CN115079695A - 路径规划方法、装置及计算机可读存储介质 - Google Patents

路径规划方法、装置及计算机可读存储介质 Download PDF

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CN115079695A CN202210668121.8A CN202210668121A CN115079695A CN 115079695 A CN115079695 A CN 115079695A CN 202210668121 A CN202210668121 A CN 202210668121A CN 115079695 A CN115079695 A CN 115079695A
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Abstract

本申请公开了一种路径规划方法、装置及计算机可读存储介质，包括：对车辆可行驶区域的边界轮廓进行提取，获得边界轮廓对应的有序离散点；以道路参考线方向和道路参考线的法线方向构建Frenet坐标系，并将有序离散点映射到Frenet坐标系中；按照预设策略对有序离散点进行分段直线拟合；在Frenet坐标系下对拟合获得的至少一分段直线段进行膨胀处理，获得由车辆轮廓矩形和分段直线段形成的Minkowski和所表示的至少一凸边形；构建Frenet坐标系下的关于路径长度代价、曲率代价的目标优化函数，以及基于凸多边形构建碰撞约束条件和连续性约束条件，求解目标优化函数，获得对应的可行驶路径。如此，能够提供安全、平滑的行驶路径，且提高了路径规划的实时性和完备性。

Description

路径规划方法、装置及计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及车辆技术领域，特别是涉及一种路径规划方法、装置及计算机可读存储介质。
背景技术
对于自动驾驶车辆，在实现车辆驾驶的过程中，需要为车辆在可行驶区域内规划出一条无碰撞的路径，以让车辆得以安全地行驶。现有的路径规划方法中，一方面是存在生成的路径无法保证车辆无碰撞发生的风险，另一方面是生成的路径不够平滑。然而，对于如何提供安全、平滑的行驶路径，本领域技术人员一直处于研究之中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种路径规划方法、装置及计算机可读存储介质，能够提供安全、平滑的行驶路径，且提高了路径规划的实时性和完备性。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种路径规划方法，包括：
对车辆可行驶区域的边界轮廓进行提取，获得所述边界轮廓对应的有序离散点；
以道路参考线方向和所述道路参考线的法线方向构建Frenet坐标系，并将所述有序离散点映射到Frenet坐标系中；
按照预设策略对所述有序离散点进行分段直线拟合；
在Frenet坐标系下对拟合获得的至少一分段直线段进行膨胀处理，获得由所述车辆轮廓矩形和所述分段直线段形成的Minkowski和所表示的至少一凸多边形；
构建Frenet坐标系下的关于路径长度代价、曲率代价的目标优化函数，以及基于所述凸多边形构建碰撞约束条件和连续性约束条件，求解所述目标优化函数，获得对应的可行驶路径。
在一实施方式中，所述对车辆可行驶区域的边界轮廓进行提取，获得所述边界轮廓对应的有序离散点，包括以下步骤：
将感知生成的车辆周围环境的栅格地图进行二值化处理，获得障碍物占据栅格；
使用轮廓跟踪算法提取所述障碍物占据栅格的外轮廓，将获得的所述外轮廓的有序离散点作为所述边界轮廓对应的有序离散点。
在一实施方式中，所述按照预设策略对所述有序离散点进行分段直线拟合，包括以下步骤：
计算当前离散点pi与当前迭代线段的末端点的距离dp；
若距离dp小于阈值dis_1，则计算当前离散点pi到当前迭代线段所在直线的距离do；
若距离do大于或等于阈值dis_2，则对当前离散点pi和当前迭代线段内的离散点所构成的离散点集合进行最小二乘拟合，并计算所述离散点集合内的离散点到拟合生成的最小二乘直线的最大距离误差dm；
若距离do小于阈值dis_2或者距离误差dm小于阈值dis_3，则将当前离散点pi到当前迭代线段所在直线的垂足更新为当前迭代线段的末端点；
若距离dp大于或等于阈值dis_1或者距离误差dm大于或等于dis_3，则将当前迭代线段存储为一分段直线段，并以当前离散点pi作为下一个迭代线段的首末端点，以及将下一个迭代线段更新为当前迭代线段；
将下一个离散点更新为当前离散点pi。
在一实施方式中，所述基于所述凸多边形构建碰撞约束条件，包括：
在Frenet坐标系下，按照纵向方向对所述凸多边形进行等距离切片；
根据纵向坐标对获得的多边形切片进行排序，并根据所述多边形切片边界获取所述多边形切片对应的横向上下可行驶边界。
第二方面，本发明实施例提供了一种路径规划装置，所述装置包括：
提取模块，用于对车辆可行驶区域的边界轮廓进行提取，获得所述边界轮廓对应的有序离散点；
第一处理模块，用于以道路参考线方向和所述道路参考线的法线方向构建Frenet坐标系，并将所述有序离散点映射到Frenet坐标系中；
拟合模块，用于按照预设策略对所述有序离散点进行分段直线拟合；
获取模块，用于在Frenet坐标系下对拟合获得的至少一分段直线段进行膨胀处理，获得由所述车辆轮廓矩形和所述分段直线段形成的Minkowski和所表示的至少一凸多边形；
