自主驾驶车辆行驶过程的软件仿真方法技术

本发明专利技术涉及一种自主驾驶车辆行驶过程的软件仿真方法，可在一台视窗操作系统的计算机上进行自主驾驶车辆行驶过程的仿真。本发明专利技术首先选取了合适的状态变量和期望轨迹的描述形式，接着建立图形显示界面并显示期望轨迹和初始状态下的车辆的平面图，然后反复执行预瞄偏差求取、前轮转角控制量求取、状态变量刷新和图形显示刷新这一系列的步骤。本发明专利技术避免了实际自主驾驶车辆实验调试过程中可能存在的安全问题，无需使用任何外接设备，实现简便，并能较好地仿真自主驾驶车辆的行驶过程，对相关科技人员进行实际自主驾驶车辆实验调试起到指导作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，可以在一台视窗操 作系统的计算机上进行自主驾驶车辆行驶过程的仿真，对相关科技人员进行实 际自主驾驶车辆实验调试起到指导作用。技术背景汽车是现代社会最为有效、使用最为广泛的交通工具之一，是维持人们正常 生活工作所不可或缺的一部分，而且，随着社会的不断发展，越来越多的汽车 走进了人们的视野。然而，汽车的大量涌现，无论是公共客车，货车，还是越 来越多的私家小轿车，给交通效率、交通安全以及环境保护带来了更多的挑战。 日益频繁的交通堵塞和交通事故，严重影响到人们日常生活的方便和工作的效 率，甚至危害到人们的生命安全。此外，排放的汽车尾气，尤其是交通堵塞时 大量排放的汽车尾气，会加剧温室效应，污染环境，进而损害人们身体健康。针对这些问题，人们采取了不少措施。如通过监测并管制客车司机的驾驶时 间来减少甚至消除客车司机疲劳载客情况的发生；大力发展并鼓励人们多乘用 公共交通；多修建公路等基础设施。诸如此类的管理层面上的方法在一定程度 上缓解了严重的交通问题，但无法从根本上解决人为因素造成的交通问题。此 外，采用更多的公共交通来提高交通效率的措施还限制了人们使用交通的自由 程度。基于这些不足，发展技术层面上的措施，如能从根本上将人为不良因素 排除在外的自主驾驶车辆(或称智能车辆、无人驾驶车辆)以及更进一步的智 能交通系统颇受人们青睐。自主驾驶车辆的研究工作得到了不少国家的重视，有的国家在几十年前就已 经开展了相关的研究工作。我国对无人驾驶车辆的研究起步较晚，不过目前已 有部分高校研究并制作出了或运行于城市环境、或驰骋于高速公路的自主驾驶 车辆样车(如上海交通大学的CyberC3车，清华大学的THMR-V车，以及吉林大学和国防科大的样车)。自主驾驶的主要工作涉及两方面位姿数据获取和车辆控制。位姿数据获取 是指通过视觉摄像头、激光雷达、磁传感器、超声传感器、红外传感器、陀螺 仪、编码器和GPS等设备获取车辆自身的位姿信息，以及道路、路边树木等外界 环境的位姿信息。车辆控制通常是指利用的所获取的车辆位姿和环境位姿信息 对车辆进行合适的转向控制和速度控制，使车辆尽可能沿一条期望轨迹行驶。这条期望轨迹可以是实际存在的道路标记，如公路中央的白色指引线、道路上 铺设的磁钉、或路两旁的建筑物、墙、树、灌木等，也可以是规划出的一条假 想轨迹。自主驾驶的过程就是反复循环完成上述两方面工作的过程。可见，车 辆控制是实现车辆自主驾驶的重要部分。对于相关科技工作者，要验证某种车辆控制关系式的效果，最直接的方法是 在实际车辆上进行实验。然而，直接在实际车辆上进行实验却有一些不利之处，尤其是在对车辆控制关系式的稳定性还无法确定时，贸然进行实验可能会使车 辆失控，造成人员伤亡和财物损失。因此，在车辆控制关系式设计初期，先通 过软件仿真验证控制关系式的可靠性和表现，方便及时的发现控制关系式中隐藏的问题，以保证进一步实际车辆实验的成功，具有实际应用意义。目前尚未有这样一种公开报导。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出一种自主驾驶车辆行驶过程 的软件仿真方法，实现简便，能较好地仿真自主驾驶车辆的行驶过程，避免实 际自主驾驶车辆实验调试过程中可能存在的安全问题，为有关科技工作者对所 设计的控制关系式的控制效果进行测试提供直接有效的测试手段。为实现这一目的，本专利技术首先选取了合适的状态变量和期望轨迹的描述形 式，接着建立图形显示界面并显示期望轨迹和初始状态下的车辆的平面图，然 后反复执行预瞄偏差求取、前轮转角控制量求取、状态变量刷新和图形显示刷 新这一系列的步骤，实现自主驾驶车辆行驶过程的仿真。本专利技术所述的包括以下具体步骤 第1步，取车辆位置、航向角、前轮转角作为描述自主驾驶车辆行驶过程的状态变量，并设定初始的状态变量值。第2步，通过离散的样点来描述车辆行驶的期望轨迹，即在期望轨迹上每隔 一定间距取一个样点，保存这些样点的位置信息。本专利技术中，样点间距的大小可以根据设计需要灵活确定，间距取得越小，样 点对期望轨迹的逼近能力越强，但保存样点位置信息的存储量也越大。可以根 据需要在逼近能力与存储量间做一个权衡，选择一个合适的间距大小。