一種面向無(wú)人自行車的局部避障路徑規(guī)劃方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種面向無(wú)人自行車的局部避障路徑規(guī)劃方法，包括如下步驟：(1)利用環(huán)境感知系統(tǒng)所得環(huán)境數(shù)據(jù)將統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，并生成環(huán)境地圖，環(huán)境地圖包含障礙物地圖和自行車道線地圖兩種類型；(2)根據(jù)一般工況下自行車自主駕駛跟隨自行車道線行駛的原則，采用擬合車道中心線作為行駛路徑，建立當(dāng)量包圍盒，確定障礙物幾何中心，確定避障過程路徑；(3)根據(jù)無(wú)人自行車與障礙物發(fā)生碰撞的條件公式以及選取的路徑，無(wú)人自行車執(zhí)行避障步驟。采用本發(fā)明專利技術(shù)的避障局部路徑規(guī)劃方法，可使得自行車嚴(yán)格按照規(guī)劃路徑行駛，并且車速自動(dòng)根據(jù)路徑曲率調(diào)整，遇到移動(dòng)或者固定障礙物的情況下，可以提前進(jìn)行避障路徑規(guī)劃。

A method of local obstacle avoidance path planning for unmanned bicycle

The present invention provides a method for local obstacle avoidance and path planning for unmanned bicycle, which comprises the following steps: (1) using the environmental perception system of environmental data will be integrated into the same coordinate system, and generates a map of the environment, the environment map contains obstacle map and bike line map two types; (2) according to the the general conditions of the autonomous driving bicycle follow the bicycle line driving principle, by fitting the center line of the lane as the driving path, established the equivalent bounding box to determine the geometric center of the obstacle, determine the process of obstacle avoidance path; (3) according to the condition of unmanned bicycle collisions with obstacles and path selection, implementation of unmanned bicycle obstacle avoidance steps. By using the method of local path planning for obstacle avoidance of the invention, the bicycle in strict accordance with the planning path, and automatic speed according to the curvature of the path adjustment, encounter mobile or fixed obstacle, can advance the obstacle avoidance path planning.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種面向無(wú)人自行車的局部避障路徑規(guī)劃方法
本專利技術(shù)涉及無(wú)人自行車技術(shù)，特別是一種面向無(wú)人自行車避障路徑規(guī)劃方法。
技術(shù)介紹
自20世紀(jì)60年代移動(dòng)機(jī)器人誕生以來(lái)，研究人員一直夢(mèng)想研究無(wú)人智能交通工具，作為智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，無(wú)人自行車排除了人為不確定因素的影響，不僅可以提高駕駛安全性，而且可以解決交通擁堵，提高能源利用率，百度曾宣布開發(fā)復(fù)雜人工智能無(wú)人自行車，該產(chǎn)品是具備環(huán)境感知、規(guī)劃和自平衡控制等復(fù)雜人工智能的無(wú)人自行車，主要集合了百度在人工智能、深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)的成就，然而對(duì)技術(shù)細(xì)節(jié)沒有任何披露。目前大多采用采用覆蓋面廣、成本低，且針對(duì)性強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)干預(yù)服務(wù)系統(tǒng)，對(duì)無(wú)人自行車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行符合實(shí)際情況的干預(yù)，有望解決自行車避障等問題。作為無(wú)人自行車的智能核心，避障路徑規(guī)劃系統(tǒng)決定車輛如何在多種約束條件和路徑障礙物條件下到達(dá)目標(biāo)位置，這些約束包括體現(xiàn)為安全性的環(huán)境約束，體現(xiàn)可行性的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)約束，體現(xiàn)平順性和穩(wěn)定性的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)約束以及特定的優(yōu)化指標(biāo)約束，如最短時(shí)間或最短距離等。在無(wú)人自行車應(yīng)用中，這些約束集中在全局路徑規(guī)劃中得到滿足，全局路徑規(guī)劃問題等同于起點(diǎn)和終點(diǎn)間路徑生成的問題，解決全局路徑規(guī)劃問題一般要求提前獲知完成的典型道路及其數(shù)字化存儲(chǔ)方式，也就是環(huán)境地圖，當(dāng)環(huán)境變化或其他因素導(dǎo)致規(guī)劃結(jié)果不可行時(shí)，需要重啟全局規(guī)劃得到新的可行路徑才能繼續(xù)行使。然而目前無(wú)人自行車的工作環(huán)境與一般機(jī)器人應(yīng)用存在很多不同，因此需要規(guī)劃一種新的局部避障路徑規(guī)劃方法。