一种双阶段自动驾驶车辆调头轨迹规划方法技术

本发明专利技术公开了一种双阶段自动驾驶车辆调头轨迹规划方法，本发明专利技术基于车辆运动学模型约束，使用数学物理方程合理判断调头位点以及所需的倒车调姿，推导出理论最优轨迹并对是否可以一次完成调头给出判断；接着在此基础上通过智能仿真决策算法实现了一种结合全局欧氏距离场和改进的局部动态窗口法得到的无人驾驶车辆调头轨迹生成方案，可以在更复杂的对侧道路条件下规划出合理的调头路径，满足自动驾驶需求，兼具实时性和高鲁棒性。本发明专利技术车辆调头轨迹规划方法中加入调头的可行性判断这一步骤，使得整个方法的计算量小，同时可以避免车辆调头过程的碰撞；调头引导点生成的引导效果更好，有“逐步引导”的作用，使得在车辆调头轨迹规划效果更佳。迹规划效果更佳。迹规划效果更佳。

【技术实现步骤摘要】
一种双阶段自动驾驶车辆调头轨迹规划方法


[0001]本专利技术涉及无人驾驶车辆的轨迹规划领域，特别是一种双阶段自动驾驶车辆调头轨迹规划方法。

技术介绍

[0002]自动驾驶涉及环境感知、智能决策和规划、智能控制等多门学科，其中“如何利用环境信息进行智能决策”又成为了限制无人驾驶发展的关键技术和瓶颈技术。
[0003]本专利技术从自动驾驶中实际的调头场景出发，根据实际的车辆运动学和机械结构约束，通过建立数学方程模型和智能仿真决策算法模型并将两者有机的结合，解决了实际情况中的车辆调头场景路径规划问题，并通过程序对完整调头过程进行模拟。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双阶段自动驾驶车辆调头轨迹规划方法，以解决上述技术背景中提出的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案来实现：
[0006]一种双阶段自动驾驶车辆调头轨迹规划方法，包含以下步骤：
[0007]步骤一、前置准备，包括：
[0008]1.1、车辆模型中车辆控制点的选取；
[0009]1.2、车辆模型的数理方程约束条件；
[0010]1.3、车辆当前地图获取：获取当前时刻以车辆为中心前后左右50m的正方形地图；
[0011]步骤二、车辆调头的可行性判断
[0012]2.1、在车辆进入调头路口区域地图，即车辆当前地图为调头路口区域时，先通过步骤1.2中的数理方程约束条件判断在车辆在理想情况下能否一次掉头；
[0013]2.2、若能一次掉头，则进入后续阶段的自动规划，若不行，则给出理想情况下需要倒车几次完成调头，并绘制出调头、倒车路径，辅助驾驶员进行倒车调头；
[0014]步骤三、车辆调头引导点生成
[0015]3.1、对车辆当前时刻地图(调头路口区域部分)进行欧氏距离变化，并设置自适应阈值生成安全区域；
[0016]3.2、使用改进的A
‑
star算法在3.1得到的安全区域生成引导路径；
[0017]3.3、对引导路径进行离散化取点得到引导点集，引导点集所含的引导目标点作为后续步骤的目标点；
[0018]步骤四、使用DWA算法完成起始点到目标点的车辆调头规划路线
[0019]4.1、根据车辆运动空间，获得在时间间隔内所有可能的车辆速度和车轮转角组合；
[0020]4.2、针对每一种车辆速度和车轮转角组合，得到经过下一时间间隔后车辆的位置，从而得到每种车辆速度和车轮转角组合所对应的预测轨迹；
[0021]4.3、对每一预测轨迹计算一个代价，并选代价最小的那个作为确切的下一步；
[0022]4.4、重复4.1
‑
4.3，获得车辆调头的最佳轨迹，即车辆调头规划路线。
[0023]上述技术方案中，车辆模型使用车辆后轴中心作为控制点。
[0024]上述技术方案中，车辆模型的数理方程约束条件包括下述方程：
[0025][0026][0027][0028]其中，方程(1)表示车辆的运动学约束方程s.t.，方程(2)表示车辆的轨迹方程，方程(3)为定解方程；
