CN116576875A - 四轮转向车辆外轮廓无碰撞局部路径实时规划方法及系统 - Google Patents

四轮转向车辆外轮廓无碰撞局部路径实时规划方法及系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种四轮转向车辆外轮廓无碰撞局部路径实时规划方法及系统，方法包括如下步骤：S1:获取车辆行驶的局部车道信息和障碍物信息；S2:基于局部车道信息提取车道中心线并预处理后作为参考线；S3:基于障碍物信息形成局部车道的道路边界；S4:获取车辆外轮廓形状并选定车辆参考点和筛选预设数量的点作为碰撞测试点；S5:构建道路边界与碰撞测试点的横向偏移量在无碰撞下的关系模型并进行碰撞检测。本发明的有益效果，本申请通过设置车辆外轮廓上的任意多个点，作为碰撞检测点，当车辆沿着所规划的路径行走时，可以保证所有检测点轨迹都是无碰撞的，当合理设置了检测点的位置和数量后，就能保证车辆的外轮廓无碰撞以及满足实时性要求。

Description

四轮转向车辆外轮廓无碰撞局部路径实时规划方法及系统
技术领域
本申请涉及自动驾驶路径规划技术领域，尤其涉及一种四轮转向车辆外轮廓无碰撞局部路径实时规划方法及系统。
背景技术
车辆自动驾驶融合了感知、预测、高精地图、融合定位、导航、决策规划、控制等相关技术，其中决策规划模块是自动驾驶技术的重要组成部分，它根据导航模块给出的全局路径、定位模块给出的自车位置和感知预测模块给出的静、动态障碍物信息，规划出一条车辆可行驶的局部路径。
该局部路径应该是光滑(满足车辆动力学约束、曲率连续)、无碰撞的，可以直接作为下游控制模块的输入。由于一些障碍物是动态变化的，因此局部路径规划应该是实时进行的。
目前主流局部路径规划算法分为基于搜索的路径规划算法和基于优化的路径规划算法。基于搜索的路径规划算法，时间复杂度较高，很难满足实时性要求。在基于优化的路径规划算法中，基于二次规划的路径规划算法具有时间复杂度低、易于部署的特点。而针对前后轮转向可以同时转向的车辆，目前的二次规划算法，只能约束车辆参考点(后轴中心或者中心点)的位置，无法完全保证车辆的外轮廓无碰撞。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请实施例提供一种四轮转向车辆外轮廓无碰撞局部路径实时规划方法及系统，填补了目前针对四轮转向车辆的路径规划方面的空白。
本申请实施例第一方面提供了一种四轮转向车辆外轮廓无碰撞局部路径实时规划方法，可包括如下步骤：
S1:获取车辆行驶的局部车道信息和障碍物信息，其中，所述局部车道信息包括车道范围和车道类型；
S2:基于局部车道信息提取车道中心线并预处理后作为参考线；基于所述参考线生成道路坐标系；
S3:基于障碍物信息筛选车道范围内的静态障碍物信息和动态障碍物信息，并结合车道宽度形成局部车道的道路边界，将该道路边界转换至所述道路坐标系下；
S4:获取车辆外轮廓形状并选定车辆参考点和筛选预设数量的点作为碰撞测试点；基于车辆参考点与参考线的位置关系获取每个碰撞测试点的横向偏移量；
S5:构建道路边界与碰撞测试点的横向偏移量在无碰撞下的关系模型并进行碰撞检测，基于碰撞检测的结果输出是否存在无碰撞的行驶轨迹。
进一步，所述步骤S1)中的车道范围包括车后已行驶的预设距离的车道和车前即将行驶的预设距离的车道，车道类型包括直道和弯道。
进一步，所述步骤S2)中的预处理包括：对所述车道中心线进行平滑处理以使得参考线的曲率连续且与中心线的偏差在预设范围内。
进一步，所述参考点选择车辆后轴中心。
进一步，所述步骤S5)中：所述碰撞检测点至少包含车外轮廓的四个顶点，该四个顶点构成矩形，若超过四个点则其他的可以在所构成的矩形的边上任意选取。
进一步，所述步骤S5)中：碰撞检测中若无碰撞的情况，将该路径作为规划路线，若有碰撞的情况，则将车辆参考点的行驶轨迹作为参考线，并重新进行碰撞检测，若依然有碰撞则说明不存在无碰撞路线。
本申请实施例第二方面提供了一种四轮转向车辆外轮廓无碰撞局部路径实时规划系统，包括：