第二处理模块，用于构建Frenet坐标系下的关于路径长度代价、曲率代价的目标优化函数，以及基于所述凸多边形构建碰撞约束条件和连续性约束条件，求解所述目标优化函数，获得对应的可行驶路径。
在一实施方式中，所述提取模块，具体用于：
将感知生成的车辆周围环境的栅格地图进行二值化处理，获得障碍物占据栅格；
使用轮廓跟踪算法提取所述障碍物占据栅格的外轮廓，将获得的所述外轮廓的有序离散点作为所述边界轮廓对应的有序离散点。
在一实施方式中，所述拟合模块，具体用于：
计算当前离散点pi与当前迭代线段的末端点的距离dp；
若距离dp小于阈值dis_1，则计算当前离散点pi到当前迭代线段所在直线的距离do；
若距离do大于或等于阈值dis_2，则对当前离散点pi和当前迭代线段内的离散点所构成的离散点集合进行最小二乘拟合，并计算所述离散点集合内的离散点到拟合生成的最小二乘直线的最大距离误差dm；
若距离do小于阈值dis_2或者距离误差dm小于阈值dis_3，则将当前离散点pi到当前迭代线段所在直线的垂足更新为当前迭代线段的末端点；
若距离dp大于或等于阈值dis_1或者距离误差dm大于或等于dis_3，则将当前迭代线段存储为一分段直线段，并以当前离散点pi作为下一个迭代线段的首末端点，以及将下一个迭代线段更新为当前迭代线段；
将下一个离散点更新为当前离散点pi。
在一实施方式中，所述第二处理模块，具体用于：
在Frenet坐标系下，按照纵向方向对所述凸多边形进行等距离切片；
根据纵向坐标对获得的多边形切片进行排序，并根据所述多边形切片边界获取所述多边形切片对应的横向上下可行驶边界。
第三方面，本发明实施例提供了一种路径规划装置，包括：处理器和存储有计算机程序的存储器，在所述处理器运行所述计算机程序时，实现上述所述的路径规划方法。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现第一方面所述的路径规划方法。
本发明实施例提供的路径规划方法、装置及计算机可读存储介质，包括：对车辆可行驶区域的边界轮廓进行提取，获得所述边界轮廓对应的有序离散点；以道路参考线方向和所述道路参考线的法线方向构建Frenet坐标系，并将所述有序离散点映射到Frenet坐标系中；按照预设策略对所述有序离散点进行分段直线拟合；在Frenet坐标系下对拟合获得的至少一分段直线段进行膨胀处理，获得由所述车辆轮廓矩形和所述分段直线段形成的Minkowski和所表示的至少一凸多边形；构建Frenet坐标系下的关于路径长度代价、曲率代价的目标优化函数，以及基于所述凸多边形构建碰撞约束条件和连续性约束条件，求解所述目标优化函数，获得对应的可行驶路径。如此，通过结合车辆外形轮廓确定可行驶路径，使得构建的碰撞约束更加准确，提升了路径规划的完备性；并且，通过在Frenet坐标系下对拟合线段进行膨胀，可以降低车辆旋转带来的影响，可在不提升维度的前提下最大程度地保留实际可行驶空间；此外，通过数值优化生成可行驶路径，具有更好的平滑性。即，本发明实施例提供的路径规划方法能够提供安全、平滑的行驶路径，且提高了路径规划的实时性和完备性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种路径规划方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种路径规划装置的结构示意图一；
图3为本发明实施例提供的一种路径规划方法的具体流程示意图；
图4为本发明实施例中离散点拟合的示意图；
图5为本发明实施例中Minkowski和的示意图；
图6为本发明实施例提供的一种路径规划装置的结构示意图二。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的设备和方法的例子。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素，此外，本申请不同实施例中具有同样命名的部件、特征、要素可能具有相同含义，也可能具有不同含义，其具体含义需以其在该具体实施例中的解释或者进一步结合该具体实施例中上下文进行确定。
应当理解，尽管在本文可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本文范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语"如果"可以被解释成为"在……时"或"当……时"或"响应于确定"。再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
应该理解的是，虽然本申请实施例中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，其可以以其他的顺序执行。而且，图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，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他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。
需要说明的是，在本文中，采用了诸如S101、S102等步骤代号，其目的是为了更清楚简要地表述相应内容，不构成顺序上的实质性限制，本领域技术人员在具体实施时，可能会先执行S102后执行S101等，但这些均应在本申请的保护范围之内。
