避让特种车辆的决策，在及时避让特种车辆的同时确保能够安全的躲避障碍物。

Description

一种基于斥力场模型的特种车辆避让方法和系统
技术领域
本发明涉及智能驾驶技术领域，尤其涉及一种基于斥力场模型的特种车辆避让方法和系统。
背景技术
随着自动驾驶技术的推广和发展，自动驾驶技术所需要解决的问题也越来越多，例如在车道上存在警车、消防车、救护车、工程救险车等特种车辆时，需要及时识别特种车辆并主动让行。
公开号为CN110733499A的发明专利申请公开了一种自主车辆及其控制方法，通过接受、解析特种车辆发送的信息，确定特种车辆需求信息的优先级，根据特种车辆的优先级顺序控制自动车辆避让特种车辆，然而该方法需要特种车辆与自主车辆建立通信关系，并且在避让时只考虑自主车辆与特种车辆和其他自主车辆的相对位置关系，不适用于当前的实际路况，无法在现阶段的道路上使用。
公开号为CN112060089A的发明专利申请公开了一种特种车辆的避让方法，通过获取音频信号和图像信息判断当前周围环境以及特种车辆的状态，当特种车辆满足预设条件时，获取特种车辆运动参数并据此判断特种车辆的运动趋势，再根据所述运动趋势和所述图像信息确定避让路径。以上现有技术为典型的避障方式，具体步骤为识别特种车辆、判断是否需要进行避让、选择避让路径。现有技术中关于特种车辆识别的研究已经比较完善，但是在判断是否需要避让和避让路径的规划上无法主动分析周围其他车辆状态并进行提前避障，具有一定的局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于斥力场模型进行特种车辆避让决策的方法和系统。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种基于斥力场模型的特种车辆避让方法，包括，
以当前车辆的行驶方向构建行驶坐标系，获取障碍物的边界坐标，计算避障安全距离，构建障碍边界的斥力函数；
以当前车辆为基点，以特种车辆的行驶方向构建特种坐标系，获取特种车辆的边界坐标，构建特种车辆边界斥力函数；
在需要避让特种车辆时，计算障碍物边界斥力函数和特种车辆边界斥力函数在行驶坐标系的两个坐标轴上的合力；
基于车辆行驶方向的合力控制当前车辆的速度，基于垂直行驶方向的横向合力控制当前车辆的转向角度。
本发明分别以当前车辆位置为基点构建两个坐标系以分析当前车辆周边的障碍物以及特种车辆的斥力场函数，基于斥力的合力做出避让特种车辆的决策，在及时避让特种车辆的同时确保能够安全的躲避障碍物，确保安全、高效的交通环境。
优选的，所述构建行驶坐标系的方法为，
以当前车辆的几何中心为O点，以行驶方向为Y轴，以平行于车轴方向为X轴，构建XOY平面坐标系作为行驶坐标系。
优选的，所述计算避障安全距离的方法包括
计算障碍边界Pi(xi，yi)到当前车辆的距离：
Figure BDA0003295381510000021
其中，B为当前车辆的宽度，L为当前车辆的长度，
Figure BDA0003295381510000022
满足下式，
Figure BDA0003295381510000023
引入当前车辆与障碍物的相对速度v，
v＝v0-vi
其中，v0为当前车辆的速度，vi为障碍物的速度。
障碍物的避障安全距离为，
Figure BDA0003295381510000024
其中，k1>0为安全系数。
优选的，所述障碍边界的斥力函数构建方法为，
当ρ1＝D1时开始避障，则安全避障的斥力函数的最大范围为D1，此时斥力场函数为，
Figure BDA0003295381510000025
其中，kp为斥力系数；
当
Figure BDA0003295381510000031
时，斥力场仅在X轴方向上有作用，其他情况下仅在Y轴方向有作用，因此将斥力场函数改进为，
Figure BDA0003295381510000032
记为
Figure BDA0003295381510000033
Figure BDA0003295381510000034
优选的，所述特种坐标系的构建方法为：
以当前车辆的几何中心为坐标原点O，以特种车辆的行进方向为Y′轴，以垂直Y′轴的方向为X′轴。
优选的，构建特种车辆边界qi点斥力函数的方法为，
计算qi点到坐标原点O的距离，
Figure BDA0003295381510000035
在行驶坐标系XOY中，当前车辆的四个顶点坐标分别为，
Figure BDA0003295381510000036
Figure BDA0003295381510000037
