一种基于避障路径规划的无人车自适应调头控制算法制造技术

本发明专利技术公开了一种基于避障路径规划的无人车自适应调头控制算法，属于自动化驾驶领域，包括以下步骤：标定无人车行驶场地与障碍物，定义无人车控制点和解空间；将调头过程中可分为直线行驶阶段和调头转弯阶段，将在无人车调头过程分三个阶段；提出控制算法；使用Euler法计算无人车调头路径规划轨迹；使用Matlab进行无人车的调头行驶路径的模拟仿真实验。本发明专利技术引入了两个函数变量，约束无人车前轮的转动角度；约束无人车在行驶过程中的速度变化，提出了基于避障路径规划的无人车自适应调头控制算法；能够在自动驾驶领域中无人车进行障碍物规避且完成调头任务中有较好的表现力，且证明了本发明专利技术公开的方法的可行性与实用性。用性。用性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于避障路径规划的无人车自适应调头控制算法


[0001]本专利技术属于自动化驾驶领域，具体涉及一种基于避障路径规划的无人车自适应调头控制算法。

技术介绍

[0002]人工智能技术开拓了一个崭新的时代，而自动驾驶是人工智能在汽车行业与交通领域的延伸与应用。现如今世界上许多国家都在积极进行智能车辆的研究和开发设计，然而无人车所带来的安全隐患也不可小觑。
[0003]在自动驾驶领域中，无人车的自主避障技术还有很大的发展空间，而路径规划问题是无人车避障研究中一个最为基本和关键的问题，在无人车的众多路径规划任务中，完成避障和调头任务只是其中的一部分，按照无人车所掌握的地理数据和障碍物的不同，对已知环境信息的静态障碍物进行避障路径规划已经成为各研究者的研究热点，特别是在无人车进行转弯、调头等操作时所带来的安全问题也激发了各个相关领域的研究者们的思考，在避障的同时还要不压车道线且完成调头任务的问题上仍然存在一定的困难，因此解决此问题使无人车行驶至目标领域对无人车的安全问题，路径规划问题具有重大意义。
[0004]为确保无人车的安全行驶，使得能够实现车道线的跟随以及避开障碍物，其转向角和车速生成的安全且平缓的行车轨迹格外重要。因此在结合无人车的位置坐标、方向角、曲率、曲率变化率、速度、加速度及运动到此点时的时间等关键参数，从而使用一种基于无人车避障路径规划的自适应车辆调头控制算法预测安全的行驶轨迹十分重要。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术的不足：在避障的同时还要不压车道线且完成调头任务的问题上存在一定的困难，本专利技术提出了一种基于避障路径规划的无人车自适应调头控制算法来实现无人车在调头过程中规避障碍物的安全行驶。
[0006]本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种基于避障路径规划的无人车自适应调头控制算法，包括以下步骤：
[0008]S1：标定无人车行驶场地与障碍物，定义无人车控制点和解空间；
[0009]S2：将无人车调头的过程划分为直线行驶阶段和调头转弯阶段，将在无人车调头过程中划分为三个阶段来简化模型；
[0010]S3：提出基于避障路径规划的无人车自适应调头控制算法；
[0011]S4：结合基于避障路径规划的无人车自适应调头控制算法，使用欧拉法对无人车的直线行驶阶段和调头转弯阶段计算无人车调头路径规划轨迹；
[0012]S5：进行模拟仿真实验。
[0013]进一步地，在S1中，包括以下步骤：
[0014]标定无人车行驶场地与障碍物，无人车行驶场地测距，以无人车的控制点为原点，确定场地范围的四个坐标点、障碍物的四个坐标点、外车道线的两个坐标点、内车道线的两
个坐标点；
[0015]选取控制点，将无人车的两个前轮看作一个整体，连接两个前车轮的轴心，然然后取两点的中心点位于A点，将两个后轮看作一个整体，连接两个后车轮的轴心，取两点的中心点位于B点，取AB两点对称轴方向的中间点，将其令为C点，作为无人车的控制点；
[0016]定义解空间，根据障碍物和边界约束，将无人车安全轨迹限制在空间集合S中，将空间分为三个矩形部分s1,s2,s3，解空间S满足：
[0017][0018]s
i
＝{(x,y)|a
i
<x<b
i
,c
i
<y<d
i
}。
[0019]进一步地：在S2中，包括以下步骤：
[0020]在直线行驶过程无人车以不超过3m/s的加速度行驶；
[0021]将无人车调头转弯过程视为U型，在调头过程中总共分为Ι、ΙΙ、ΙΙΙ阶段；
[0022]在Ι阶段，无人车直线行驶达到速度v0开始进行方向盘的旋转；
[0023]在ΙΙ阶段，无人车的前轮以可变的角度行驶，直到无人车方向盘的可转动角度达到条件状态；
[0024]在ΙΙΙ阶段方向盘的转速达到极限状态时即方向盘回正的同时车身转至指定角度完成调头。
[0025]进一步地：在S3中，包括以下步骤：
[0026]在无人车调头过程中的第I阶段，将无人车调头行驶简化后无人车的调头轨迹呈现U形，在这个过程中考虑两个角度的变化，其中δ
fmax