[0029]方程(1)中，a
min
、a
MAX
分别表示车辆的最小、最大加速度,表示车辆加速度，表示方向盘转角，表示方向盘转角最大值，表示方向盘转速，Ω
MAX
表示方向盘转速最大值，k表示传动比(方向盘转k
°
，车轮转1
°
)，θ表示车轮转角，表示车轮转速，t为时间，A为坐标系中车辆轮廓点的集合，C为坐标系中障碍物轮廓点的集合，表示A和C的交集为空集——表示车辆不能与任何障碍物发生碰撞；
[0030]方程(2)中，(x
c
(t),y
c
(t))为当前时刻t的车辆控制点坐标，(x0,y0)为车辆控制点的初始坐标，ω为控制点角速度，v为车辆速度；
[0031]方程(3)中，R(t)为时刻t的转弯半径；θ(t)为时刻t的车轮转角,ω(t)为时刻t的车辆控制点角速度，v(t)为时刻t的车辆速度，l为车辆轴距；
[0032]在方程(1)的约束条件下，根据方程(3)解出v和ω，带入方程(2)得到车辆在理想
状态下的轨迹。
[0033]上述技术方案中，步骤2.1中，通过步骤1.2中的数理方程约束条件判断在车辆在理想情况下能否一次掉头，具体步骤为：
[0034]2.1.1获得车辆控制点开始调头时的坐标(x0,y0)，以及开始调头时的速度v，
[0035]2.1.2根据步骤1.2中确定的数理方程约束条件，得到理想状态下整个调头过程中车辆控制点的运动轨迹；
[0036]2.1.3进行能否一次完成调头的判断：
[0037]根据车身的几何尺寸，得到车辆左、右前端点的横坐标与车身控制点横坐标的相对位置关系，能够一次完成调头的判定条件为：
[0038][0039]式(4)中，x
l
(t)＝x
c
(t)
‑
L
·
cos(α
l
‑
γ)
[0040]x
r
(t)＝x
c
(t)+L
·
cos(α
r
+γ)
[0041]方程(4)中，x
l
(t)为车辆左前端点的横坐标，x
r
(t)为车辆右前端点的横坐标，x
c
(t)车身控制点横坐标，x
bord
为对向道路外边界的横坐标，L为控制点到左右前端点的距离，α
l
为控制点和左端点的连线与x轴负向夹角、α
r
为控制点和右端点连线与x轴正向夹角、γ为控制点速度方向与y轴正方向夹角；
[0042]2.1.4若2.1.3判断能一次掉头，则进入后续阶段的规划。
[0043]上述技术方案中，步骤3.1中，生成安全区域的具体方法为：
[0044]3.1.1对车辆当前时刻地图进行二值化处理，将道路边界、障碍物的闭合边缘设为1，即背景点为1，其余可行驶区域设为0，即前景点为0；
[0045]3.1.2计算出地图上可行驶区域中每个前景点距离其最近障碍，即背景点的欧式距离；
[0046]3.1.3根据3.1.2计算出的欧氏距离图的梯度信息设定自适应阈值，计算筛选出在有可通行道路的前提下距离障碍较远的位点；
[0047]3.1.4生成安全行驶区域的二值化地图，不安全区域设为1，安全行驶区域设为0。
[0048]上述技术方案中，步骤4.1中，车辆运动空间的符合下述三个约束条件：
[0049]4.1.1首先根据一般车辆运动的运动学方程，经过一段时间微元dt后车辆位置变化具体表现的公式如下：
[0050][0051]式中x
t...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双阶段自动驾驶车辆调头轨迹规划方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤一、前置准备，包括：1.1、车辆模型中车辆控制点的选取；1.2、车辆模型的数理方程约束条件；1.3、车辆当前地图获取；步骤二、车辆调头的可行性判断2.1、在车辆进入调头路口区域地图，即车辆当前地图为调头路口区域时，先通过步骤1.2中的数理方程约束条件判断在车辆在理想情况下能否一次掉头；2.2、若能一次掉头，则进入后续阶段的自动规划，若不行，则给出理想情况下需要倒车几次完成调头，并绘制出调头、倒车路径，辅助驾驶员进行倒车调头；步骤三、车辆调头引导目标点生成3.1、对车辆当前时刻地图进行欧氏距离变化，并设置自适应阈值生成安全区域；3.2、使用改进的A
