[發明專利]一種基于流場的無人車路徑規劃方法

有效

• 申請號: 201711144695.0
• 申請日: 2017-11-17
• 公開（公告）號: CN108106623B
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 宋夢譞;王南;王峻
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01C21/34
• 分類號: G01C21/34;G01C21/20
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 趙繼明

1.一種基于流場的無人車路徑規劃方法，其特征在于，包括以下步驟：

根據車輛的起點、終點和環境中的障礙物，建立流場計算模型；

以前輪轉角為輸入量，坐標和航向角為狀態量，建立車輛運動學模型；

采用車輛運動學模型作為滾動方程，求解流場的滾動時域優化問題，將流場速度向量分布作為路徑規劃的引導信息，得到規劃路徑，其中，優化量為前輪轉角，優化目標包括車輛運動和流場運動達到一致以及車輛運動過程中不與障礙物發生碰撞，約束條件為前輪轉角不超過方向盤最大轉角；

根據車輛運動學模型和車身幾何量，計算得到車身上任意點速度與車后軸中心點速度之間的關系，根據流場的速度分布和車身的速度分布之間的差異，描述車輛運動和流場運動的差異量，通過最小化差異量，使車輛運動和流場運動達到一致；

所述的流場為分層流場；

所述的流場計算模型中，流體為不可壓縮流體；

所述的流場計算模型中，流體物性為常數；

所述的流場計算模型中，流體重力為零；

所述流場的控制方程為：

其中，u是速度向量，ρ是流體密度，μ是分子粘度；

所述的流場計算模型中，流場的入口為車輛起點的正后方，入口流速為10^-5m/s，分子粘度μ為17.9×10^-6Pa·s，流體密度ρ為1.293g/L，流場速度方向平行于墻，指向求解區域，目標點前設置壁面為完全出口，所有墻壁被設置為光滑，最終生成流場作為下一步搜索路徑的參考信息；

所述的車輛運動學模型滿足以下運動學方程：

其中，x、y分別是以車后軸中心點為原點建立的坐標系下的橫向和縱向的坐標，θ是車身相對于x軸的航向角，v和δ分別為車后軸中心點速度和前輪轉角，l是前軸與后軸之間的距離，分別對應x、y、θ的一階導數；

所述的滾動時域優化問題采用SQP方法進行優化；

所述的滾動時域優化問題中，流場速度向量分布采用fluent軟件，依據N-S方程計算得到；

所述優化目標為：

其中|δ|≤δ_max，F_a為車輛運動與流場運動的一致性參數，F_c為車輛運動過程中與障礙物的碰撞懲罰項，δ指方向盤轉角，δmax指最大方向盤轉角，F為總的優化目標，優化量為δ；

車輛運動與流場運動的一致性參數具體為：

其中，是指C點處車身速度方向，是指流場速度方向，兩者都是向量，向量間的夾角表示在C點兩者的差異，C點是車身范圍內的任意一點，Ω_t即指t時刻車身范圍，N_t是指Ω_t內點的個數，這里取所有差異量的均值，所以要除以N_t；

車輛運動過程中與障礙物的碰撞懲罰項具體為：表征當車輛被輸入方向盤轉角時，預測以此方向盤轉角運動，車輛是否會與障礙物發生碰撞，數學表達式為：

滾動時域優化中更新車輛位置過程具體為：依據車輛模型，輸入方向盤轉角和恒定速度，推算出在此輸入下，下一時刻車輛的各個狀態：

其中，d為一個時間單位內向前移動的距離。