特种坐标系X′OY′由行驶坐标系XOY绕原点旋转角度θi得到，其中|θi|<π，θi>0表示沿顺时针方向旋转，θi<0表示沿逆时针方向旋转；
行驶坐标系XOY到特种坐标系X′OY′的坐标转换公式为，
Figure BDA0003295381510000038
Figure BDA0003295381510000039
将当前车辆顶点的坐标A、B、C、D转换到坐标系X′OY′中，即A(xA′,yA′)、B(xB′,yB′)、C(xC′,yC′)、D(xD′,yD′)；
当前车辆边界点到Y′轴的最大距离为，
d0＝max{|yA′|,|yB′|,|yC′|,|yD′|}
特征车辆到Y′轴的最小距离为，
dmin＝min{|y′i|}
则当前车辆需要对特种车辆做出避让的临界条件为，
dmin<d0
为保证安全裕量，将临界条件修正为，
dmin<γd0
其中，γ>1为修正系数；
特种车辆的安全避障距离D2为，
Figure BDA0003295381510000041
其中，k2>0为安全系数；
则特种车辆边界斥力模型为，
Figure BDA0003295381510000042
其中，kq为斥力系数；
仅考虑特种车辆边界点qi在X′轴方向上的斥力，则斥力函数为，
Figure BDA0003295381510000043
优选的，所述计算障碍物边界和特种车辆边界在形式坐标系的两个坐标轴上的合力的方法为，
将特种车辆边界的斥力函数分别分解在X轴和Y轴上，
Fq(i)＝Fqx(i)+Fqy(i)
其中，
Fqx(i)＝Fq(i)cosθi
Fqy(i)＝Fq(i)sinθi
则障碍物边界斥力函数和特种车辆边界斥力函数在坐标轴上的合力分别为，
Figure BDA0003295381510000044
Figure BDA0003295381510000051
优选的，控制转向角度α的方法为，
α＝k3|Fx|
其中，k3>0为常数，
当Fx在X轴的正半轴时，转向方向为X轴正方形，当Fx在X轴的负半轴时，转向方向为X轴负方向。
优选的，所述控制当前车辆速度的方法为，
当合力Fy与避让前的速度v0方向相同时，避让后的车速v′0为，
v′0＝v0+k4|Fy|t
其中，k4>0为常数，t为时间；
当合力Fy与避让前的速度v0方向相反时，避让后的车速v′0为，
v′0＝v0+k5|Fy|t
其中，k5<0为常数。
本发明还提供了一种基于斥力场模型的特种车辆避让系统，包括，
障碍物斥力函数计算模块，以当前车辆的行驶方向构建行驶坐标系，获取障碍物的边界坐标，计算避障安全距离，构建障碍边界的斥力函数；
特种车辆斥力函数计算模块，以当前车辆为基点，以特种车辆的行驶方向构建特种坐标系，获取特种车辆的边界坐标，构建特种车辆边界斥力函数；
合力计算模块，在需要避让特种车辆时，计算障碍物边界斥力函数和特种车辆边界斥力函数在行驶坐标系的两个坐标轴上的合力；
避让决策模块，基于车辆行驶方向的合力控制当前车辆的速度，基于垂直行驶方向的横向合力控制当前车辆的转向角度。
本发明提供的基于斥力场模型的特种车辆避让方法和系统的优点在于：分别以当前车辆位置为基点构建两个坐标系以分析当前车辆周边的障碍物以及特种车辆的斥力场函数，基于斥力的合力做出避让特种车辆的决策，在及时避让特种车辆的同时确保能够安全的躲避障碍物，确保安全、高效的交通环境。
附图说明
图1为本发明的实施例提供基于斥力场模型的特种车辆避让方法的流程图；
图2为本发明的实施例提供基于斥力场模型的特种车辆避让方法的障碍物边界斥力函数构建示意图；
图3为本发明的实施例提供基于斥力场模型的特种车辆避让方法的特种车辆边界斥力函数构建示意图；
图4为本发明的实施例提供基于斥力场模型的特种车辆避让方法的避让过程示意图之一；
图5为本发明的实施例提供基于斥力场模型的特种车辆避让方法的避让过程示意图之二；
图6为本发明的实施例提供基于斥力场模型的特种车辆避让系统的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供了一种基于斥力场模型的特种车辆避让方法，包括，
以当前车辆的行驶方向构建行驶坐标系，获取障碍物的边界坐标，计算避障安全距离，构建障碍边界的斥力函数；
以当前车辆为基点，以特种车辆的行驶方向构建特种坐标系，获取特种车辆的边界坐标，构建特种车辆边界斥力函数；
在需要避让特种车辆时，计算障碍物边界斥力函数和特种车辆边界斥力函数在行驶坐标系的两个坐标轴上的合力；
