CN114184201B - 一种用于路口的转向路径生成方法、系统及车辆 - Google Patents

一种用于路口的转向路径生成方法、系统及车辆 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于路口的转向路径生成方法、系统及车辆，属于智能车辆路径规划技术领域。本发明基于构建的进路口参考线簇、出路口参考线簇构建大量的转向路径，同时构建过程中利用与相交两条参考线均相切的圆弧进行直线路径(直线路径也即参考线上远离两端交点的中间部分)间的过渡，即转向路径由直线路径和与之相切的圆弧路径构成，能够实现构建大量适应左转、右转的转向路径，且能够同时路径满足车辆的跟踪特性。

Description

一种用于路口的转向路径生成方法、系统及车辆
技术领域
本发明涉及一种用于路口的转向路径生成方法、系统及车辆，属于智能车辆路径规划技术领域。
背景技术
对于智能车辆的自动行驶或辅助驾驶技术来说，路径的生成和规划是重要的基础，面对行驶路线，车辆只有获得了足够多的行驶路径才能使车辆在择路上有更多的选择，更容易避障和更加灵活，才能够应付行驶中的突发情况。
公布号为CN105651295A的中国专利文件，公开了一种基于Bezier曲线构建交叉路口驶入驶出车道Link的连接曲线算法。该方法明利用Bezier曲线的特性，生成了同时与驶入驶出车道Link相切的曲率连续轨迹。通过获得的驶入车道和驶出车道Link信息获得车辆的行驶轨迹变化角度，进而确定车辆行驶轨迹模式，例如直行、转向、掉头等，不同的模式设置不同的Bezier阶次和控制点个数，分情况生成路口轨迹。
该方法用于转向时基于转向起点和终点生成2次曲线作为车辆行驶路径，不符合车辆跟踪特性，难以保证车辆能够完全沿生成的曲线行驶，且无法获得大量的可行轨迹以用于进一步的车辆行驶轨迹的优选。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于路口的转向路径生成方法、系统及车辆，用以解决现有技术面对车辆在路口转弯的场景时难以获得大量符合车辆跟踪特性的行驶路径的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
本发明的一种用于路口的转向路径生成方法，包括如下步骤：
1)根据在路口的转向方向，确定车辆进入路口的转向起点和离开路口的转向终点；
2)以所述转向起点为起点，形成若干条进路口参考线；以所述转向终点为起点，形成若干条出路口参考线；所述进路口参考线与出路口参考线根据路口车道宽度、车身尺寸及车辆转弯能力确定；
3)任选一条进路口参考线和一条出路口参考线，进路口参考线和出路口参考线相交于参考交点，得到进路口参考线段和出路口参考线段；进路口参考线段和出路口参考线段为以对应参考线的起点为起点，以参考交点为终点的线段；
4)根据进路口参考线段和出路口参考线段确定最大转向半径；根据所述最大转向半径和车辆最小转向半径得到若干个转向半径值形成对应的转向半径簇，根据转向半径值所得到圆能够与进路口参考线段和出路口参考线段均相切；
5)从转向半径簇中任意选出至少一个转向半径值，根据得到该转向半径簇的进路口参考线段和出路口参考线段以及选出的转向半径值、得到若干圆弧路径，圆弧路径配合得到该转向半径簇的进路口参考线段和出路口参考线段，得到一条连续的转向路径。
进一步的，所述转向起点为进路口车道停车线与该车道的车道中心线的交点。
进一步的，所述转向终点为出路口车道停车线与该车道的车道中心线的交点。
进一步的，所述转向路径包括同时相切于进路口车道的车道中心线和进路口参考线段的圆弧路径、同时相切于进路口参考线段和出路口参考线段的圆弧路径、同时相切于出路口参考线段和出路口车道的车道中心线的圆弧路径，以及进路口参考线段上两切点之间的直线段、出路口参考线段上两切点之间的直线段。
本发明的一种路径规划系统，包括控制器和存储器，所述控制器用于执行储存在存储器中的指令，以实现如上所述的用于路口的转向路径生成方法。
一种车辆，所述车辆包括如上所述的路径规划系统。