第3步，建立图形显示界面，利用初始状态变量值和所有样点的位置信息， 将初始状态下的车辆的平面图和所有样点显示出来，并将相邻样点用直线连接； 将初始的状态变量值作为当前控制时刻的状态变量值，进入自主驾驶车辆行驶 过程的仿真过程。第4步，选定一个预瞄距离，将车辆正前方与车辆后两轮中心距离等于预瞄 距离的某点称为预瞄点；利用当前控制时刻的状态变量值和预瞄距离，确定预 瞄点的位置；求取所有样点中与预瞄点距离最近的两个样点，由这两个样点的 位置和预瞄点的位置计算预瞄偏差，即预瞄点与期望轨迹间的间距。第5步，建立反映预瞄偏差和前轮转角控制量间关系的控制关系式，根据该 控制关系式和预瞄偏差计算出前轮转角控制量。值得说明的是，该步中，可根据实际需要采用各种具体的控制关系式，通过 仿真，可以找出能很好地使自主驾驶车辆沿期望轨迹行驶的控制关系式，来作 为实际自主驾驶车辆实验调试时的参考。但无论采用什么样具体的控制关系式， 只要是由预瞄偏差求取前轮转角控制量，均能实现本专利技术。第6步，建立车辆动态模型，导出反映下一控制时刻的状态变量值与当前控 制时刻的状态变量值及前轮转角控制量之间关系的车辆状态动态关系式；根据 当前控制时刻的状态变量值、前轮转角控制量和车辆状态动态关系式计算出下 一控制时刻的状态变量值。第7步，延时等待一段时间，用下一控制时刻的状态变量值刷新车辆在图形 界面中的显示。第8步，将下一控制时刻的状态变量值作为新一轮的当前控制时刻的状态变 量值，回到第4步，进入新一轮的自主驾驶车辆行驶过程的仿真过程。本专利技术避免了实际自主驾驶车辆实验调试过程中可能存在的安全问题，只 需要在一台视窗操作系统的计算机上进行仿真，无需使用任何外接设备，实现 简便，并能较好地仿真自主驾驶车辆的行驶过程，为有关科技工作者对所设计 的控制关系式的控制效果进行测试提供直接有效的测试手段，对相关科技人员 进行实际自主驾驶车辆实验调试起到指导作用。 附图说明图1是图形显示界面中车辆的平面图和车辆行驶的期望轨迹。 图2是自主驾驶车辆行驶过程的仿真示意图。 在图1和图2中，平面坐标系中每单位长度对应实际中的10米。具体实施方式下面将参照附图并结合一个具体实施例进行详细说明，以便对本专利技术的目 的、技术方案有更深入的理解。具体实施步骤说明如下第1步，取车辆位置、航向角、前轮转角作为描述自主驾驶车辆行驶过程的 状态变量，并设定初始的状态变量值。用符号x、 y表示车辆位置(x表示横坐标、y表示纵坐标)，v表示航向角，S 表示前轮转角。x、 y、 V、 S即构成了描述自主驾驶车辆行驶过程的状态变量， 本实施例中，对状态变量赋初值为xi， y=0， V=0， 3=0。第2步，通过离散的样点来描述车辆行驶的期望轨迹，即在期望轨迹上每隔 一定间距取一个样点，保存这些样点的位置信息。本专利技术中采用通过离散的样点来描述期望轨迹的方式。具体做法是，在期望 轨迹上每隔一定间距取一个样点，保存这些样点的位置信息。仿真过程中，期 望轨迹上非样点的位置可以根据样点位置按线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自主驾驶车辆行驶过程的软件仿真方法，其特征在于包括以下步骤：１）取车辆位置、航向角、前轮转角作为描述自主驾驶车辆行驶过程的状态变量，并设定初始的状态变量值；２）通过离散的样点来描述车辆行驶的期望轨迹，即在期望轨迹上每隔一 定间距取一个样点，保存这些样点的位置信息；３）建立图形显示界面，利用初始状态变量值和所有样点的位置信息，将初始状态下的车辆的平面图和所有样点显示出来，并将相邻样点用直线连接；将初始的状态变量值作为当前控制时刻的状态变量值，进入自主驾 驶车辆行驶过程的仿真过程；４）选定一个预瞄距离，将车辆正前方与车辆后两轮中心距离等于预瞄距离的某点称为预瞄点；利用当前控制时刻的状态变量值和预瞄距离，确定预瞄点的位置；求取所有样点中与预瞄点距离最近的两个样点，由这两个样点的位置和预 瞄点的位置计算预瞄偏差，即预瞄点与期望轨迹间的间距；５）建立反映预瞄偏差和前轮转角控制量间关系的控制关系式，根据该控制关系式和预瞄偏差计算出前轮转角控制量；６）建立车辆动态模型，导出反映下一控制时刻的状态变量值与当前控制时刻 的状态变量值及前轮转角控制量之间关系的车辆状态动态关系式；根据当前控制时刻的状态变量值、前轮转角控制量和车辆状态动态关系式计算出下一控制时刻的状态变量值；７）延时等待一段时间，用下一控制时刻的状态变量值刷新车辆在图形界面中的显示；　 　８）将下一控制时刻的状态变量值作为新一轮的当前控制时刻的状态变量值，回到步骤４），进入新一轮的自主驾驶车辆行驶过程的仿真过程。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李颢，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]