基于车辆行驶方向的合力控制当前车辆的速度，基于垂直行驶方向的横向合力控制当前车辆的转向角度。
本实施例分别以当前车辆位置为基点构建两个坐标系以分析当前车辆周边的障碍物以及特种车辆的斥力场函数，基于斥力的合力做出避让特种车辆的决策，在及时避让特种车辆的同时确保能够安全的躲避障碍物，确保安全、高效的交通环境。
具体的，本实施例提供的基于斥力场模型的特种车辆避让方法包括以下步骤：
S1：以当前车辆的行驶方向构建行驶坐标系，获取障碍物的边界坐标，计算避障安全距离，构建障碍边界的斥力函数；
结合图2，所述构建行驶坐标系的方法为，
以当前车辆的几何中心为O点，以行驶方向为Y轴，以平行于车轴方向为X轴，构建XOY平面坐标系作为行驶坐标系。
所述计算避障安全距离的方法包括
计算障碍边界Pi(xi，yi)到当前车辆的距离：
Figure BDA0003295381510000071
其中，B为当前车辆的宽度，L为当前车辆的长度，
Figure BDA0003295381510000072
满足下式，
Figure BDA0003295381510000073
引入当前车辆与障碍物的相对速度v，
v＝v0-vi
其中，v0为当前车辆的速度，vi为障碍物的速度。
进行避障判断时所需考虑的情况如下：
当障碍物位于当前车辆Y方向的前方且v大于零时，v越大，所需的避障安全距离就越大，
当障碍物位于当前车辆Y方向的前方且v小于零时，障碍物与当前车辆不会发生碰撞，不需要考虑避障安全距离；
当障碍物位于当前车辆Y方向的后方且v大于零时，v障碍物与当前车辆不会发生碰撞，不需要考虑避障安全距离；
当障碍物位于当前车辆Y方向的后方且v小于零时，v越大，所需的避障安全距离就越大。
基于以上分析，本实施例提供的避障安全距离计算公式为，
Figure BDA0003295381510000074
其中，k1>0为安全系数，为经验值。
所述障碍边界的斥力函数构建方法为，
当ρ1＝D1时开始避障，则安全避障的斥力函数的最大范围为D1，此时斥力场函数为，
Figure BDA0003295381510000075
其中，kp为斥力系数；
当
Figure BDA0003295381510000076
时，斥力场仅在X轴方向上有作用，其他情况下仅在Y轴方向有作用，因此将斥力场函数改进为，
Figure BDA0003295381510000081
记为
Figure BDA0003295381510000082
Figure BDA0003295381510000083
S2：以当前车辆为基点，以特种车辆的行驶方向构建特种坐标系，获取特种车辆的边界坐标，构建特种车辆边界斥力函数；
参考图3，所述特种坐标系的构建方法为：
以当前车辆的几何中心为坐标原点O，以特种车辆的行进方向为Y′轴，以垂直Y′轴的方向为X′轴。
构建特种车辆边界qi点斥力函数的方法为，
计算qi点到坐标原点O的距离，
Figure BDA0003295381510000084
在行驶坐标系XOY中，当前车辆的四个顶点坐标分别为，
Figure BDA0003295381510000085
Figure BDA0003295381510000086
特种坐标系X′OY′由行驶坐标系XOY绕原点旋转角度θi得到，其中|θi|<π，θi>0表示沿顺时针方向旋转，θi<0表示沿逆时针方向旋转；
行驶坐标系XOY到特种坐标系X′OY′的坐标转换公式为，
Figure BDA0003295381510000087
Figure BDA0003295381510000088
将当前车辆顶点的坐标A、B、C、D转换到坐标系X′OY′中，即A(xA′,yA′)、B(xB′,yB′)、C(xC′,yC′)、D(xD′,yD′)；
当前车辆边界点到Y′轴的最大距离为，
d0＝max{|yA′|,|yB′|,|yC′|,|yD′|}
特征车辆到Y′轴的最小距离为，
dmin＝min{|y′i|}
则当前车辆需要对特种车辆做出避让的临界条件为，
dmin<d0
为保证安全裕量，将临界条件修正为，
dmin<γd0
其中，γ>1为修正系数；
仿照S1中D1的确定方法，确定安全避障距离D2，
Figure BDA0003295381510000091
其中，k2>0为安全系数，为经验值。
则特种车辆边界斥力模型为，
Figure BDA0003295381510000092
其中，kq为斥力系数；
仅考虑特种车辆边界点qi在X′轴方向上的斥力，则斥力函数为，
Figure BDA0003295381510000093