本发明的方法适应性较强，能够满足各种形状的路口的左转、右转的路径规划，可以应用于T型路口、十字路口、多岔路口等，能够快速生成大量的转向路径，便于车辆进一步的筛选和择优，增加了智能驾驶车辆在转向时的灵活性。且本发明算法结构简单，生成的路径曲率连续，通过直线、圆弧等二阶可导的线型生成路径，便于加入车辆动力学约束，符合车辆的跟踪特性。
附图说明
图1是本发明用于路口的转向路径生成方法流程图；
图2是本发明转向路径生成参考线示意图；
图3是路口转向区域示意图；
图4是本发明最大转向半径Rmax求解示意图；
图5(a)是本发明路口转向路径生成示意图；
图5(b)是根据本发明的方法生成的一条转向路径的示意图；
图6是本发明的路径规划系统结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
方法实施例：
如图1所示的本发明的一种路口场景下的转向路径生成方法。包括如下步骤：
T1)根据上层任务，获取路口转向类型标识，判断车辆在该路口的转向方向(左转、右转)；
T2)获得本次路径生成的起点位置S(转向起点)和终点位置G(转向终点)一般来说，转向起点位于驶离车道、进入路口区域范围的区域(或者说路口区域边界上)；转向终点位于驶离路口区域范围、进入完成转向后的车道的区域(或者说路口区域边界上)。
具体可以是，起点为车辆转向前所在车道的车道中心线与车道停车线(用于停车等待红绿灯的停车线)的交点，终点为转向结束后将进入的目标车道的车道中心线与路口区域边界线的交点。作为其他实施例，起点位置和终点位置也可以前后左右微调，可以是其他便于被识别的点，但应至少满足：根据路口宽度、车辆尺寸和车辆转弯半径，从该点开始转向或转向到达该点时，车辆不压道路边界线或道路分向线(双黄线)。
具体路口区域为路口各个方向上，行车方向朝向路口的车道的停车线所在直线所围成的封闭区域，围成封闭区域的线构成路口区域边界线。
路口区域边界线、车道边界线、道路分向线、车道中心线及车道停车线等可以通过车辆前向视觉摄像头采集的图像经处理后获得，或者依赖车辆上的GPS和高精度地图数据获得。
T3)以起点位置S为起点，在驶入车道(驶入路口前所在车道)的车道中心线的延长线左右两侧[αs,αe]角度范围内的扇形区域内均匀或非均匀的分布若干条进路口参考线，形成参考线簇L1(进入路口参考线簇)；以终点位置G为起点，在目标车道(驶出路口后所进入的车道)的车道中心线的延长线左右两侧[βs,βe]角度范围内的扇形区域内均匀或非均匀的分布若干条出路口参考线，形成参考线簇L2(离开路口参考线簇)；参考线簇L1中的任意一条参考线和参考线簇L2中的任意一条参考线均应相交。
T4)从参考线簇L1选出一条进路口参考线，从参考线簇L2选出一条出路口参考线；两条参考线上，从起点位置S到参考线交点的进路口参考线段和从参考线交点到终点位置G的出路口参考线段构成转向路径生成基础；根据进路口参考线段和出路口参考线段以及车辆最小转弯半径等约束条件，计算转向半径R的范围[Rmin,Rmax]，并以等间隔或者不等间隔方式插值，形成R簇；根据转向半径获得的圆与进路口参考线段和出路口参考线段都相切。
T5)R簇中的转向半径所得到的所有圆弧路线与得出该R簇的进路口参考线段和出路口参考线段进行组合，利用圆弧与相交的两条直线两两相切的关系(圆弧代替交点作为两条直线间的过渡连接)，将驶入车道的车道中心线、进路口参考线段、出路口参考线段、目标车道的车道中心线依次连接得到转向路径；针对一组进路口参考线段、出路口参考线段和R簇，即可得到一定数量的路口转向路径。
T6)重复步骤T4和T5，参考线簇L1和参考线簇L2中的参考线对应两两组合并对应生成与参考线组合一一对应的R簇，遍历所有参考线组合后即可生成大量的路口转向路径簇，最后由路径选优模块选出最优路径。
本发明的核心构思在于，基于构建的进路口参考线簇、出路口参考线簇构建大量的转向路径，同时构建过程中利用与相交两条参考线均相切的圆弧进行直线路径(直线路径也即参考线上远离两端交点的中间部分)间的过渡，即转向路径由直线路径和与之相切的圆弧路径构成，构建的大量转向路径同时能够满足车辆的跟踪特性。
因此本发明构建出的全部转向路径不一定必须满足该路口的实际情况，获得大量转向路径后还可以进行进一步的过滤和选择，关于针对转向路径的进一步过滤和优选，并不是本发明所关注的。
