一种自动驾驶避障换道的快速轨迹规划方法技术

本发明专利技术涉及一种自动驾驶避障换道的快速轨迹规划方法，包括如下步骤：采集环境地图；设计动态规划器，规划避障换道的参考轨迹；设计包含抗饱和控制策略和车辆模型求解器的闭环仿真器，平滑参考轨迹，输出可执行轨迹。本方法能有效解决车辆动力学约束，并通过李雅普诺夫函数设置了抗饱和控制策略，最终证明了规划系统的稳定性，在车辆模型参数存在不确定性的情况下，参数收敛性能好；同时，根据前轮转向，后轮驱动的自动驾驶车辆，仿真结果表明本方法的有效性。有效性。有效性。

【技术实现步骤摘要】
一种自动驾驶避障换道的快速轨迹规划方法


[0001]本专利技术属于自动驾驶
，涉及自动驾驶避障换道规划方法，尤其是涉及一种自动驾驶避障换道的快速轨迹规划方法。

技术介绍

[0002]经济适用的自动驾驶汽车将最大限度地减少交通事故、提高运输效率、减轻驾驶员操纵负担，从而提高整个道路交通的安全性、机动性与汽车行驶的主动安全性。自动驾驶技术的发展也得益于材料、智能、图像、传感器等的多方面技术的发展与交叉融合。随着人工智能算法、无线通信技术以及智能传感技术的高速发展，作为自动驾驶实现的必要环节，轨迹规划方法至关重要。然而，受限于环境约束、车辆动力学约束和执行器约束，精确度高、便于控制的轨迹规划并不容易实现。
[0003]因此，如何提供一种快速的避障换道轨迹规划方法是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种自动驾驶避障换道的快速轨迹规划方法。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]一种自动驾驶避障换道的快速轨迹规划方法，包括以下步骤：
[0007]S1：采集环境地图，将环境地图以离散的栅格点表示，栅格点的离散方式是纵向以5m间距等距离散，横向以0.5m间距等距离散；
[0008]S2：设计动态规划器，规划避障换道的参考轨迹，动态规划器的目标函数是经济性代价与安全性代价之和最小，动态规划器的经济性代价以轨迹的总长度表示，长度越短表示代价越小；
[0009]S3：设计闭环仿真器，平滑参考轨迹，输出可执行轨迹，所述闭环仿真器包含抗饱和控制策略和车辆模型求解器两部分。
[0010]所述的步骤S1具体包括以下步骤：
[0011]S11：按纵向5m等间距和横向0.5m等间距的方式将环境地图栅格化，得到一系列栅格点；
[0012]S12：删除栅格点中距实线车道线的横向距离少于半个车宽+0.5m，或栅格点距虚线车道线的横向距离少于半个车宽的栅格点；
[0013]S13：对于纵向相邻两栅格点，横向采用全连结的方式连接，构造连通图；
[0014]S14：对于被障碍物占用的栅格点，其值恒为1，反之，其值恒为0。
[0015]所述的步骤S2具体包括以下步骤：
[0016]S21：动态规划器的安全性代价以轨迹通过的栅格点的值衡量，一旦轨迹中任意一个栅格点的值为1，安全性代价为无穷大(以∞表示)；反之，安全性代价为0；
[0017]S22：动态规划器的目标函数是经济性代价与安全性代价之和最小；
[0018]S23：启用动态规划器，求解得到参考轨迹输出。
[0019]所述的步骤S3具体包括以下步骤：
[0020]S31：抗饱和控制策略采用作为跟踪误差模型，计算与参考轨迹的横向误差Δy；
[0021]S32：抗饱和控制策略根据u＝u
fore
+u1sat(s)和计算的横向误差Δy计算控制量u。其中，u为计算出的控制量，u
fore
为计算出的前馈量，u1为计算出的控制余量，sat(.)为饱和函数，s为积分参数，σ为计算出的积分量，为积分量的导数，k0为计算出的增益系数；
[0022]S33：抗饱和控制策略中，前馈量u
fore
的计算方法为u
fore
＝sgn(u
f
)min(u
max
,u
f
)，控制余量u1计算方法为u1＝u
max
‑
u
fore
sgn(s)，积分参数s的计算方式为s＝ΔyL/(v
x
l
s
ξ)+σ/u1。其中，u
f
为控制参数，计算方法为v
x
为车辆纵向车速，ξ为衡量模型不确定性的参数，sgn(.)为符号函数；
[0023]S34：抗饱和控制策略中，只要同时满足k0>0和0<ξ<u1/L，就能使规划系统在车辆模型参数存在不确定性的情况下保持稳定性；
[0024]S35：车辆模型求解器将步骤S32计算的控制量u作为车辆模型的输入量δ，其中，δ为车辆前轮转角；
[0025]S36：车辆模型求解器中，车辆车辆模型为和
[0026]S37：车辆模型求解器采用四阶龙格库塔法设计，满足5阶的数据精度；那么，在k时刻，已知抗饱和控制策略求取控制量u