S3：在需要避让特种车辆时，计算障碍物边界斥力函数和特种车辆边界斥力函数在行驶坐标系的两个坐标轴上的合力；
首先将特种车辆边界的斥力函数Fq(i)分别分解在X轴和Y轴上，
Fq(i)＝Fqx(i)+Fqy(i)
其中，
Fqx(i)＝Fq(i)cosθi
Fqy(i)＝Fq(i)sinθi
则障碍物边界斥力函数和特种车辆边界斥力函数在坐标轴上的合力分别为，
Figure BDA0003295381510000094
Figure BDA0003295381510000101
S4：基于车辆行驶方向的合力控制当前车辆的速度，基于垂直行驶方向的横向合力控制当前车辆的转向角度；
具体的，控制转向角度α的方法为，
α＝k3|Fx|
其中，k3>0为常数，
当Fx在X轴的正半轴时，转向方向为X轴正方形，当Fx在X轴的负半轴时，转向方向为X轴负方向；
所述控制当前车辆速度的方法为，
当合力Fy与避让前的速度v0方向相同时，避让后的车速v′0为，
v′0＝v0+k4|Fy|t
其中，k4>0为常数，t为时间；
当合力Fy与避让前的速度v0方向相反时，避让后的车速v′0为，
v′0＝v0+k5|Fy|t
其中，k5<0为常数。
图4和图5显示了车辆避让特种车辆的过程，为了与行车轨迹相适应，图4和图5的读图顺序为从下向上。
进一步的，参考图6，本实施例还提供了一种基于斥力场模型的特种车辆避让系统，包括，
障碍物斥力函数计算模块，以当前车辆的行驶方向构建行驶坐标系，获取障碍物的边界坐标，计算避障安全距离，构建障碍边界的斥力函数；
特种车辆斥力函数计算模块，以当前车辆为基点，以特种车辆的行驶方向构建特种坐标系，获取特种车辆的边界坐标，构建特种车辆边界斥力函数；
合力计算模块，在需要避让特种车辆时，计算障碍物边界斥力函数和特种车辆边界斥力函数在行驶坐标系的两个坐标轴上的合力；
避让决策模块，基于车辆行驶方向的合力控制当前车辆的速度，基于垂直行驶方向的横向合力控制当前车辆的转向角度。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于斥力场模型的特种车辆避让方法，其特征在于：包括，
以当前车辆的行驶方向构建行驶坐标系，获取障碍物的边界坐标，计算避障安全距离，构建障碍边界的斥力函数；
所述构建行驶坐标系的方法为，
以当前车辆的几何中心为O点，以行驶方向为Y轴，以平行于车轴方向为X轴，构建XOY平面坐标系作为行驶坐标系；
所述计算避障安全距离的方法包括
计算障碍边界Pi(xi，yi)到当前车辆的距离：
Figure FDA0003959818270000011
其中，B为当前车辆的宽度，L为当前车辆的长度，
Figure FDA0003959818270000012
满足下式，
Figure FDA0003959818270000013
引入当前车辆与障碍物的相对速度v，
v＝v0-vi
其中，v0为当前车辆的速度，vi为障碍物的速度；
障碍物的避障安全距离为，
Figure FDA0003959818270000014
其中，k1>0为安全系数；
以当前车辆为基点，以特种车辆的行驶方向构建特种坐标系，获取特种车辆的边界坐标，构建特种车辆边界斥力函数；
在需要避让特种车辆时，计算障碍物边界斥力函数和特种车辆边界斥力函数在行驶坐标系的两个坐标轴上的合力；
基于车辆行驶方向的合力控制当前车辆的速度，基于垂直行驶方向的横向合力控制当前车辆的转向角度。
2.根据权利要求1所述的一种基于斥力场模型的特种车辆避让方法，其特征在于：所述障碍边界的斥力函数构建方法为，
当ρ1＝D1时开始避障，则安全避障的斥力函数的最大范围为D1，此时斥力场函数为，
Figure FDA0003959818270000015
其中，kp为斥力系数；
当
Figure FDA0003959818270000021
时，斥力场仅在X轴方向上有作用，其他情况下仅在Y轴方向有作用，因此将斥力场函数改进为，
Figure FDA0003959818270000022
记为
Figure FDA0003959818270000023
Figure FDA0003959818270000024
3.根据权利要求2所述的一种基于斥力场模型的特种车辆避让方法，其特征在于：所述特种坐标系的构建方法为：
以当前车辆的几何中心为坐标原点O，以特种车辆的行进方向为Y′轴，以垂直Y′轴的方向为X′轴。
4.根据权利要求3所述的一种基于斥力场模型的特种车辆避让方法，其特征在于：构建特种车辆边界qi点斥力函数的方法为，