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或者“单元”的后缀仅为了有利于本申请的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或者“单元”可以混合地使用。
参阅图1，为本申请实施例提供的一种路径规划方法，该方法可以适用于为车辆规划行驶路径的情况，该方法可以由本申请实施例提供的一种路径规划装置来执行，该装置可以采用软件和/或硬件的方式来实现，在具体应用中，该装置可以具体是电子设备等。所述电子设备可以以各种形式来实施，本实施例中描述的电子设备可以包括诸如手机、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)、便捷式媒体播放器(Portable Media Player，PMP)、可穿戴设备、智能手环、计步器、车机等移动终端，还可以为台式电脑等固定终端。本实施例提供的路径规划方法包括以下步骤：
步骤S101：对车辆可行驶区域的边界轮廓进行提取，获得所述边界轮廓对应的有序离散点。
其中，所述可行驶区域可以为车辆当前所在位置的行驶区域，包括但不限于道路、停车场等。通过对车辆可行驶区域的边界轮廓进行提取，可获取车辆可行驶区域的边界轮廓对应的有序离散点，所述有序离散点具有有序性，且通常有多个。
在一实施方式中，所述对车辆可行驶区域的边界轮廓进行提取，获得所述边界轮廓对应的有序离散点，包括以下步骤：
将感知生成的车辆周围环境的栅格地图进行二值化处理，获得障碍物占据栅格；
使用轮廓跟踪算法提取所述障碍物占据栅格的外轮廓，将获得的所述外轮廓的有序离散点作为所述边界轮廓对应的有序离散点。
可以理解，由车辆或设置于车辆上的传感器等感知生成的车辆周围环境的栅格地图可能为概率地图，即各栅格是否为障碍物占据栅格表示为一概率值，不便于操作处理，而通过将感知生成的车辆周围环境的栅格地图进行二值化处理，可准确确定障碍物占据栅格和非障碍物占据栅格。其中，障碍物占据栅格可以理解为栅格地图中体现障碍物所在位置的栅格，而可由栅格地图中除障碍物占据栅格之外的栅格(即非障碍物占据栅格)形成可行驶区域。所述轮廓跟踪算法可以根据实际情况需要进行设置，包括但不限于Suzuki算法等。通过使用轮廓跟踪算法提取所述障碍物占据栅格的外轮廓，可获取所述障碍物占据栅格的外轮廓的有序离散点，即车辆可行驶区域的边界轮廓对应的有序离散点。如此，通过快速提取障碍物占据栅格的外轮廓的有序离散点，方便后续行驶路径的提取，进一步提高了路径规划的实时性。
步骤S102：以道路参考线方向和所述道路参考线的法线方向构建Frenet坐标系，并将所述有序离散点映射到Frenet坐标系中。
需要说明的是，所述道路参考线可以为车辆行驶道路的中心线或分道线等，而所述道路参考线方向可以为所述中心线指示的车辆行驶方向。所述法线方向为垂直于所述道路参考线且方向朝向所述车辆的方向。在以道路参考线方向和所述道路参考线的法线方向构建Frenet坐标系后，可将所述有序离散点映射到Frenet坐标系中，从而实现对所述有序离散点的坐标转换。
步骤S103：按照预设策略对所述有序离散点进行分段直线拟合。
其中，所述预设策略可以根据实际情况需要进行设置，比如对每个离散点逐一采用最小二乘方法进行拟合等。
在一实施方式中，所述按照预设策略对所述有序离散点进行分段直线拟合，包括以下步骤：
计算当前离散点pi与当前迭代线段的末端点的距离dp；
若距离dp小于阈值dis_1，则计算当前离散点pi到当前迭代线段所在直线的距离do；
若距离do大于或等于阈值dis_2，则对当前离散点pi和当前迭代线段内的离散点所构成的离散点集合进行最小二乘拟合，并计算所述离散点集合内的离散点到拟合生成的最小二乘直线的最大距离误差dm；
若距离do小于阈值dis_2或者距离误差dm小于阈值dis_3，则将当前离散点pi到当前迭代线段所在直线的垂足更新为当前迭代线段的末端点；
若距离dp大于或等于阈值dis_1或者距离误差dm大于或等于dis_3，则将当前迭代线段存储为一分段直线段，并以当前离散点pi作为下一个迭代线段的首末端点，以及将下一个迭代线段更新为当前迭代线段；
将下一个离散点更新为当前离散点pi。
可以理解，对于所述边界轮廓对应的有序离散点中的每个离散点，可依次将各离散点作为当前离散点，并计算当前离散点pi与当前迭代线段的末端点的距离dp。需要说明的是，由于需要至少两个点才能确定一线段，对于所述有序离散点中的第一个离散点和第二个离散点，可不执行上述操作，而从所述有序离散点中的第三个离散点开始执行上述操作。对于第三个离散点，先将第三个离散点作为当前离散点pi，并计算当前离散点pi与当前迭代线段(即根据第一离散点和第二离散点拟合生成的线段)的末端点(即第二离散点到当前迭代线段所在直线的垂足，此时为第二离散点)的距离dp，若距离dp小于阈值dis_1，则计算当前离散点pi到当前迭代线段所在直线的距离do，而若距离do大于或等于阈值dis_2，则对当前离散点pi和当前迭代线段内的离散点所构成的离散点集合进行最小二乘拟合，并计算所述离散点集合内的离散点到拟合生成的最小二乘直线的最大距离误差dm，若距离do小于阈值dis_2或者距离误差dm小于阈值dis_3，说明当前离散点pi距离当前迭代线段较近，可能属于同一条直线，则将当前离散点pi到当前迭代线段所在直线的垂足更新为当前迭代线段的末端点，即将第三离散点到当前迭代线段所在直线的垂足更新为当前迭代线段的末端点，接着，将下一个离散点(即第四离散点)更新为当前离散点pi，继续上述操作；若距离dp大于或等于阈值dis_1或者距离误差dm大于或等于dis_3，说明当前离散点pi距离当前迭代线段较远，可能不属于同一条直线，则将当前迭代线段存储为一分段直线段，并以当前离散点pi(即第三离散点)作为下一个迭代线段的首末端点，以及将下一个迭代线段更新为当前迭代线段，将下一个离散点(即第四离散点)更新为当前离散点pi，并继续上述操作，以此循环，直至依序遍历完所有离散点。