k
‑1的情况下，车辆当前的姿态为和其中，x
k
为车辆在k时刻的x轴坐标，y
k
为车辆在k时刻的y轴坐标，为车辆在k时刻的航向角坐标，x
k
‑1为车辆在k
‑
1时刻的x轴坐标，y
k
‑1为车辆在k
‑
1时刻的y轴坐标，为车辆在k
‑
1时刻的航向角坐标，T为采样周期；
[0027]S38：按时间先后顺序，将步骤S37求解得到的序列作为平滑后的可执行轨迹输出，其中K为总的采样次数。
[0028]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0029]1.本专利技术中的基于动态规划器进行参考轨迹规划，能在不超过0.0005s以内快速规划出参考轨迹，实现实时精确地规避障碍物，为后续轨迹平滑预留出足够的反应时间；
[0030]2.本专利技术中的基于闭环仿真器进行参考轨迹平滑，在保障规划时间不超过0.05s的同时，平滑轨迹实现曲率连续，以满足非完整性自动驾驶车辆可执行的要求，避免因轨迹不连续，导致车辆运行抖动、激转出现安全事故。
[0031]3.本专利技术的基于抗饱和控制策略，经李雅普诺夫函数证明具有稳定性，采用该方法对参考轨迹进行跟踪，能保证规划系统的稳定性，实现自动驾驶车辆的鲁棒安全运行。
附图说明
[0032]图1为本专利技术的轨迹规划方法示意图；
[0033]图2为本专利技术的栅格化环境地图的连通图示意图；
[0034]图3为本专利技术的轨迹跟踪模型示意图；
[0035]图4为本专利技术的采用动态规划方法规划的轨迹曲线图；
[0036]图5为本专利技术的快速轨迹规划方法规划的轨迹曲线图；
[0037]图6为本专利技术的采用动态规划方法和快速轨迹规划方法规划的曲率曲线图；
[0038]图7为本专利技术的采用动态规划方法和快速轨迹规划方法规划的实时性曲线图。
具体实施方式
[0039]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。
[0040]实施例：
[0041]如图1所示，图1为本专利技术的一种自动驾驶避障换道的快速轨迹规划方法示意图，该策略具体步骤包括：
[0042]步骤1：采集环境地图，并将地图栅格化；
[0043]步骤2：地图栅格化按纵向5m等间距和横向0.5m等间距的方式将环境地图栅格化，得到一系列栅格点；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自动驾驶避障换道的快速轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：采集环境地图，将环境地图以离散的栅格点表示，栅格点的离散方式是纵向以5m间距等距离散，横向以0.5m间距等距离散；S2：设计动态规划器，规划避障换道的参考轨迹，动态规划器的目标函数是经济性代价与安全性代价之和最小，动态规划器的经济性代价以轨迹的总长度表示，长度越短表示代价越小；S3：设计闭环仿真器，平滑参考轨迹，输出可执行轨迹，所述闭环仿真器包含抗饱和控制策略和车辆模型求解器两部分。2.根据权利要求1所述的一种自动驾驶避障换道的快速轨迹规划方法，其特征在于，所述的步骤S3中，抗饱和控制策略的跟踪误差模型为其中，为跟踪参考轨迹的横向误差的导数，v为车速，θ为参考轨迹上被跟踪点的航向角，为车辆航向角，l
s
为预瞄点的纵向长度，L为车辆轴距。3.根据权利要求1所述的一种自动驾驶避障换道的快速轨迹规划方法，其特征在于，所述车辆模型求解器中，车辆模型为和其中，δ为车辆前轮转角。4.根据权利要求1所述的一种自动驾驶避障换道的快速轨迹规划方法，其特征在于，所述栅格点距实线车道线的横向距离不少于半个车宽+0.5m，栅格点距虚线车道线的横向距离不少于半个车宽。5.根据权利要求2所述的一种自动驾驶避障换道的快速轨迹规划方法，其特征在于，所述抗饱和控制策略中，控制量计算方式为u＝u
fore
+u1sat(s)，积分量计算方式为其中，u为计算出的控制量，u
fore
为计算出的前馈量，u1为计算出的控制余量，sat(.)为饱和函数，s为积分参数，σ为计算出的积分量，为积分量的导数，k0为计算出的增益系数。6.根据权利要求5所述的一种自动驾驶避障换道的快速轨迹规划方法，其特征在于，所述抗饱和控制策略中，前馈...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾德全，胡一明，余银犬，陈齐平，陈浩天，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：