【技术实现步骤摘要】
本申请涉及智能汽车，具体而言，涉及一种融合车辆运动模型的人工势场路径规划方法。
技术介绍
1、随着车辆在城市交通、工业、军事等领域中的广泛应用，路径规划作为实现自动驾驶的关键技术，也成为车辆相关技术研究的重点。路径规划是指根据要求，规划出一条由起点通往目标点的无碰撞轨迹的技术。
2、在城市交通等应用中，由于车辆在行驶过程中处于动态环境，因此需要采用基于局部地图信息的局部路径规划算法，对路径进行规划。而在此类算法中，人工势场法由于其对未知环境适应性好，计算量小，特别使用于部署在车载平台，因而受到相关学者的关注。该算法利用车辆周围环境建立虚拟力场空间，将车辆最终的目标点作为引力点，将车辆周围的障碍点作为斥力点，将车辆置于引力、斥力共同作用的人工势场中，并根据该势场进行路径规划。但该算法也存在一定缺陷，在复杂环境下，车辆周围的障碍较多，采用该算法进行计算时，势能计算结果在局部变成最小值，导致仅根据势能无法判断下一步车辆的行驶方向方，最终导致设计的路径无法达到最终目的地，即存在不可达的问题。具体而言，当车辆在行进过程中有可能出现所受的斥力和引力大小相等方向相反，此时车辆在人工势场中所受到的合力为零，车辆陷入局部最优解，从而无法到达目标点。现有技术中的算法通常在车辆陷入障碍物后做出反应，通过增加变量系数的方式改变车辆所受合力的方向避开障碍物，或者通过改变引力场和斥力场函数的方式改变车辆所受合力的方向避开障碍物，这些方式计算过程较为复杂，且忽略了车辆自身运动模型。因此，需提出了一种新的径规划方法，解决车辆辆驾驶过程中的路径规划问
技术实现思路
1、本申请的目的在于：针对车辆在复杂环境下的路径规划问题，利用周围障碍物、路径规划目标点与车辆直接的相对位置生成人工势场，根据势能大小和方向判断车辆辆下一步的运动轨迹，并根据势能持续变化判断车辆辆是否存在陷于障碍物的风险，若判断存在风险，则根据车辆运动模型计算车辆最大转向角并调整车辆运动轨迹，实现了多障碍物环境下的路径规划。
2、本申请的技术方案是：提供了一种融合车辆运动模型的人工势场路径规划方法，该方法用于车辆的导航系统，包括：
3、步骤1，构建目标点对车辆产生的引力场，根据车辆和目标点的相对位置计算引力场函数，根据引力场函数计算车辆所受的引力；
4、步骤2，构建障碍物对车辆产生的斥力场，根据车辆和障碍物的相对位置计算斥力场函数，根据斥力场函数计算车辆所受的斥力；
5、步骤3，根据车辆所受到的引力与斥力构建人工势场，通过向量求和的方式计算车辆势能；
6、步骤4，设置势能阈值，车辆每行驶一个步长对其势能进行一次计算，统计车辆连续三次的势能值，当车辆连续三次的势能值均小于阈值时，判定车辆存在陷入障碍物的风险，进行步骤5，否则判定车辆不存在陷入障碍物的风险，进行步骤6；
7、步骤5，计算车辆的最大转向角度，根据最大转向角度确定车辆行驶方向，具体步骤如下：
8、步骤5.1，根据车辆的行驶速度计算车辆的最大转向角度；
9、步骤5.2，根据车辆最大转向角度改变原来的势能方向，获得新的势能方向，根据新的势能方向确定车辆行驶方向；
10、步骤6，判断车辆是否到达目标点，当车辆到达目标点时，结束路径规划，当车辆未到达目标点时，根据当前势能方向驱动车辆行驶。
11、进一步地，步骤5.1中，车辆的最大转向角度为：
12、
13、其中，θ为最大转向角，g为重力加速度，a为质心与前轴的距离，b为质心与后轴的距离，(a+b)则代表车辆的轴距，v为车辆的速度。
14、进一步地，步骤5.2中，根据当前获得的车辆的势能确定势能方向改变原来的势能方向将最大转向角度θmax应用于原来的势能方向并获得新的势能方向获得新的势能方向的过程如下：
15、
16、
17、将与之间的夹角大小限制在θmax的范围内，即：
18、
19、根据经过最大转向角度限制后的新的势能方向生成导航控制指令，并根据该导航控制指令确定车辆的行驶方向。
20、进一步地，步骤1中，将车辆和目标点简化为二维空间中的一个点，建立二维空间模型，使车辆和目标点处于该二维空间模型内，采用二维坐标表示车辆所处位置和目标点位置，构建车辆和目标点之间的引力场并计算目标点对车辆的引力，具体步骤如下：
21、步骤1.1，获取当前车辆所处位置及目标点位置；
22、车辆和目标点的位置由二维坐标表示，即：
23、车辆所处位置为：xvector＝(xvector,yvector)t；
24、目标点位置为：xgoal＝(xgoal,ygoal)t；
25、其中，(xvector,yvector)代表车辆所处位置坐标点的矩阵，(xgoal,ygoal)代表目标点位置车辆所处位置矩阵，t代表矩阵转置；
26、通过导航系统获取车辆所处位置信息并将车辆所处位置信息转化为二维空间模型中车辆的坐标，根据执行的任务确定目标点位置，导航系统将目标点位置转化为二维空间模型中目标点的坐标；
27、步骤1.2，根据车辆和目标点的相对位置计算引力场函数；
28、车辆及目标点存在引力关系，二者形成引力场，基于该引力场计算引力场函数：
29、
30、其中，kattraction为引力场系数，表示引力的强度，d(xvector,xgoal)为车辆与目标点之间的欧式距离，公式如下：
31、