其中，所述阈值dis_1、阈值dis_2和阈值dis_3可以根据实际情况需要进行设置，在此不做具体限定。可以理解地，若本实施例中通过最小二乘拟合所获得的最小二乘直线可表示为y＝kx+b，则相应的距离误差dm可表示为dm＝(yi-kxi-b)×cos(arctan(k))。如此，通过最小二乘法对车辆可行驶区域的边界轮廓对应的离散点进行分段拟合，以感知精度为指导调节拟合阈值，可以简化后续路径规划时的碰撞约束，提高了路径规划的便捷性。
步骤S104：在Frenet坐标系下对拟合获得的至少一分段直线段进行膨胀处理，获得由所述车辆轮廓矩形和所述分段直线段形成的Minkowski和所表示的至少一凸多边形。
其中，在Frenet坐标系下对所述分段直线段进行膨胀处理后，剩余的空间则为车辆可安全行驶空间。所述车辆轮廓矩形是指将车辆轮廓近似看作为矩形，该矩形的长度可等于或当于车辆长度，该矩形的宽度可等于或当于车辆宽度。可以理解，在Frenet坐标系下，仅考虑车辆的平移。通过在Frenet坐标系下对所述分段直线段进行膨胀处理，可以降低车辆旋转带来的影响，可在不提升维度的前提下最大程度地保留实际可行驶空间。对所述分段直线段进行膨胀处理，可理解为计算所述车辆轮廓矩形和所述分段直线段的Minkowski和，而由所述车辆轮廓矩形和所述分段直线段形成的Minkowski和对应的扩展空间体，即为若干个凸多边形，考虑了车辆外形轮廓，使得基于所述凸多边形构建的碰撞约束更加准确。
步骤S105：构建Frenet坐标系下的关于路径长度代价、曲率代价的目标优化函数，以及基于所述凸多边形构建碰撞约束条件和连续性约束条件，求解所述目标优化函数，获得对应的可行驶路径。
下述公式为数值优化函数的通用表达方式，包含目标函数，不等式约束以及等式约束。
minimize J(x)
s.t hi(x)＝0，i＝1，...，m
gi(x)≤0，i＝1，...，p
其中，m表示等式约束个数，p表示不等式约束个数。本实施例中所述目标优化函数以及约束条件如下公式所示，其构建设计缘由在下文已有描述，其求解原理主要为ADMM算法，在此不再赘述。
J(x)＝∫(f′(x))2dx+∫(f″(x))2dx+∫(f(x)-g(x))2dx
Figure BDA0003693729230000121
Figure BDA0003693729230000122
L≤f(x)≤U
其中，对于所述目标优化函数，路径长度代价可用∑f(x)2表示，而曲率代价可用∑f′(x)2+∑f″(x)2表示。对于连续性约束条件，实际可理解为分段曲线的连续性约束条件，即当前段曲线末端点和下一曲线的起点连续，可表示为
Figure BDA0003693729230000123
i表示第i条曲线即分段直线段。对于碰撞约束条件而言，可基于所述凸多边形进行构建。在一实施方式中，所述基于所述凸多边形构建碰撞约束条件，包括：在Frenet坐标系下，按照纵向方向对所述凸多边形进行等距离切片；根据纵向坐标对获得的多边形切片进行排序，并根据所述多边形切片边界获取所述多边形切片对应的横向上下可行驶边界。可以理解，所述等距离切片对应的距离可以根据实际情况需要进行设置，在此不做具体限定。由于各多边形切片对应不同的纵向坐标，则可根据纵向坐标对获得的多边形切片进行排序，并根据排序后的各多边形切片边界获取所述多边形切片对应的横向上下可行驶边界，即路径的上下可行驶边界。本实施例中，路径的上下可行驶边界可表示为llower＜f(x)＜lupper。如此，基于车辆轮廓矩形和膨胀处理后的分段直线段形成的凸多边形进行碰撞约束构建，提高了准确性，并提升了路径规划的完备性。
这里，通过在Frenet坐标系下构建的关于路径长度代价、曲率代价的目标优化函数，以及基于所述凸多边形构建的碰撞约束条件和连续性约束条件，求解所述目标优化函数，可获得对应的可行驶路径
综上，上述实施例提供的路径规划方法中，通过结合车辆外形轮廓确定可行驶路径，使得构建的碰撞约束更加准确，提升了路径规划的完备性；并且，通过在Frenet坐标系下对拟合线段进行膨胀，可以降低车辆旋转带来的影响，可在不提升维度的前提下最大程度地保留实际可行驶空间；此外，通过数值优化生成可行驶路径，具有更好的平滑性。即，本发明实施例提供的路径规划方法能够提供安全、平滑的行驶路径，且提高了路径规划的实时性和完备性。
基于前述实施例相同的发明构思，参阅图2，为本申请实施例提供的一种路径规划装置，包括：
提取模块，用于对车辆可行驶区域的边界轮廓进行提取，获得所述边界轮廓对应的有序离散点；
第一处理模块，用于以道路参考线方向和所述道路参考线的法线方向构建Frenet坐标系，并将所述有序离散点映射到Frenet坐标系中；
拟合模块，用于按照预设策略对所述有序离散点进行分段直线拟合；
获取模块，用于在Frenet坐标系下对拟合获得的至少一分段直线段进行膨胀处理，获得由所述车辆轮廓矩形和所述分段直线段形成的Minkowski和所表示的至少一凸多边形；
第二处理模块，用于构建Frenet坐标系下的关于路径长度代价、曲率代价的目标优化函数，以及基于所述凸多边形构建碰撞约束条件和连续性约束条件，求解所述目标优化函数，获得对应的可行驶路径。