局部地图信息模块，获取车辆行驶的局部车道信息和障碍物信息；
参考线构建模块，基于局部车道信息提取车道中心线并预处理后作为参考线，并基于所述参考线生成道路坐标系；
道路边界模块，基于局部地图信息模块的内容筛选车道范围内的静态障碍物信息和动态障碍物信息，并结合车道宽度形成局部车道在道路坐标系下的道路边界；
测试点行驶边界模块，获取车辆外轮廓形状并选定车辆参考点和筛选预设数量的点作为碰撞测试点，基于车辆参考点与参考线的位置关系获取每个碰撞测试点的横向偏移量，形成每个碰撞测试点的行驶边界；
无碰撞路径模块，构建道路边界与碰撞测试点的横向偏移量在无碰撞下的关系模型并进行碰撞检测，基于碰撞检测的结果输出是否存在无碰撞的行驶轨迹。
进一步地，所述局部地图信息模块包括车道范围和车道类型，其中车道范围包括车后已行驶的预设距离的车道和车前即将行驶的预设距离的车道，车道类型包括直道和弯道。
进一步地，所述参考线构建模块中对车道中心线进行平滑处理以使得参考线的曲率连续且与中心线的偏差在预设范围内。
进一步地，所述无碰撞路径模块在进行碰撞检测中若无碰撞的情况，将该路径作为规划路线输出，若有碰撞的情况，则将车辆参考点的行驶轨迹作为参考线，并重新进行碰撞检测，若依然有碰撞则说明不存在无碰撞路线。
本发明的有益效果，本申请通过设置车辆外轮廓上的任意多个点，作为碰撞检测点，当车辆沿着所规划的路径行走时，可以保证所有检测点轨迹都是无碰撞的，当合理设置了检测点的位置和数量后，就能保证车辆的外轮廓无碰撞以及满足实时性要求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的方法流程图；
图2是本申请提供的方法流图框图；
图3是车辆外轮廓检测点；
图4(a)(b)是参考点与检测点的横向偏移的多种状态示意图。
具体实施方式
为使得本申请的申请目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本申请实施例提供了一种四轮转向车辆外轮廓无碰撞局部路径实时规划方法，该方法的前提是上游模块已经根据全局路径决策出了供车辆行驶的连续车道，可包括如下步骤：
步骤S1:获取车辆行驶的局部车道信息和障碍物信息，其中，局部车道信息包括车道范围和车道类型两方面，车道范围包括车后已行驶的预设距离的车道和车前即将行驶的预设距离的车道，车道类型包括直道和弯道。在一些实施例中，已行驶的预设距离为50m，即将行驶的预设距离为150m。在一些实施例中，已行驶的预设距离和即将行驶的预设距离可以结合实际需求设定。
步骤S2:基于局部车道信息提取车道中心线，该车道中心线可能是曲率不连续的，对车道中心线进行平滑处理以使得参考线(车道中心线处理之后的线)的曲率连续且与中心线的偏差在预设范围内，平滑处理可以采用成熟的二次规划算法。基于参考线生成道路坐标系。
步骤S3:基于障碍物信息筛选车道范围内的静态障碍物信息和动态障碍物信息，并结合车道宽度形成局部车道的道路边界，将该道路边界由笛卡尔坐标系转换至道路坐标系下，可得到道路下边界上边距/>
步骤S4:获取车辆外轮廓形状并选定车辆参考点(车辆后轴中心)和筛选预设数量的点作为碰撞测试点，基于车辆参考点与参考线的位置关系获取每个碰撞测试点的横向偏移量。
一般的二次规划算法，仅考虑车辆参考点的边界，无法保证车辆外轮廓无碰撞。作为一个具体的实施例，本发明选取了车辆外轮廓的若干点作为碰撞检测点，如图3所示的P1～P6。以车辆参考点为圆心o(本发明以车辆后轴中心为参考点)，车头方向为x轴建立车体坐标系。选择的检测点越多，则外轮廓无碰撞风险越小。
记录所设置的检测点Pi在车体坐标系下的坐标值(xi,yi),i＝1～6，其在世界坐标系下的坐标可由下式计算得到：
其中θ为车辆的航向角，为车辆参考点在全局坐标系下的坐标。
当车辆参考点位于参考线任意位置时，如图4(a)所示，根据公式(1.1)可以计算出任意检测点Pi的横向偏移