32、步骤1.3，根据引力场函数计算目标点对车辆的引力；
33、通过对引力场取梯度计算车辆受到的引力，梯度方向即为引力的方向，目标点对车辆的引力为：
34、
35、其中，为引力场梯度，为引力场梯度的反方向，根据引力场函数，带入车辆所处位置坐标和目标点位置坐标后计算出目标点对车辆的引力fattraction(x)。
36、进一步地，步骤2中，将障碍物简化为二维空间模型中的一个点，采用二维坐标表示障碍物位置，构建车辆和障碍物之间的斥力场并计算障碍物对车辆的斥力的具体步骤如下：
37、步骤2.1，获取当前车辆所处位置及障碍物位置；
38、障碍物的位置由二维坐标表示，即：
39、障碍物位置为：xobstacle＝(xobstacle，yobstacle)t；
40、根据步骤1可知车辆所处位置为：xvector＝(xvector，yvector)t；
41、其中，(xobstacle，yobstacle)代表障碍物位置坐标点的矩阵；
42、通过车辆上的传感器获取障碍物位置信息，导航系统将障碍物位置信息转化为二维空间模型中障碍物的坐标；
43、步骤2.2，根据车辆和障碍物的相对位置计算斥力场函数；
44、车辆及障碍物本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种融合车辆运动模型的人工势场路径规划方法，该方法用于车辆的导航系统，车辆上装有传感器，其特征在于，该方法包括：
2.如权利要求1所述的融合车辆运动模型的人工势场路径规划方法，其特征在于，所述步骤5.1中，车辆的最大转向角度为：
3.如权利要求2所述的融合车辆运动模型的人工势场路径规划方法，其特征在于，所述步骤5.2中，根据当前获得的车辆的势能确定势能方向改变原来的势能方向将最大转向角度θmax应用于原来的势能方向并获得新的势能方向获得新的势能方向的过程如下：
4.如权利要求1所述的融合车辆运动模型的人工势场路径规划方法，其特征在于，所述步骤1中，将车辆和目标点简化为二维空间中的一个点，建立二维空间模型，使车辆和目标点处于该二维空间模型内，采用二维坐标表示车辆所处位置和目标点位置，构建车辆和目标点之间的引力场并计算目标点对车辆的引力，具体步骤如下：
5.如权利要求4所述的融合车辆运动模型的人工势场路径规划方法，其特征在于，所述步骤2中，将障碍物简化为二维空间模型中的一个点，采用二维坐标表示障碍物位置，构建车辆和障碍物之间的斥力场
6.如权利要求5所述的融合车辆运动模型的人工势场路径规划方法，其特征在于，所述步骤2中，二维空间模型中存在多个障碍物，当车辆所处位置的坐标确定后，计算距离在d0范围内的所有障碍物对车辆产生的斥力。
7.如权利要求6所述的融合车辆运动模型的人工势场路径规划方法，其特征在于，所述步骤3中，引力场和斥力场的组合形成人工势场，车辆在人工势场中同时受引力和斥力的作用，车辆的势能为车辆所受到的引力与斥力的叠加，即：
8.如权利要求1所述的融合车辆运动模型的人工势场路径规划方法，其特征在于，所述步骤4中，在导航系统中设置用于判断车辆是否存在陷入障碍物风险的阈值，并设置车辆行驶的步长，车辆每次行驶一个步长后进行一次势能计算，根据车辆势能计算出势能值，统计连续三次计算获得的势能值，当连续三次统计的势能值均小于阈值时，判定车辆存在陷入障碍物的风险。
9.如权利要求1所述的融合车辆运动模型的人工势场路径规划方法，其特征在于，所述步骤6中，当导航系统检测到车辆到达目标点时，结束路径规划，车辆结束行驶；当导航系统检测到车辆未到达目标点时，导航系统根据当前计算所得的车辆的势能确定车辆行驶的方向，即将势能方向作为导航控制指令，并根据该导航控制指令驱动车辆行驶。
...【技术特征摘要】
1.一种融合车辆运动模型的人工势场路径规划方法，该方法用于车辆的导航系统，车辆上装有传感器，其特征在于，该方法包括：
2.如权利要求1所述的融合车辆运动模型的人工势场路径规划方法，其特征在于，所述步骤5.1中，车辆的最大转向角度为：
3.如权利要求2所述的融合车辆运动模型的人工势场路径规划方法，其特征在于，所述步骤5.2中，根据当前获得的车辆的势能确定势能方向改变原来的势能方向将最大转向角度θmax应用于原来的势能方向并获得新的势能方向获得新的势能方向的过程如下：
4.如权利要求1所述的融合车辆运动模型的人工势场路径规划方法，其特征在于，所述步骤1中，将车辆和目标点简化为二维空间中的一个点，建立二维空间模型，使车辆和目标点处于该二维空间模型内，采用二维坐标表示车辆所处位置和目标点位置，构建车辆和目标点之间的引力场并计算目标点对车辆的引力，具体步骤如下：
5.如权利要求4所述的融合车辆运动模型的人工势场路径规划方法，其特征在于，所述步骤2中，将障碍物简化为二维空间模型中的一个点，采用二维坐标表示障碍物位置，构建车辆和障碍物之间的斥力场并计算障碍物对车辆的斥力的具体步骤如下：
6.如权利要求5所...
【专利技术属性】
技术研发人员：史潇天，姚萌，
申请(专利权)人：华中光电技术研究所中国船舶集团有限公司第七一七研究所，
类型：发明
国别省市：
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