一种基于三维激光雷达的无人车自主超车轨迹规划系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于三维激光雷达的无人车自主超车轨迹规划系统，该系统包括由环境感知单元和车速获取单元组成的数据采集单元，其信号输出端与数据处理单元相连，数据处理单元信号输出端与超车行为决策单元相连，超车行为决策单元与超车轨迹规划单元相连，超车轨迹规划单元与驾驶舱显示屏相连，驾驶舱显示屏用于显示轨迹规划单元生成的超车轨迹。与现有技术相比，本发明专利技术基于人类驾驶员的超车习惯，充分考虑前车几何尺寸与运动状态对本车超车意图和轨迹规划的影响，择取最优超车轨迹，有效避免超车事故的发生，适宜推广使用。

An Autonomous Overtaking Trajectory Planning System for Unmanned Vehicles Based on Three-dimensional Lidar

【技术实现步骤摘要】
一种基于三维激光雷达的无人车自主超车轨迹规划系统
本专利技术涉及智能驾驶与主动安全领域，尤其是涉及一种基于三维激光雷达的无人车自主超车轨迹规划系统。
技术介绍
超车是车辆行驶过程中常见的驾驶行为，相关统计显示，每年因超车引发的道路交通事故约占事故总数的20％，其中大多数事故都是人为因素导致。超车过程中，人类驾驶员由于自身感知能力的局限性难以准确获取周围行车环境信息，未能合理地规划超车轨迹，从而引发交通事故。无人车通过车载感知传感器能够获取丰富的环境信息，并结合本车与周围车辆行驶状况变化实时规划出安全的行车轨迹。申请号为201810337901.8，专利技术创造名称为“一种结构化道路的智能车辆平滑轨迹规划方法”的专利技术专利通过传感器检测本车当前行驶车道前方是否有车辆，以碰撞时间为超车条件，在满足超车条件的前提下检测目标车道车辆的行驶状态，建立局部栅格地图并规划所有可能的轨迹，最后进行轨迹评价和最优轨迹筛选；申请号为201410815266.1，专利技术创造名称为“一种汽车智能超车方法及系统”的专利技术专利通过毫米波雷达探测周围车辆情况判断是否满足超车条件，利用在线预测算法预测待超越前车的轨迹，生成本车初始超车轨迹，并根据实时获取的待超越前车位置信号进行超车轨迹修正。然而，上述两个专利技术专利虽然制定了超车条件，并且能够动态生成超车轨迹，但忽略了人类驾驶员的超车习惯与行车意图，同时均未考虑前车几何尺寸对超车轨迹规划的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决现有技术的不足，提供一种无人车自动超车轨迹规划方法，根据本车运动状态信息、人类驾驶员的超车意图和三维激光雷达感知到的前车状态信息，生成可靠性高的最优超车轨迹，保障行车安全。为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案予以实现：一种基于三维激光雷达的无人车自主超车轨迹规划系统，包括由环境感知单元和车速获取单元组成的数据采集单元，其信号输出端与数据处理单元相连，数据处理单元信号输出端与超车行为决策单元相连，超车行为决策单元与超车轨迹规划单元相连，超车轨迹规划单元与驾驶舱显示屏相连，驾驶舱显示屏用于显示轨迹规划单元生成的超车轨迹。优选地，所述环境感知单元为三维激光雷达传感器，采用Velodyne16线三维激光雷达，扫描频率为10Hz，扫描距离范围为0.03m～100m，安装在车顶中央位置；所述车速获取单元为轮速传感器，采用W221轮速传感器，固定安装在车辆前车轮的转向节上；所述数据处理单元包括点云处理模块和超车意图模块；所述数据处理单元、超车行为决策单元和超车轨迹规划单元嵌入在车载工控机内，车载工控机固定安装在车辆后备箱内；所述驾驶舱显示屏采用11寸液晶显示屏。