表示无人车前轮偏角达到的最大角度，Δδ
f
表示前轮偏角的变化量，ψ
i
(i＝1,2,3)表示无人车第i阶段的ψ的偏移角度，即车身的偏角；
[0027]由正弦法则可列等式：
[0028][0029]展开后有：
[0030][0031]联立后有：
[0032][0033]由于无人车在调头行驶的整个过程中都是匀速行驶的，则设无人车的方向变化率等于车辆的角速度，则车辆的角速度有最后可得：
[0034][0035]设方向盘的角速度为ω
D
，因为方向盘与前轮转角的传动比为16:1，则前轮摆动的角速度ω＝ω
D
/16/180*π,由于在速度保持匀速的前提条件下打方向盘的速度越小其转弯的弧度越大，即无人车在调头过程中的弯道半径越大，则引入控制无人车前轮的角速度的
可变函数控制无人车加速度的可变函数用这两个函数以此实现无人车在调头过程中自主变化方向与加速度实现路径规划完成调头任务；
[0036]得到基于避障路径规划的无人车自适应调头控制算法，其中(x
n
,y
n
)表示无人车的调头轨迹：
[0037][0038]在无人车调头过程中的第II阶段，由于规定方向盘最大转角为470
°
，且方向盘与前轮转角的传动比为16:1，因此前轮转角的最大角度为29.375
°
,当前轮转动角度达到最大时即δ
f
＝δ
fmax
则进入第二阶段，此时δ
f
＝δ
max
,,第II阶段模型有为：
[0039][0040]在无人车调头过程中的第III阶段，定义第I阶段、第II阶段、第III阶段的航向角偏移量为ψ1、ψ2、ψ3，为了控制在弯道后无人车沿垂直驶出，控制在第三阶段方向盘回正后航向角偏移量恰好为180
°
，即：
[0041]ψ1+ψ2+ψ3＝180
°
[0042]第一阶段和第三阶段由于前轮转角的角速度恒定，且速度v恒定，可以得出：
[0043]ψ2＝180
°‑
(ψ1+ψ3)
[0044]即第二阶段仿真时保证ψ2达到该值时，则停止迭代，进入第三阶段，第II阶段模型为：
[0045][0046]在第I阶段初无人车前车轮的偏角为δ
f0
＝0，在第II阶段无人车前车轮的偏角始终保持为δ
f1
＝δ
fmax
，在第III阶段开始回方向盘,无人车前车轮的偏角由本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于避障路径规划的无人车自适应调头控制算法，其特征在于：包括以下步骤：S1：标定无人车行驶场地与障碍物，定义无人车控制点和解空间；S2：将无人车调头的过程划分为直线行驶阶段和调头转弯阶段，将在无人车调头过程中划分为三个阶段来简化模型；S3：提出基于避障路径规划的无人车自适应调头控制算法；S4：结合基于避障路径规划的无人车自适应调头控制算法，使用欧拉法对无人车的直线行驶阶段和调头转弯阶段计算无人车调头路径规划轨迹；S5：进行模拟仿真实验。2.根据权利要求1所述的一种基于避障路径规划的无人车自适应调头控制算法，其特征在于：在S1中，包括以下步骤：标定无人车行驶场地与障碍物，无人车行驶场地测距，以无人车的控制点为原点，确定场地范围的四个坐标点、障碍物的四个坐标点、外车道线的两个坐标点、内车道线的两个坐标点；选取控制点，将无人车的两个前轮看作一个整体，连接两个前车轮的轴心，然然后取两点的中心点位于A点，将两个后轮看作一个整体，连接两个后车轮的轴心，取两点的中心点位于B点，取AB两点对称轴方向的中间点，将其令为C点，作为无人车的控制点；定义解空间，根据障碍物和边界约束，将无人车安全轨迹限制在空间集合S中，将空间分为三个矩形部分s1,s2,s3，解空间S满足：s
i
＝{(x,y)|a
i
<x<b
i
,c
i
<y<d
i
}。3.根据权利要求1所述的一种基于避障路径规划的无人车自适应调头控制算法，其特征在于：在S2中，包括以下步骤：在直线行驶过程无人车以不超过3m/s的加速度行驶；将无人车调头转弯过程视为U型，在调头过程中总共分为Ι、ΙΙ、ΙΙΙ阶段；在Ι阶段，无人车直线行驶达到速度v0开始进行方向盘的旋转；在ΙΙ阶段，无人车的前轮以可变的角度行驶，直到无人车方向盘的可转动角度达到条件状态；在ΙΙΙ阶段方向盘的转速达到极限状态时即方向盘回正的同时车身转至指定角度完成调头。4.根据权利要求1所述的一种基于避障路径规划的无人车自适应调头控制算法，其特征在于：在S3中，包括以下步骤：在无人车调头过程中的第I阶段，将无人车调头行驶简化后无人车的调头轨迹呈现U形，在这个过程中考虑两个角度的变化，其中δ
fmax
表示无人车前轮偏角达到的最大角度，Δδ
f
表示前轮偏角的变化量，ψ
i
(i＝1,2,3)表示无人车第i阶段的ψ的偏移角度，即车身的偏角；由正弦法则可列等式：
展开后有：联立后有：由于无人车在调头行驶的整个过程中都是匀速...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫河，王潇棠，张烨，南浩宇，张洋，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：