本发明的转向路径生成方法的核心步骤为T3、T4、T5，下面提供一种具体的实例进行解释说明。
(1)T3参考线簇L1、L2的生成：
以在路口左转为例，路口参考线包括两个参考线簇L1、L2，如图2所示：
进路口参考线簇L1：α为参考线与驶入车道的车道中心线延长线的夹角，依据转向标识、路口车道宽度、车辆转弯能力等，设定偏转角度α的取值范围[αs,αe]；驶入车道的车道中心线延长线围绕起点位置S，向左右两侧分别每偏转设定角度即生成一条进路口参考线，直到向左偏转的角度大于αs、向右偏转的角度大于αe为止，形成参考线簇L1；角度偏转边界[αs,αe]的取值以能够覆盖路口大部分左转区域为准，具体可以根据经验或驾驶试验所采集的数据进行提取。
出路口参考线簇L2：β为参考线与目标车道的车道中心线延长线的夹角，依据转向标识、路口车道宽度、车辆转弯能力等，设定偏转角度β的取值范围[βs,βe]；目标车道的车道中心线延长线围绕终点位置G，向左右两侧分别每偏转设定角度即生成一条出路口参考线，直到向左偏转的角度大于βs、向右偏转的角度大于βe为止，形成参考线簇L2；角度偏转边界[βs,βe]的取值以能够覆盖路口大部分左转区域为准，具体可以根据经验或驾驶实验所采集的数据进行提取。
一种实施案例如图3所示，路口转向区域的设定标准基于经验人为设定，图中左转区域由顶点为A、B、C、D、E的封闭边界线围成，其中A点是目标车道所在的路口区域边界线上3/4位置上的点，B点是目标车道停车线与道路分向线的交点，C点是驶入车道停车线与道路分向线的交点，D点是驶入车道停车线上3/4位置上的点，E是经过过D、A点，且方向分别与驶入车道和目标车道的车道线平行的直线的交点。根据长期的数据采集和分析，可以对上述条件进行调整，使得不同形状的路口中，设定比例以上的转向路线均发生在基于以上条件获得的区域中。得到路口转向区域后，通过设定偏转角度，使得参考线簇L1、L2中的参考线都能覆盖设定比例的路口转向区域。
(2)T4求解Rmax及R簇生成：
如图4所示，参考线簇L1中选出的一条进路口参考线l1与参考线簇L2中选出的一条出路口参考线L2相交于点P，夹角为2δ，GP即为出路口参考线段，SP即为进路口参考线段。以线段GP、线段SP中长度较小的线段为基准(本例中以PG为基准)，在PS(较长线段)上从交点P开始截取长度等于PG的线段PG’，以G和G’为垂足，分别作出垂直与线段GP和线段SP的垂线，两条垂线相交于点O，直线OP将参考线l1和参考线l2的夹角平分，因此∠GPO为δ。以点O为圆心，OG长度为半径作圆，所得的圆分别与线段PG、PS相切于点G、G’，该圆为能够同时与线段PG、PS同时相切的最大的圆，若圆的半径大于OG长度，则该圆与l1、l2同时相切时，在l2的切点将落在线段GP之外，因此OG长度即为最大转向半径也即R簇上限Rmax，Rmax＝OG＝PG×tanδ。R簇下限Rmin为车辆的最小转弯半径，由此得到R簇范围[Rmin,Rmax]。
在[Rmin,Rmax]范围内，以等间隔或者不等间隔方式插值，得到R簇。
(3)T5路口转向路径生成：
下面以其中一条路径的生成为例，进行详细的介绍，具体过程如图5(a)所示。
①从参考线簇L1、L2中选出参考线l1、l2，l1、l2对应生成R簇，从R簇中选择一个转向半径值r，获得组合[l1,l2,r]；
②半径为r的圆，分别与驶入车道的车道中心线1、l1相切于B、C点，与l1、l2相切于D、E点，与l2、目标车道的车道中心线2相切于F、g点；
③保留B-C点间半径为r的圆的圆弧B-C、D-E点间半径为r的圆的圆弧D-E、F-g点间半径为r的圆的圆弧F-g；
④依次连接直线段A-B、圆弧B-C、直线段C-D、圆弧D-E、直线段E-F、圆弧F-g、直线段g-H，形成一条光滑的转向路径，如图5(b)所示；
本实例中，各车道中心线及参考线互相之间的圆弧路径均采用了从R簇中选择的相同转向半径r，作为其他实施例，也可以在同一转向路径中最多采用3个从R簇中选出的不同的转向半径对应的圆弧路径。