优选地，所述数据采集单元采集的本车速度信息以及前车信息包括：前车与本车间的相对速度、相对距离、前车车体几何尺寸信息、车速度与加速度；所述超车行为决策单元在无人驾驶状态下，根据超车意图模型判断是否生成超车意图；若生成超车意图，则判断当前时刻前车与本车的相对运动状态是否满足超车条件，如果满足则在驾驶舱显示屏上显示“当前路况适宜超车”；超车轨迹规划单元根据本车速度信息、前车信息，生成满足防侧滑约束、横向位置约束、并行超越时间约束和乘客舒适性约束的超车轨迹，并根据前车状态变化实时更新超车轨迹。优选地，所述超车意图模型建立的过程为：(1)数据采集及预处理实时采集本车速度、前车宽度、前车长度、本车与前车间的纵向相对距离、横向相对距离、前车速度，并经处理计算得到本车加速度、本车加速度变化率、前车加速度及前车加速度变化率。(2)特征参数选取构建超车意图模型的特征向量：x＝[vego,aego,jego,Wf,dlon,dlat,vfront,afront,jfront]其中，vego为本车速度、aego为加速度、jego为加速度变化率，Wf为前车宽度，dlon为本车与前车间的纵向相对距离、dlat为横向相对距离，vfront为前车速度、afront为加速度、jfront为加速度变化率；(3)超车意图模型建立与训练选取人工驾驶状态下跟车过程数据进行归一化处理，构建历史超车行为样本库，采用径向基函数作为核函数进行支持向量机建模，利用网格寻优确定惩罚因子c和核函数参数γ，建立基于SVM的超车意图模型；随机选取样本库中60％的样本作为训练集，40％的样本作为测试集。优选地，所述超车条件的判断方法为：根据前车的位置和速度，计算得到本车距前车的碰撞时间TTC:式中：dlon为本车与前车间的纵向相对距离；将TTC与预设的阈值进行比较，若TTC大于或等于阈值，则满足超车条件；否则，不满足超车条件。优选地，所述根据前车与本车的相对运动状态信息生成满足防侧滑约束、横向位置约束、并行超越时间约束和乘客舒适性约束的超车轨迹，具体方法为：假设超车意图产生时刻为初始时刻t0，以t0时刻本车位置为原点建立笛卡尔坐标系，将t0时刻本车的运动方向作为x轴正方向，x轴法线方向设为y轴，设定车辆沿x轴运动为纵向运动，沿y轴运动为横向运动，偏航角α为本车运动方向与x轴正方向夹角；构建基于三阶贝塞尔曲线的超车轨迹参数方程：式中：P0为超车起始点，P1和P2为贝塞尔曲线控制点，P3为前半段换道终止点，tm为本车运动至P3点所需时间，t∈(0，tm)；将上述四点坐标P0(0,0)、P1(a1，0)、P2(a2，a3)、P3(a4，d)代入上述轨迹参数方程中，得到本车超车轨迹的纵向与横向表达式：构造代价函数求解时间tm和纵向位移a4：式中：ax为任一时刻本车的纵向加速度。超车轨迹规划的代价函数应满足防侧滑约束、横向位置约束、并行超越时间约束和乘客舒适性约束，具体如下：(1)防侧滑约束：式中：vmax(k)为本车允许行驶的最大速度，k为车辆行驶轨迹的曲率，μ为本车轮胎摩擦系数，L为本车轴距；(2)横向位置约束：式中：y(t)为本车横向位移，d为车道宽度，α为本车偏航角，Le为本车长度；(3)并行超越时间约束：式中：Le为本车长度，Lf为前车长度；(4)乘客舒适性约束：式中：ax为本车纵向加速度，axmax为最大纵向加速度；ay为本车横向加速度，aymax为最大横向加速度；jx为本车纵向加速度变化率，jxmax为最大纵向加速度变化率；jy为本车横向加速度变化率，jymax为最大横向加速度变化率；采用差分进化算法对时间tm和纵向位移a4分别进行求解，通过变异、交叉、选择，从而确定未知参数tm、a4的取值，得到最优期望超车轨迹。