计算qi点到坐标原点O的距离，
Figure FDA0003959818270000025
在行驶坐标系XOY中，当前车辆的四个顶点坐标分别为，
Figure FDA0003959818270000026
Figure FDA0003959818270000027
特种坐标系X′OY′由行驶坐标系XOY绕原点旋转角度θi得到，其中|θi|<π，θi>0表示沿顺时针方向旋转，θi<0表示沿逆时针方向旋转；
行驶坐标系XOY到特种坐标系X′OY′的坐标转换公式为，
Figure FDA0003959818270000028
Figure FDA0003959818270000029
将当前车辆顶点的坐标A、B、C、D转换到坐标系X′OY′中，即A(xA′,yA′)、B(xB′,yB′)、C(xC′,yC′)、D(xD′,yD′)；
当前车辆边界点到Y′轴的最大距离为，
d0＝max{|yA′|,|yB′|,|yC′|,|yD′|}
特征车辆到Y′轴的最小距离为，
dmin＝min{|y′i|}
则当前车辆需要对特种车辆做出避让的临界条件为，
dmin<d0
为保证安全裕量，将临界条件修正为，
dmin<γd0
其中，γ>1为修正系数；
特种车辆的安全避障距离D2为，
Figure FDA0003959818270000031
其中，k2>0为安全系数；
则特种车辆边界斥力模型为，
Figure FDA0003959818270000032
其中，kq为斥力系数；
仅考虑特种车辆边界点qi在X′轴方向上的斥力，则斥力函数为，
Figure FDA0003959818270000033
5.根据权利要求4所述的一种基于斥力场模型的特种车辆避让方法，其特征在于：所述计算障碍物边界和特种车辆边界在形式坐标系的两个坐标轴上的合力的方法为，
将特种车辆边界的斥力函数分别分解在X轴和Y轴上，
Fq(i)＝Fqx(i)+Fqy(i)
其中，
Fqx(i)＝Fq(i)cosθi
Fqy(i)＝Fq(i)sinθi
则障碍物边界斥力函数和特种车辆边界斥力函数在坐标轴上的合力分别为，
Figure FDA0003959818270000034
Figure FDA0003959818270000041
6.根据权利要求5所述的一种基于斥力场模型的特种车辆避让方法，其特征在于：控制转向角度α的方法为，
α＝k3|Fx|
其中，k3>0为常数，
当Fx在X轴的正半轴时，转向方向为X轴正方形，当Fx在X轴的负半轴时，转向方向为X轴负方向。
7.根据权利要求6所述的一种基于斥力场模型的特种车辆避让方法，其特征在于：所述控制当前车辆速度的方法为，
当合力Fy与避让前的速度v0方向相同时，避让后的车速v′0为，
v′0＝v0+k4|Fy|t
其中，k4>0为常数，t为时间；
当合力Fy与避让前的速度v0方向相反时，避让后的车速v′0为，
v′0＝v0+k5|Fy|t
其中，k5<0为常数。
8.一种基于斥力场模型的特种车辆避让系统，其特征在于：包括，
障碍物斥力函数计算模块，以当前车辆的行驶方向构建行驶坐标系，获取障碍物的边界坐标，计算避障安全距离，构建障碍边界的斥力函数；
所述构建行驶坐标系的方法为，
以当前车辆的几何中心为O点，以行驶方向为Y轴，以平行于车轴方向为X轴，构建XOY平面坐标系作为行驶坐标系；
所述计算避障安全距离的方法包括
计算障碍边界Pi(xi，yi)到当前车辆的距离：
Figure FDA0003959818270000042
其中，B为当前车辆的宽度，L为当前车辆的长度，
Figure FDA0003959818270000043
满足下式，
Figure FDA0003959818270000044
引入当前车辆与障碍物的相对速度v，
v＝v0-vi
其中，v0为当前车辆的速度，vi为障碍物的速度；
障碍物的避障安全距离为，
Figure FDA0003959818270000051
其中，k1>0为安全系数；
特种车辆斥力函数计算模块，以当前车辆为基点，以特种车辆的行驶方向构建特种坐标系，获取特种车辆的边界坐标，构建特种车辆边界斥力函数；
合力计算模块，在需要避让特种车辆时，计算障碍物边界斥力函数和特种车辆边界斥力函数在行驶坐标系的两个坐标轴上的合力；
避让决策模块，基于车辆行驶方向的合力控制当前车辆的速度，基于垂直行驶方向的横向合力控制当前车辆的转向角度。
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