参考线l1、l2对应的R簇中的不同转向半径所形成的转向路径生成完毕后，替换不同参考线组合及对应的R簇继续生成新的转向路径。参考线簇L1、L2中的参考线数量以及对应R簇中插值形成的转向半径的数量直接影响本发明转向路径的生成数量，为了获取更多的转向路径的数量，则可以增加参考线簇中参考线数量和R簇中插值的数量，为了加快路径生成速度，则可以减少参考线簇中参考线数量和R簇中插值的数量。
本实施例中给出了一个标准十字路口的一条左转转向路径的生成实例，更换不同的转向半径值或参考线采用相同的过程即可得到更多的转向路径，同理本发明的方法也可用于右转转向路径的生成，或者其他例如非垂直的两条路形成的十字路口、T型路口、多岔路口的转向路径生成，只需确定进入对应路口的转向起点位置和离开对应路口区域的转向终点位置，并按照本发明的方法步骤生成参考线即可，过程与上述标准十字路口左转转向路径生成的过程相同，不再具体赘述。
系统实施例：
本实施案例提供了一种路径规划系统，如图6所示，包括存储器、处理器和内部总线，处理器、存储器之间通过内部总线完成相互间的通信。
处理器可以为微处理器MCU、可编程逻辑器件FPGA等处理装置。
存储器可为利用电能方式存储信息的各式存储器，RAM、ROM等；利用磁能方式存储信息的各式存储器，例如硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、U盘等；利用光学方式存储信息的各式存储器，例如CD、DVD等。当然，还有其他方式的存储器，例如量子存储器、石墨烯存储器等。
处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以实现一种用于路口的转向路径生成方法。该方法在方法实施例中做了详细介绍，此处不再赘述。
车辆实施例：
本实施例提供一种车辆，该车辆包括传感器和路径规划系统，该车辆可以通过传感器识别感知道路标线等周围环境信息，并基于该信息利用路径规划系统进行路径规划。该车辆装备的路径规划系统已在系统实施例中进行了介绍，此处不再赘述。

Claims (5)

1.一种用于路口的转向路径生成方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据在路口的转向方向，确定车辆进入路口的转向起点和离开路口的转向终点；
2)以所述转向起点为起点，形成若干条进路口参考线；以所述转向终点为起点，形成若干条出路口参考线；所述进路口参考线与出路口参考线根据路口车道宽度、车身尺寸及车辆转弯能力确定；
3)任选一条进路口参考线和一条出路口参考线，进路口参考线和出路口参考线相交于参考交点，得到进路口参考线段和出路口参考线段；进路口参考线段和出路口参考线段为以对应参考线的起点为起点，以参考交点为终点的线段；
4)根据进路口参考线段和出路口参考线段确定最大转向半径；根据所述最大转向半径和车辆最小转向半径得到若干个转向半径值形成对应的转向半径簇，根据转向半径值所得到圆能够与进路口参考线段和出路口参考线段均相切；
5)从转向半径簇中任意选出至少一个转向半径值，根据得到该转向半径簇的进路口参考线段和出路口参考线段以及选出的转向半径值、得到若干圆弧路径，圆弧路径配合得到该转向半径簇的进路口参考线段和出路口参考线段，得到一条连续的转向路径；所述转向路径包括同时相切于进路口车道的车道中心线和进路口参考线段的圆弧路径、同时相切于进路口参考线段和出路口参考线段的圆弧路径、同时相切于出路口参考线段和出路口车道的车道中心线的圆弧路径，以及进路口参考线段上两切点之间的直线段、出路口参考线段上两切点之间的直线段。
2.根据权利要求1所述的用于路口的转向路径生成方法，其特征在于，所述转向起点为进路口车道停车线与该车道的车道中心线的交点。
3.根据权利要求2所述的用于路口的转向路径生成方法，其特征在于，所述转向终点为出路口车道停车线与该车道的车道中心线的交点。
4.一种路径规划系统，其特征在于，包括控制器和存储器，所述控制器用于执行储存在存储器中的指令，以实现如权利要求1～3任一项所述的用于路口的转向路径生成方法。
5.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括如权利要求4所述的路径规划系统。
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