当车辆偏移参考线时，如图4(b)所示，本发明给出任意检测点i在s处的横向偏移量li(s)与车辆参考点横向偏移量l(s)之间的近似计算关系如下式：其中Di为参考点到检测点i之间的距离，/>为参考点滑移角，即速度方向与车辆航向之间的夹角，κr(s)为参考线上车辆匹配点的曲率，/>为当车辆完美跟踪参考线时检测点相对于参考线的横向偏移量。
步骤S5:构建道路边界与碰撞测试点的横向偏移量在无碰撞下的关系模型并进行碰撞检测，基于碰撞检测的结果输出是否存在无碰撞的行驶轨迹。
为了保证车辆在道路边界内行驶，根据(3)给出的道路边界，车辆轮廓上的任意检测点Pi的横向偏移量li应满足如下关系模型：从而构建出如下二次规划问题，即可求得检测点无碰撞的车辆参考点行驶轨迹。
β′(sj+1)Δs＝β(sj+1)-β(sj)
sj＝jΔs，j＝[0，1，...，m]
其中(s，l)为SL坐标系的坐标，s是SL坐标系的纵轴值，l是SL坐标系的横轴值，sj表示第j个预测点的纵向距离(共预测m+1个点)，l(sj)表示sj处的横向偏移，简写为l；lmax(sj)，lmin(sj)分别考虑监测点无碰撞情况下车辆控制中心点的横向偏移的上下限；β(sj)为自车当前位置的滑移角，简写为β；l′，l″，l″′分别为车辆参考点横向偏移l的1～3阶导数；Δs为纵向采样间隔；分别为前轮最小、最大转向角；/>分别为后轮最小、最大转向角；Lf为车辆参考点距离前轴的距离；Lr为车辆参考点距离后轴的距离。
代价函数中前1～4项为惩罚车辆参考点横向偏移及其1～3阶导数，保持输出路径的平滑性，wi，i＝1～4分别为各项的权重系数；第5项为惩罚车辆到道路边界的距离，保证车辆参考点尽量远离道路边界，w5为对应的权重系数；第6～7项为惩罚车辆参考点滑移角与参考线上的给定值之间的偏差，保持车辆航向跟参考线不会相差太大，w6，w7为对应的权重系数。
7项约束条件中，第1项约束车辆外轮廓上所有监测点在道路边界之内；第2、3项保证输出路径横偏的三阶倒数为常数；第4、5项分别为车辆前后轮转角约束；第6项为车辆滑移角倒数计算公式；第7项为车辆参考点纵向距离计算公式。
由于公式(1.2)为近似关系的一个公式，因此在上述二次规划问题所求解得到的轨迹可能依然存在碰撞，需要进行碰撞检测。若无碰撞则，局部路径规划结束，所得到的无碰撞路径可以直接输入至控制模块。若有碰撞，则将二次规划问题得到的轨迹作为参考线，重复本步骤后，若依然有碰撞则说明无可行解，局部路径规划结束。
作为另一个具体的实施例，本申请提供了一种四轮转向车辆外轮廓无碰撞局部路径实时规划系统，整个系统包括局部地图信息模块、参考线构建模块、道路边界模块、测试点行驶边界模块和无碰撞路径模块五个部分，其中：
局部地图信息模块用于获取车辆行驶的局部车道信息和障碍物信息，车道范围包括车后已行驶的预设距离的车道和车前即将行驶的预设距离的车道，车道类型包括直道和弯道。在本实施例中，已行驶的预设距离为50m、即将行驶的预设距离为150m。在一些实施例中，已行驶的预设距离和即将行驶的预设距离可以结合实际需求设定。
参考线构建模块基于局部车道信息提取车道中心线(这里的中心线可能是曲率不连续的)并进行平滑处理以使得参考线的曲率连续且与中心线的偏差在预设范围内后将处理后的中心线作为参考线，并基于参考线生成道路坐标系。
道路边界模块基于局部地图信息模块的内容筛选车道范围内的静态障碍物信息和动态障碍物信息，并结合车道宽度形成局部车道在道路坐标系下的道路边界。
测试点行驶边界模块，获取车辆外轮廓形状并选定车辆参考点和筛选预设数量的点作为碰撞测试点，基于车辆参考点与参考线的位置关系获取每个碰撞测试点的横向偏移量，形成每个碰撞测试点的行驶边界。一般情况下，碰撞检测点至少包含车外轮廓的四个顶点，该四个顶点构成矩形，若超过四个点则其他的可以在所构成的矩形的边上任意选取。
无碰撞路径模块，构建道路边界与碰撞测试点的横向偏移量在无碰撞下的关系模型并进行碰撞检测，基于碰撞检测的结果输出是否存在无碰撞的行驶轨迹。碰撞检测中若无碰撞的情况，将该路径作为规划路线，若有碰撞的情况，则将车辆参考点的行驶轨迹作为参考线，并重新进行碰撞检测，若依然有碰撞则说明不存在无碰撞路线。