其中，所述可行驶区域可以为车辆当前所在位置的行驶区域，包括但不限于道路、停车场等。通过对车辆可行驶区域的边界轮廓进行提取，可获取车辆可行驶区域的边界轮廓对应的有序离散点，且所述有序离散点具有有序性，通常有多个。
在一实施方式中，所述提取模块，具体用于：
将感知生成的车辆周围环境的栅格地图进行二值化处理，获得障碍物占据栅格；
使用轮廓跟踪算法提取所述障碍物占据栅格的外轮廓，将获得的所述外轮廓的有序离散点作为所述边界轮廓对应的有序离散点。
可以理解，由车辆或设置于车辆上的传感器等感知生成的车辆周围环境的栅格地图可能为概率地图，即各栅格是否为障碍物占据栅格表示为一概率值，不便于操作处理，而通过将感知生成的车辆周围环境的栅格地图进行二值化处理，可准确确定障碍物占据栅格和非障碍物占据栅格。其中，障碍物占据栅格可以理解为栅格地图中体现障碍物所在位置的栅格，而可由栅格地图中除障碍物占据栅格之外的栅格(即非障碍物占据栅格)形成可行驶区域。所述轮廓跟踪算法可以根据实际情况需要进行设置，包括但不限于Suzuki算法等。通过使用轮廓跟踪算法提取所述障碍物占据栅格的外轮廓，可获取所述障碍物占据栅格的外轮廓的有序离散点，即车辆可行驶区域的边界轮廓对应的有序离散点。如此，通过快速提取障碍物占据栅格的外轮廓的有序离散点，方便后续行驶路径的提取，进一步提高了路径规划的实时性。
需要说明的是，所述道路参考线可以为车辆行驶道路的中心线，而所述道路参考线方向可以为所述中心线指示的车辆行驶方向。所述法线方向为垂直于所述道路参考线且方向朝向所述车辆的方向。在以道路参考线方向和所述道路参考线的法线方向构建Frenet坐标系后，可将所述有序离散点映射到Frenet坐标系中，从而实现对所述有序离散点的坐标转换。
其中，所述预设策略可以根据实际情况需要进行设置，比如对每个离散点逐一采用最小二乘方法进行拟合等。在一实施方式中，所述拟合模块，具体用于：
计算当前离散点pi与当前迭代线段的末端点的距离dp；
若距离dp小于阈值dis_1，则计算当前离散点pi到当前迭代线段所在直线的距离do；
若距离do大于或等于阈值dis_2，则对当前离散点pi和当前迭代线段内的离散点所构成的离散点集合进行最小二乘拟合，并计算所述离散点集合内的离散点到拟合生成的最小二乘直线的最大距离误差dm；
若距离do小于阈值dis_2或者距离误差dm小于阈值dis_3，则将当前离散点pi到当前迭代线段所在直线的垂足更新为当前迭代线段的末端点；
若距离dp大于或等于阈值dis_1或者距离误差dm大于或等于dis_3，则将当前迭代线段存储为一分段直线段，并以当前离散点pi作为下一个迭代线段的首末端点，以及将下一个迭代线段更新为当前迭代线段；
将下一个离散点更新为当前离散点pi。
可以理解，对于所述边界轮廓对应的有序离散点中的每个离散点，可依次将各离散点作为当前离散点，并计算当前离散点pi与当前迭代线段的末端点的距离dp。需要说明的是，由于需要至少两个点才能确定一线段，对于所述有序离散点中的第一个离散点和第二个离散点，可不执行上述操作，而从所述有序离散点中的第三个离散点开始执行上述操作。对于第三个离散点，先将第三个离散点作为当前离散点pi，并计算当前离散点pi与当前迭代线段(即根据第一离散点和第二离散点拟合生成的线段)的末端点(即第二离散点到当前迭代线段所在直线的垂足，此时为第二离散点)的距离dp，若距离dp小于阈值dis_1，则计算当前离散点pi到当前迭代线段所在直线的距离do，而若距离do大于或等于阈值dis_2，则对当前离散点pi和当前迭代线段内的离散点所构成的离散点集合进行最小二乘拟合，并计算所述离散点集合内的离散点到拟合生成的最小二乘直线的最大距离误差dm，若距离do小于阈值dis_2或者距离误差dm小于阈值dis_3，说明当前离散点pi距离当前迭代线段较近，可能属于同一条直线，则将当前离散点pi到当前迭代线段所在直线的垂足更新为当前迭代线段的末端点，即将第三离散点到当前迭代线段所在直线的垂足更新为当前迭代线段的末端点，接着，将下一个离散点(即第四离散点)更新为当前离散点pi，继续上述操作；若距离dp大于或等于阈值dis_1或者距离误差dm大于或等于dis_3，说明当前离散点pi距离当前迭代线段较远，可能不属于同一条直线，则将当前迭代线段存储为一分段直线段，并以当前离散点pi(即第三离散点)作为下一个迭代线段的首末端点，以及将下一个迭代线段更新为当前迭代线段，将下一个离散点(即第四离散点)更新为当前离散点pi，并继续上述操作，以此循环，直至依序遍历完所有离散点。其中，所述阈值dis_1、阈值dis_2和阈值dis_3可以根据实际情况需要进行设置，在此不做具体限定。可以理解地，若本实施例中通过最小二乘拟合所获得的最小二乘直线可表示为y＝kx+b，则相应的距离误差dm可表示为dm＝(yi-kxi-b)×cos(arctan(k))。如此，通过最小二乘法对车辆可行驶区域的边界轮廓对应的离散点进行分段拟合，以感知精度为指导调节拟合阈值，可以简化后续路径规划时的碰撞约束，提高了路径规划的便捷性。
其中，所述车辆轮廓矩形是指将车辆轮廓近似看作为矩形，该矩形的长度可等于或当于车辆长度，该矩形的宽度可等于或当于车辆宽度。可以理解，在Frenet坐标系下，仅考虑车辆的平移。通过在Frenet坐标系下对所述分段直线段进行膨胀处理，可以降低车辆旋转带来的影响，可在不提升维度的前提下最大程度地保留实际可行驶空间。对所述分段直线段进行膨胀处理，可理解为计算所述车辆轮廓矩形和所述分段直线段的Minkowski和，而由所述车辆轮廓矩形和所述分段直线段形成的Minkowski和对应的扩展空间体，即为若干个凸多边形，考虑了车辆外形轮廓，使得基于所述凸多边形构建的碰撞约束更加准确。
