[發(fā)明專利]基于車輛運動模型的無人車輛野外路徑規(guī)劃方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710865274.0
• 申請日: 2017-09-22
• 公開（公告）號: CN107479558A
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發(fā)明（設(shè)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(quán)）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(wù)中心32002
• 代理人: 張婉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無人駕駛技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于車輛運動模型的無人車輛野外路徑規(guī)劃方法。

背景技術(shù)

路徑規(guī)劃是無人駕駛的關(guān)鍵技術(shù)之一，在野外場地行駛時，往往沒有既定的道路，車輛按照預(yù)定的航向進(jìn)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(jù)外界環(huán)境信息自動規(guī)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(zhì)上是一個優(yōu)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(zhuǎn)彎半徑、轉(zhuǎn)彎速度等車輛運動學(xué)要求，車輛最終既要落在既定航線上，也要滿足航向要求，優(yōu)化條件要求車輛行駛最短的路程，盡快完成路徑規(guī)劃任務(wù)。

車輛完成路徑規(guī)劃之后，車輛實際行駛過程中將進(jìn)入路徑跟蹤階段，會將規(guī)劃路徑劃分為不同的線段，不斷調(diào)整車輛航向角，準(zhǔn)確駛向規(guī)劃路徑中的目標(biāo)點，最終達(dá)到規(guī)劃的終點與航向。路徑規(guī)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(xué)和自身轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)速度限制，能夠采取可行、簡潔的控制行駛方案。

現(xiàn)有的路徑規(guī)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(dǎo)致計算量太大。有些路徑規(guī)劃方法沒有考慮車輛的最小轉(zhuǎn)彎半徑，或者是考慮了轉(zhuǎn)彎半徑但沒有考慮車輛的轉(zhuǎn)向角變化速度。另外一些方案的路徑規(guī)劃和路徑跟蹤是完全分開考慮的，僅考慮了路徑規(guī)劃的路線，這又會增加路徑跟蹤的計算量和難度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一個野外環(huán)境下無人車輛的路徑規(guī)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(zhuǎn)彎半徑和轉(zhuǎn)向角變化速度要求，用盡量小的行駛路程到達(dá)行駛地點并滿足航向要求，同時為路徑跟蹤提供指導(dǎo)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)，包括以下步驟：

步驟一，建立環(huán)境三維地圖

根據(jù)傳感器獲取的信息進(jìn)行初步處理，刪除噪點，對臨近障礙進(jìn)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(qū)域中的離散點坐標(biāo)，確定起點S_pos，在目標(biāo)航線上，按照目標(biāo)航線的方向以地圖最遠(yuǎn)處為起點向地圖內(nèi)延伸，直到碰觸到障礙物為止，該線段定義為目標(biāo)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(shè)：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(nèi)，車輛轉(zhuǎn)向角可以變化的最大值為S_angle，為了簡化計算，將車輪轉(zhuǎn)向角變化值離散為N個角度Δ_angle_i(i＝1,2,3…N)，在最小轉(zhuǎn)彎半徑下，車輛的轉(zhuǎn)彎角度最大，為Angle_range，在一個控制周期內(nèi)，車輪的轉(zhuǎn)動變化值Δ_angle_i要小于S_angle，車輛當(dāng)前轉(zhuǎn)向角為Angle，那么車輛的實際轉(zhuǎn)向角-Angle_range≤Angle+Δ_angle_i≤Angle_range，定義開集Open_set，每一個位置對應(yīng)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(dāng)前狀態(tài)下的車輪轉(zhuǎn)角，從起點到當(dāng)前位置所行駛的路程Cost，啟發(fā)性值H，總代價Value＝Cost+H，啟發(fā)性信息一般為車輛當(dāng)前位置與目標(biāo)點的距離，為了保證航線一致，這里可以選用車頭與目標(biāo)航線段的距離以及車尾與目標(biāo)航線段距離之和，對各個參數(shù)進(jìn)行初始化，其中將起點及其對應(yīng)參數(shù)加入開集；

車輛是否可以通行，不僅要考慮轉(zhuǎn)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(dāng)前控制周期內(nèi)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(zhuǎn)向角范圍內(nèi)，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(dá)目標(biāo)航線上，如果在新的位置，即使在最大的轉(zhuǎn)向角時，車輛仍然無法到達(dá)目標(biāo)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(nèi)容進(jìn)行迭代循環(huán)：

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

(2)遍歷i＝1,2,3…N：