上述系统模块的具体算法内容与方法内容一致，这里不进行重复赘述，本申请通过设置车辆外轮廓上的任意多个点，作为碰撞检测点，当车辆沿着所规划的路径行走时，可以保证所有检测点轨迹都是无碰撞的，当合理设置了检测点的位置和数量后，就能保证车辆的外轮廓无碰撞以及满足实时性要求。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护。

Claims (9)

1.一种四轮转向车辆外轮廓无碰撞局部路径实时规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1:获取车辆行驶的局部车道信息和障碍物信息，其中，所述局部车道信息包括车道范围和车道类型；
S2:基于所述局部车道信息提取车道中心线并预处理后作为参考线；基于所述参考线生成道路坐标系；
S3:基于所述障碍物信息筛选车道范围内的静态障碍物信息和动态障碍物信息，并结合车道宽度形成局部车道的道路边界，将该道路边界转换至所述道路坐标系下；
S4:获取车辆外轮廓形状并选定车辆参考点和筛选预设数量的点作为碰撞测试点；基于车辆参考点与参考线的位置关系获取每个碰撞测试点的横向偏移量；
S5:构建道路边界与碰撞测试点的横向偏移量在无碰撞下的关系模型并进行碰撞检测，基于碰撞检测的结果输出是否存在无碰撞的行驶轨迹。
2.根据权利要求1所述的四轮转向车辆外轮廓无碰撞局部路径实时规划方法，其特征在于，所述步骤S1)中的车道范围包括车后已行驶的预设距离的车道和车前即将行驶的预设距离的车道，车道类型包括直道和弯道。
3.根据权利要求1所述的四轮转向车辆外轮廓无碰撞局部路径实时规划方法，其特征在于，所述步骤S2)中的预处理包括：对所述车道中心线进行平滑处理以使得参考线的曲率连续且与中心线的偏差在预设范围内。
4.根据权利要求1所述的四轮转向车辆外轮廓无碰撞局部路径实时规划方法，其特征在于，所述参考点选择车辆后轴中心。
5.根据权利要求1所述的四轮转向车辆外轮廓无碰撞局部路径实时规划方法，其特征在于，所述步骤S5)中：碰撞检测中若无碰撞的情况，将该路径作为规划路线，若有碰撞的情况，则将车辆参考点的行驶轨迹作为参考线，并重新进行碰撞检测，若依然有碰撞则说明不存在无碰撞路线。
6.一种四轮转向车辆外轮廓无碰撞局部路径实时规划系统，其特征在于，包括：
局部地图信息模块，获取车辆行驶的局部车道信息和障碍物信息；
参考线构建模块，基于所述局部车道信息提取车道中心线并预处理后作为参考线，并基于所述参考线生成道路坐标系；
道路边界模块，基于局部地图信息模块的内容筛选车道范围内的静态障碍物信息和动态障碍物信息，并结合车道宽度形成局部车道在道路坐标系下的道路边界；
测试点行驶边界模块，获取车辆外轮廓形状并选定车辆参考点和筛选预设数量的点作为碰撞测试点，基于车辆参考点与参考线的位置关系获取每个碰撞测试点的横向偏移量，形成每个碰撞测试点的行驶边界；
无碰撞路径模块，构建道路边界与碰撞测试点的横向偏移量在无碰撞下的关系模型并进行碰撞检测，基于碰撞检测的结果输出是否存在无碰撞的行驶轨迹。
7.根据权利要求6所述的四轮转向车辆外轮廓无碰撞局部路径实时规划系统，其特征在于，所述局部地图信息模块包括车道范围和车道类型，其中车道范围包括车后已行驶的预设距离的车道和车前即将行驶的预设距离的车道，车道类型包括直道和弯道。
8.根据权利要求6所述的四轮转向车辆外轮廓无碰撞局部路径实时规划系统，其特征在于，所述参考线构建模块中对车道中心线进行平滑处理以使得参考线的曲率连续且与中心线的偏差在预设范围内。
9.根据权利要求6所述的四轮转向车辆外轮廓无碰撞局部路径实时规划系统，其特征在于，所述无碰撞路径模块在进行碰撞检测中若无碰撞的情况，将该路径作为规划路线输出，若有碰撞的情况，则将车辆参考点的行驶轨迹作为参考线，并重新进行碰撞检测，若依然有碰撞则说明不存在无碰撞路线。
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