其中，对于所述目标优化函数，路径长度代价可用∑f(x)2表示，而曲率代价可用∑f'(x)2+∑f”(x)2表示。对于连续性约束条件，实际可理解为分段曲线的连续性约束条件，即当前段曲线末端点和下一曲线的起点连续，可表示为
Figure BDA0003693729230000171
i表示第i条曲线。对于碰撞约束条件而言，可基于所述凸多边形进行构建。
在一实施方式中，所述第二处理模块，具体用于：
在Frenet坐标系下，按照纵向方向对所述凸多边形进行等距离切片；
根据纵向坐标对获得的多边形切片进行排序，并根据所述多边形切片边界获取所述多边形切片对应的横向上下可行驶边界。
可以理解，所述等距离切片对应的距离可以根据实际情况需要进行设置，在此不做具体限定。由于各多边形切片对应不同的纵向坐标，则可根据纵向坐标对获得的多边形切片进行排序，并根据排序后的各多边形切片边界获取所述多边形切片对应的横向上下可行驶边界，即路径的上下可行驶边界。本实施例中，路径的上下可行驶边界可表示为llower<f(x)<lupper。如此，基于车辆轮廓矩形和膨胀处理后的分段直线段形成的凸多边形进行碰撞约束构建，提高了准确性，并提升了路径规划的完备性。
综上，上述实施例提供的路径规划装置中，通过结合车辆外形轮廓确定可行驶路径，使得构建的碰撞约束更加准确，提升了路径规划的完备性；并且，通过在Frenet坐标系下对拟合线段进行膨胀，可以降低车辆旋转带来的影响，可在不提升维度的前提下最大程度地保留实际可行驶空间；此外，通过数值优化生成可行驶路径，具有更好的平滑性。即，本发明实施例提供的路径规划方法能够提供安全、平滑的行驶路径，且提高了路径规划的实时性和完备性。
基于前述实施例相同的发明构思，下面通过具体场景对前述实施例进行具体说明。
参阅图3，本实施例提供的路径规划方法包括以下步骤：
步骤S201：可行驶区域边界轮廓提取。
具体地，将感知生成的环境栅格地图二值化，确定障碍物占据栅格和自由栅格；接着，使用Suzuki轮廓跟踪算法提取障碍物占据栅格的外轮廓，并保证轮廓离散点的有序性。
步骤S202：Frenet Frame映射。
具体地，以道路参考线方向以及参考线法线方向构建Frenet坐标系；将步骤S201中获取的障碍物外轮廓有序离散点映射到Frenet坐标系中。
步骤S203：分段直线拟合。
其中，分段直线拟合的具体过程如下：
步骤S2031、计算当前离散点pi与当前迭代线段的末端点pe的距离dp，若dp小于阈值dis_1，则执行步骤S2032，否则跳转至步骤S2036。
步骤S2032、计算当前离散点pi到当前迭代线段所在直线的距离do，若do小于阈值dis_2，则执行步骤S2033，否则跳转至步骤S2034。
步骤S2033、更新迭代线段，以迭代线段内首个离散点和当前离散点分别到当前迭代线段所在直线的垂足作为迭代线段的首末端点，并跳转至步骤S2037。参阅图4，假设在已有4个离散点完成拟合且当前迭代线段为上述4个离散点拟合获得的，若第5个离散点(图中seg end附近的点)与上述4个离散点拟合的直线的距离满足上述条件，则可将第5个离散点到当前迭代线段所在直线的垂足(即seg end)作为迭代线段的末端点。
步骤S2034、最小二乘拟合，生成当前离散点与当前迭代线段内离散点构成的离散点集合，并对该集合计算直线最小二乘，其形式为y＝kx+b。
步骤S2035、计算最远距离，计算离散点集合到最小二乘直线的最大距离dm，若dm小于阈值dis_3，则跳转值步骤2033。
其中，dm＝(yi-kxi-b)×cos(arctan(k))。
步骤S2036、截断线段，存储当前迭代线段，并以当前离散点作为线段首末端点构造新迭代线段。
步骤S2037、根据离散点序列更新当前离散点，并重复上述步骤，直至完成遍历。
步骤S204：MinkowskiSum。
这里，对步骤S203拟合的分段直线进行膨胀，在Frenet坐标系下，仅考虑车辆的平移，基于此构造车辆矩形和线段形成的Minkowski和对应的扩展空间体，即凸多边形。如图5所示，其中，黑色实线为线段(即拟合的分段直线)，虚线矩形框为车辆轮廓，虚线多边形为两者的Minkowski和。
步骤S205：构建碰撞约束条件。
这里，在Frenet坐标系下，按照纵向s方向对凸多边形进行等距离切片。然后，根据纵向坐标s对多边形切片进行排序，根据纵向坐标s对应的多边形切片边界获得横向上下可行驶边界。
步骤S206：优化求解。
这里，先构建Frenet下的目标优化函数，建立关于路径长度代价，曲率代价的目标优化函数。其中路径长度代价可用∑f(x)2表示，而曲率代价可用∑f'(x)2+∑f”(x)2表示。接着，构建优化函数的约束条件。对于碰撞约束而言，根据步骤S205中即可确定xi的上下可行驶边界即llower<f(x)<lupper。建立分段曲线的连续性约束条件，确保当前段曲线末端点需和下一曲线的起点连续，即
Figure BDA0003693729230000191
综上，本实施例提供的路径规划方法中，将笛卡尔坐标系的感知障碍物映射到Frenet坐标系下再进行膨胀处理，可降低可行驶空间的构建维度，仅在二维平面上即可构造较为准确的可行驶空间，提升路径规划的实时性；通过总体最小二乘法对离散点进行分段拟合，以感知精度为指导调节拟合阈值，相较于离散点，拟合后的分段直线段可极大地简化路径规划的碰撞约束；在Frenet上等距离地对障碍物进行切片，在纵向s坐标上获得精确的横向约束范围，在不影响算法实时性的前提下，保留了更大的解空间，提升求解成功率与路径规划完备性。
