[發明專利]基于車輛運動模型的無人車輛野外路徑規劃方法

在審

• 申請號: 201710865274.0
• 申請日: 2017-09-22
• 公開（公告）號: CN107479558A
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 朱會杰;邵立福;曹有輝;劉飛;傅幸民;宣惠平;王煥坤;卞斌華;陳高杰
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍63983部隊
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 總裝工程兵科研一所專利服務中心32002
• 代理人: 張婉

技術領域

本發明涉及無人駕駛技術領域，尤其是一種基于車輛運動模型的無人車輛野外路徑規劃方法。

背景技術

路徑規劃是無人駕駛的關鍵技術之一，在野外場地行駛時，往往沒有既定的道路，車輛按照預定的航向進行行駛。行駛過程中不可避免會遇到各種各樣無法通過的障礙，這時車輛需要根據外界環境信息自動規劃一條可行駛路徑，該路徑的終點要落在既定的航線上，同時車輛的航向也要與既定航向一致。這本質上是一個優化問題，限制條件包括車輛不能碰觸障礙，車輛行駛要滿足車輛最小轉彎半徑、轉彎速度等車輛運動學要求，車輛最終既要落在既定航線上，也要滿足航向要求，優化條件要求車輛行駛最短的路程，盡快完成路徑規劃任務。

車輛完成路徑規劃之后，車輛實際行駛過程中將進入路徑跟蹤階段，會將規劃路徑劃分為不同的線段，不斷調整車輛航向角，準確駛向規劃路徑中的目標點，最終達到規劃的終點與航向。路徑規劃就是要在滿足可行駛的條件下，使用最小的行駛路程，同時也要考慮到路徑跟蹤問題，考慮車輛運動學和自身轉向角、轉向調節速度限制，能夠采取可行、簡潔的控制行駛方案。

現有的路徑規劃方案比如A*算法采用柵格地圖，但柵格劃分稀疏會降低精確度，過密又會導致計算量太大。有些路徑規劃方法沒有考慮車輛的最小轉彎半徑，或者是考慮了轉彎半徑但沒有考慮車輛的轉向角變化速度。另外一些方案的路徑規劃和路徑跟蹤是完全分開考慮的，僅考慮了路徑規劃的路線，這又會增加路徑跟蹤的計算量和難度。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一個野外環境下無人車輛的路徑規劃方案，該方案能夠保證車輛不碰觸障礙，滿足車輛的最小轉彎半徑和轉向角變化速度要求，用盡量小的行駛路程到達行駛地點并滿足航向要求，同時為路徑跟蹤提供指導。

為解決上述技術問題，本發明通過以下技術方案實現，包括以下步驟：

步驟一，建立環境三維地圖

根據傳感器獲取的信息進行初步處理，刪除噪點，對臨近障礙進行合并、膨脹，最終確定障礙Obs_i(i＝1,2,3…)，每個Obs_i包含了該區域中的離散點坐標，確定起點S_pos，在目標航線上，按照目標航線的方向以地圖最遠處為起點向地圖內延伸，直到碰觸到障礙物為止，該線段定義為目標航線段；

步驟二，定義車輛行駛模型

車輛在行駛中有以下假設：每個控制周期與行駛速度為固定，因此在該控制周期車輛行駛距離為C，車輛行駛時，在每個控制周期內，車輛轉向角可以變化的最大值為S_angle，為了簡化計算，將車輪轉向角變化值離散為N個角度Δ_angle_i(i＝1,2,3…N)，在最小轉彎半徑下，車輛的轉彎角度最大，為Angle_range，在一個控制周期內，車輪的轉動變化值Δ_angle_i要小于S_angle，車輛當前轉向角為Angle，那么車輛的實際轉向角-Angle_range≤Angle+Δ_angle_i≤Angle_range，定義開集Open_set，每一個位置對應一個向量，該向量包括車輛中心位置，航向向量，上一個控制周期的車輛中心位置，車輛當前狀態下的車輪轉角，從起點到當前位置所行駛的路程Cost，啟發性值H，總代價Value＝Cost+H，啟發性信息一般為車輛當前位置與目標點的距離，為了保證航線一致，這里可以選用車頭與目標航線段的距離以及車尾與目標航線段距離之和，對各個參數進行初始化，其中將起點及其對應參數加入開集；

車輛是否可以通行，不僅要考慮轉向角的問題，還要考慮是否觸碰障礙，是否觸碰障礙包括兩種計算：(1)如果在當前控制周期內碰觸障礙，該路線肯定不可通行；(2)如果行駛到新的位置后，即使在所有可以變化的轉向角范圍內，車輛仍然會碰觸到障礙，那么該點也屬于不可通行，此外，還要判斷新的位置是否有可能到達目標航線上，如果在新的位置，即使在最大的轉向角時，車輛仍然無法到達目標航線段，則也判斷為不可通行；

步驟三，車輛按控制周期行駛

按下面內容進行迭代循環：

(1)尋找Open_set中總代價Value最小的向量，所對應的車輛中心位置為車輛當前位置，第一次迭代時，當前位置為起點位置。閉集Closed_set為空；

(2)遍歷i＝1,2,3…N：