本专利技术的有益效果：与以往技术相比，本专利技术采用人类驾驶员历史超车数据构建超车意图模型，能使无人车在真实路况下的超车操作很好地接近人类驾驶员的超车习惯；在不依赖任何车载通信设备的情况下，选用三维激光雷达传感器准确获取前车尺寸信息与运动状态信息，并在超车轨迹规划的约束条件中考虑前车尺寸因素的影响，构建防侧滑约束、横向位置约束、并行超越时间约束和乘客舒适性约束，实时动态更新最优超车轨迹，充分保证超车过程的安全性与可靠性。附图说明图1为本专利技术的系统结构框图；图2为本专利技术的技术路线流程图；图3为本专利技术的超车轨迹示意图；图4为本专利技术的超车临界碰撞时刻示意图；具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本实施例采用配备有Velodyne16线三维激光雷达、W22本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三维激光雷达的无人车自主超车轨迹规划系统，其特征在于：包括由环境感知单元和车速获取单元组成的数据采集单元，其信号输出端与数据处理单元相连，数据处理单元信号输出端与超车行为决策单元相连，超车行为决策单元与超车轨迹规划单元相连，超车轨迹规划单元与驾驶舱显示屏相连，驾驶舱显示屏用于显示轨迹规划单元生成的超车轨迹。

【技术特征摘要】
1.一种基于三维激光雷达的无人车自主超车轨迹规划系统，其特征在于：包括由环境感知单元和车速获取单元组成的数据采集单元，其信号输出端与数据处理单元相连，数据处理单元信号输出端与超车行为决策单元相连，超车行为决策单元与超车轨迹规划单元相连，超车轨迹规划单元与驾驶舱显示屏相连，驾驶舱显示屏用于显示轨迹规划单元生成的超车轨迹。2.根据权利要求1所述的一种基于三维激光雷达的无人车自主超车轨迹规划系统，其特征在于：所述环境感知单元为三维激光雷达传感器，采用Velodyne16线三维激光雷达，扫描频率为10Hz，扫描距离范围为0.03m～100m，安装在车顶中央位置；所述车速获取单元为轮速传感器，采用W221轮速传感器，固定安装在车辆前车轮的转向节上；所述数据处理单元包括点云处理模块和超车意图模块；所述数据处理单元、超车行为决策单元和超车轨迹规划单元嵌入在车载工控机内，车载工控机固定安装在车辆后备箱内；所述驾驶舱显示屏采用11寸液晶显示屏。3.根据权利要求1和2中所述的一种基于三维激光雷达的无人车自主超车轨迹规划系统，其特征在于，所述数据采集单元采集的本车速度信息以及前车信息包括：前车与本车间的相对速度、相对距离、前车车体几何尺寸信息、车速度与加速度；所述超车行为决策单元在无人驾驶状态下，根据超车意图模型判断是否生成超车意图；若生成超车意图，则判断当前时刻前车与本车的相对运动状态是否满足超车条件，如果满足则在驾驶舱显示屏上显示“当前路况适宜超车”；超车轨迹规划单元根据本车速度信息、前车信息，生成满足防侧滑约束、横向位置约束、并行超越时间约束和乘客舒适性约束的超车轨迹，并根据前车状态变化实时更新超车轨迹。4.根据权利要求3所述的一种基于三维激光雷达的无人车自主超车轨迹规划系统，其特征在于，所述超车意图模型建立的过程为：(1)数据采集及预处理实时采集本车速度、前车宽度、前车长度、本车与前车间的纵向相对距离、横向相对距离、前车速度，并经处理计算得到本车加速度、本车加速度变化率、前车加速度及前车加速度变化率。(2)特征参数选取构建超车意图模型的特征向量：x＝[vego,aego,jego,Wf,dlon,dlat,vfront,afront,jfront]其中，vego为本车速度、aego为加速度、jego为加速度变化率，Wf为前车宽度，dlon为本车与前车间的纵向相对距离、dlat为横向相对距离，vfront为前车速度、afront为加速度、jfront为加速度变化率；(3)超车意图模型建立与训练...

【专利技术属性】
技术研发人员：张名芳，李华建，王力，王庞伟，闫佳庆，龚博，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11