‑
star算法在3.1得到的安全区域生成引导路径；3.3、对引导路径进行离散化取点得到引导点集，引导点集所含引导目标点作为后续步骤的目标点；步骤四、使用DWA算法完成起始点到目标点的车辆调头规划路线4.1、根据车辆运动空间，获得时间间隔内所有可能的车辆速度和车轮转角组合；4.2、针对每一种车辆速度和车轮转角组合，得到经过下一时间间隔后车辆的位置，从而得到每种车辆速度和车轮转角组合所对应的预测轨迹；4.3、对每一预测轨迹计算一个代价，并选代价最小的那个作为确切的下一步；4.4、重复4.1
‑
4.3，获得车辆调头的最佳轨迹，即车辆调头规划路线。2.根据权利要求1所述的一种双阶段自动驾驶车辆调头轨迹规划方法，其特征在于，车辆模型使用车辆后轴中心作为控制点。3.根据权利要求1所述的一种双阶段自动驾驶车辆调头轨迹规划方法，其特征在于，车辆模型的数理方程约束条件包括下述方程：辆模型的数理方程约束条件包括下述方程：
其中，方程(1)表示车辆的运动学约束方程s.t.，方程(2)表示车辆的轨迹方程，方程(3)为定解方程；方程(1)中，a
min
、a
MAX
分别表示车辆的最小、最大加速度,表示车辆加速度，表示方向盘转角，表示方向盘转角最大值，表示方向盘转速，Ω
MAX
表示方向盘转速最大值，k表示传动比，θ表示车轮转角，表示车轮转速，t为时间，A为坐标系中车辆轮廓点的集合，C为坐标系中障碍物轮廓点的集合，表示A和C的交集为空集——表示车辆不能与任何障碍物发生碰撞；方程(2)中，(x
c
(t),y
c
(t))为当前时刻t的车辆控制点坐标，(x0,y0)为车辆控制点的初始坐标，ω为控制点角速度，v为车辆速度；方程(3)中，R(t)为时刻t的转弯半径；θ(t)为时刻t的车轮转角,ω(t)时刻t的车辆控制点角速度，v(t)为时刻t的车辆速度，l为车辆轴距；在方程(1)的约束条件下，根据方程(3)解出v和ω，带入方程(2)得到车辆在理想状态下的轨迹。4.根据权利要求1所述的一种双阶段自动驾驶车辆调头轨迹规划方法，其特征在于，步骤2.1中，通过步骤1.2中的数理方程约束条件判断在车辆在理想情况下能否一次掉头，具体步骤为：2.1.1获得车辆控制点开始调头时的坐标(x0,y0)，以及开始调头时的速度v，2.1.2根据步骤1.2中确定的数理方程约束条件，得到理想状态下整个调头过程中车辆控制点的运动轨迹；2.1.3进行能否一次完成调头的判断：根据车身的几何尺寸，得到车辆左、右前端点的横坐标与车身控制点横坐标的相对位置关系，能够一次完成调头的判定条件为：方程(4)中，x
l
(t)＝x
c
(t)
‑
L
·
cos(α
l
‑
γ)，x
r
(t)＝x
c
(t)+L
·
cos(α
r
+γ)；方程(4)中，x
l
(t)为车辆左前端点的横坐标，x
r
(t)为车辆右前端点的横坐标，x
c
(t)车身控制点横坐标，x
bord
为对向道路外边界的横坐标，L为控制点到左右前端点的距离，α
l
为控制点和左端点的连线与x轴负向夹角、α
r
为控制点和右端点连线与x轴正向夹角、γ为控制点速度方向与y轴正方向夹角；
2.1.4若2.1.3判断能一次掉头，则进入后续阶段的规划。5.根据权利要求1所述的一种双阶段自动驾驶车辆调头轨迹规划方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖力，魏雨飞，何昱辰，罗骏，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：