基于前述实施例相同的发明构思，本发明实施例提供了一种路径规划装置，如图6所示，该装置包括：处理器310和存储有计算机程序的存储器311；其中，图6中示意的处理器310并非用于指代处理器310的个数为一个，而是仅用于指代处理器310相对其他器件的位置关系，在实际应用中，处理器310的个数可以为一个或多个；同样，图6中示意的存储器311也是同样的含义，即仅用于指代存储器311相对其他器件的位置关系，在实际应用中，存储器311的个数可以为一个或多个。在所述处理器310运行所述计算机程序时，实现应用于上述装置的所述路径规划方法。
该装置还可包括：至少一个网络接口312。该装置中的各个组件通过总线系统313耦合在一起。可理解，总线系统313用于实现这些组件之间的连接通信。总线系统313除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。但是为了清楚说明起见，在图6中将各种总线都标为总线系统313。
其中，存储器311可以是易失性存储器或非易失性存储器，也可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(ROM，Read Only Memory)、可编程只读存储器(PROM，Programmable Read-Only Memory)、可擦除可编程只读存储器(EPROM，Erasable Programmable Read-Only Memory)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM，Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)、磁性随机存取存储器(FRAM，ferromagnetic random access memory)、快闪存储器(Flash Memory)、磁表面存储器、光盘、或只读光盘(CD-ROM，Compact Disc Read-Only Memory)；磁表面存储器可以是磁盘存储器或磁带存储器。易失性存储器可以是随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(SRAM，Static Random Access Memory)、同步静态随机存取存储器(SSRAM，Synchronous Static Random Access Memory)、动态随机存取存储器(DRAM，Dynamic Random Access Memory)、同步动态随机存取存储器(SDRAM，SynchronousDynamic Random Access Memory)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DDRSDRAM，Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory)、增强型同步动态随机存取存储器(ESDRAM，Enhanced Synchronous Dynamic Random Access Memory)、同步连接动态随机存取存储器(SLDRAM，SyncLink Dynamic Random Access Memory)、直接内存总线随机存取存储器(DRRAM，Direct Rambus Random Access Memory)。本发明实施例描述的存储器311旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
本发明实施例中的存储器311用于存储各种类型的数据以支持该装置的操作。这些数据的示例包括：用于在该装置上操作的任何计算机程序，如操作系统和应用程序；联系人数据；电话簿数据；消息；图片；视频等。其中，操作系统包含各种系统程序，例如框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序可以包含各种应用程序，例如媒体播放器(Media Player)、浏览器(Browser)等，用于实现各种应用业务。这里，实现本发明实施例方法的程序可以包含在应用程序中。
基于前述实施例相同的发明构思，本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，计算机可读存储介质可以是磁性随机存取存储器(FRAM，ferromagnetic random access memory)、只读存储器(ROM，Read OnlyMemory)、可编程只读存储器(PROM，Programmable Read-Only Memory)、可擦除可编程只读存储器(EPROM，Erasable Programmable Read-Only Memory)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM，Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)、快闪存储器(FlashMemory)、磁表面存储器、光盘、或只读光盘(CD-ROM，Compact Disc Read-Only Memory)等存储器；也可以是包括上述存储器之一或任意组合的各种设备，如移动电话、计算机、平板设备、个人数字助理等。所述计算机可读存储介质中存储的计算机程序被处理器运行时，实现应用于上述装置的所述路径规划方法。所述计算机程序被处理器执行时实现的具体步骤流程请参考图1所示实施例的描述，在此不再赘述。
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。
在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种路径规划方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
对车辆可行驶区域的边界轮廓进行提取，获得所述边界轮廓对应的有序离散点；
以道路参考线方向和所述道路参考线的法线方向构建Frenet坐标系，并将所述有序离散点映射到Frenet坐标系中；
按照预设策略对所述有序离散点进行分段直线拟合；
在Frenet坐标系下对拟合获得的至少一分段直线段进行膨胀处理，获得由所述车辆轮廓矩形和所述分段直线段形成的Minkowski和所表示的至少一凸多边形；
构建Frenet坐标系下的关于路径长度代价、曲率代价的目标优化函数，以及基于所述凸多边形构建碰撞约束条件和连续性约束条件，求解所述目标优化函数，获得对应的可行驶路径。
2.根据权利要求1所述的路径规划方法，所述对车辆可行驶区域的边界轮廓进行提取，获得所述边界轮廓对应的有序离散点，包括以下步骤：
将感知生成的车辆周围环境的栅格地图进行二值化处理，获得障碍物占据栅格；
使用轮廓跟踪算法提取所述障碍物占据栅格的外轮廓，将获得的所述外轮廓的有序离散点作为所述边界轮廓对应的有序离散点。
3.根据权利要求1或2所述的路径规划方法，所述按照预设策略对所述有序离散点进行分段直线拟合，包括以下步骤：
计算当前离散点pi与当前迭代线段的末端点的距离dp；
若距离dp小于阈值dis_1，则计算当前离散点pi到当前迭代线段所在直线的距离do；
若距离do大于或等于阈值dis_2，则对当前离散点pi和当前迭代线段内的离散点所构成的离散点集合进行最小二乘拟合，并计算所述离散点集合内的离散点到拟合生成的最小二乘直线的最大距离误差dm；
若距离do小于阈值dis_2或者距离误差dm小于阈值dis_3，则将当前离散点pi到当前迭代线段所在直线的垂足更新为当前迭代线段的末端点；
若距离dp大于或等于阈值dis_1或者距离误差dm大于或等于dis_3，则将当前迭代线段存储为一分段直线段，并以当前离散点pi作为下一个迭代线段的首末端点，以及将下一个迭代线段更新为当前迭代线段；
将下一个离散点更新为当前离散点pi。
4.根据权利要求1或2所述的路径规划方法，所述基于所述凸多边形构建碰撞约束条件，包括：
在Frenet坐标系下，按照纵向方向对所述凸多边形进行等距离切片；
根据纵向坐标对获得的多边形切片进行排序，并根据所述多边形切片边界获取所述多边形切片对应的横向上下可行驶边界。
5.一种路径规划装置，其特征在于，所述装置包括：
提取模块，用于对车辆可行驶区域的边界轮廓进行提取，获得所述边界轮廓对应的有序离散点；
第一处理模块，用于以道路参考线方向和所述道路参考线的法线方向构建Frenet坐标系，并将所述有序离散点映射到Frenet坐标系中；
拟合模块，用于按照预设策略对所述有序离散点进行分段直线拟合；
获取模块，用于在Frenet坐标系下对拟合获得的至少一分段直线段进行膨胀处理，获得由所述车辆轮廓矩形和所述分段直线段形成的Minkowski和所表示的至少一凸多边形；
第二处理模块，用于构建Frenet坐标系下的关于路径长度代价、曲率代价的目标优化函数，以及基于所述凸多边形构建碰撞约束条件和连续性约束条件，求解所述目标优化函数，获得对应的可行驶路径。
6.根据权利要求5所述的路径规划装置，所述提取模块，具体用于：
将感知生成的车辆周围环境的栅格地图进行二值化处理，获得障碍物占据栅格；
使用轮廓跟踪算法提取所述障碍物占据栅格的外轮廓，将获得的所述外轮廓的有序离散点作为所述边界轮廓对应的有序离散点。
7.根据权利要求5或6所述的路径规划装置，所述拟合模块，具体用于：
计算当前离散点pi与当前迭代线段的末端点的距离dp；
若距离dp小于阈值dis_1，则计算当前离散点pi到当前迭代线段所在直线的距离do；
若距离do大于或等于阈值dis_2，则对当前离散点pi和当前迭代线段内的离散点所构成的离散点集合进行最小二乘拟合，并计算所述离散点集合内的离散点到拟合生成的最小二乘直线的最大距离误差dm；
若距离do小于阈值dis_2或者距离误差dm小于阈值dis_3，则将当前离散点pi到当前迭代线段所在直线的垂足更新为当前迭代线段的末端点；
若距离dp大于或等于阈值dis_1或者距离误差dm大于或等于dis_3，则将当前迭代线段存储为一分段直线段，并以当前离散点pi作为下一个迭代线段的首末端点，以及将下一个迭代线段更新为当前迭代线段；
将下一个离散点更新为当前离散点pi。
8.根据权利要求5或6所述的路径规划装置，所述第二处理模块，具体用于：
在Frenet坐标系下，按照纵向方向对所述凸多边形进行等距离切片；
根据纵向坐标对获得的多边形切片进行排序，并根据所述多边形切片边界获取所述多边形切片对应的横向上下可行驶边界。
9.一种路径规划装置，其特征在于，包括：处理器和存储有计算机程序的存储器，在所述处理器运行所述计算机程序时，实现权利要求1至4中任一项所述的路径规划方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1至4中任一项所述的路径规划方法。
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