局部路徑規(guī)劃及軌跡生成的主要任務(wù)是確保自行車安全、平順的形式，其首先從感知系統(tǒng)獲取道路信息，經(jīng)過處理后實(shí)時(shí)生成安全、平順的行車軌跡，并以車速和轉(zhuǎn)向角的數(shù)據(jù)形式傳輸給控制系統(tǒng)，從而使自行車實(shí)現(xiàn)車道跟隨和避障功能。所謂避障路徑規(guī)劃是指在給定的障礙條件以及起始和目標(biāo)的位姿，選擇一條從起始點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的路徑，使運(yùn)動(dòng)物體能安全、無(wú)碰撞的通過所有的障礙。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種面向無(wú)人自行車的局部避障路徑規(guī)劃方法，包括如下步驟：(1)利用環(huán)境感知系統(tǒng)所得環(huán)境數(shù)據(jù)將統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，并生成環(huán)境地圖，環(huán)境地圖包含障礙物地圖和自行車道線地圖兩種類型；(2)根據(jù)一般工況下自行車自主駕駛跟隨自行車道線行駛的原則，采用擬合車道中心線作為行駛路徑，建立當(dāng)量包圍盒，確定障礙物幾何中心，確定避障過程路徑；(3)根據(jù)無(wú)人自行車與障礙物發(fā)生碰撞的條件公式以及選取的路徑，無(wú)人自行車執(zhí)行避障步驟。優(yōu)選的，所述步驟(1)中的所述障礙物地圖以極坐標(biāo)形式給出，坐標(biāo)原點(diǎn)為無(wú)人自行車后軸中心點(diǎn)，包括720個(gè)數(shù)據(jù)，即0.5度一個(gè)數(shù)據(jù)，用來(lái)表示該方向上的最近物體離自行車中心的直線距離，如果沒有障礙物，其數(shù)值設(shè)為最大距離值。優(yōu)選的，所述步驟(1)中的所述自行車道線地圖由一組車道線數(shù)據(jù)組成，用車道線位置數(shù)據(jù)和線型數(shù)據(jù)兩部分表示，位置數(shù)據(jù)為車道線上所提取10個(gè)采樣點(diǎn)的直角坐標(biāo)，線型包含：路邊線、雙黃線、單實(shí)線、單虛線、停車線、斑馬線、禁停線等。優(yōu)選的，所述步驟(2)中設(shè)圓心坐標(biāo)為O(x0,y0,z0)，無(wú)人自行車末端執(zhí)行器參考點(diǎn)坐標(biāo)為P(px,py,pz)，當(dāng)式(1)成立時(shí)，無(wú)人自行車與障礙物發(fā)生碰撞。優(yōu)選的，所述步驟(2)中設(shè)障礙物圓心為o，半徑為r，無(wú)人自行車末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)為A，目標(biāo)點(diǎn)為B，避障規(guī)劃過程中，根據(jù)運(yùn)動(dòng)路徑最短和末端執(zhí)行器可達(dá)空間最大化原則選擇多種曲線路徑，其中末端點(diǎn)由末端執(zhí)行器和障礙物的空間尺寸及避碰安全系數(shù)決定。優(yōu)選的，所述步驟(3)按照如下流程進(jìn)行：(3-1)確定無(wú)人自行車工作空間，求解障礙物中心與末端執(zhí)行器空間坐標(biāo)；(3-2)將空間圓弧ADB離散化若干控制點(diǎn)，確定避障路徑的起點(diǎn)與終點(diǎn)；(3-3)運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解求得起點(diǎn)、終點(diǎn)與離散控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)無(wú)人自行車各部分運(yùn)動(dòng)變量；(3-4)對(duì)步驟(3)中所得關(guān)節(jié)變量進(jìn)行三次樣條插值，得到各運(yùn)動(dòng)變量的運(yùn)動(dòng)函數(shù)；(3-5)生成初級(jí)行車路徑；(3-6)取運(yùn)動(dòng)函數(shù)極值對(duì)應(yīng)點(diǎn)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，利用式(1)判斷是否與障礙物相碰，檢驗(yàn)三次樣條插值精度和離散點(diǎn)數(shù)目是否符合要求；(3-7)利用符合要求的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)函數(shù)驅(qū)動(dòng)人的腿部關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人自行車避障。優(yōu)選的，所述步驟(3-4)中三次樣條插值點(diǎn)的選取原則為：第一點(diǎn)：本自行車后軸中心，第二點(diǎn)：道路中心線第一采樣點(diǎn)與右側(cè)路邊線第一采樣點(diǎn)的中點(diǎn)，第三點(diǎn)：道路中心線第五采樣點(diǎn)與右側(cè)路邊線第五采樣點(diǎn)的中點(diǎn)，第四點(diǎn)：道路中心線第十采樣點(diǎn)與右側(cè)路邊線第十采樣點(diǎn)的中點(diǎn)，當(dāng)前方遇到障礙物時(shí)產(chǎn)生特殊關(guān)鍵點(diǎn)，通過平移處理以取代上述四點(diǎn)中的部分關(guān)鍵點(diǎn)。優(yōu)選的，所述步驟(3)中根據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)插值生成三次樣條曲線即為行車路徑，插值過程中使用第一邊界條件，即始點(diǎn)和終點(diǎn)的斜率為給定值，始點(diǎn)的斜率取k0＝0，終點(diǎn)的斜率根據(jù)如下公式(2)進(jìn)行計(jì)算：式中，k1為終點(diǎn)處導(dǎo)數(shù)；x9為車道中心線第9點(diǎn)橫坐標(biāo)；x10為車道中心線第10點(diǎn)橫坐標(biāo)；y9為車道中心線第9點(diǎn)縱坐標(biāo)；y10為車道中心線第10點(diǎn)縱坐標(biāo)。優(yōu)選的，所述步驟(3-5)生成初級(jí)行車路徑中，在特殊工況下采用簡(jiǎn)單高效的圓弧曲線作為行車路徑，在普通工況下，根據(jù)曲率公式(3)和轉(zhuǎn)向角公式(4)生成軌跡。優(yōu)選的，所述步驟(3-5)的曲率公式(3)為：式中，K表示曲線y(x)的斜率，根據(jù)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系tanα＝BK獲得轉(zhuǎn)向角的計(jì)算公式，即α＝arctan(BK)，式中B表示汽車軸距，α表示轉(zhuǎn)向角。所述普通工況下生成軌跡的步驟具體為：(3-5-1)在路徑曲線上按橫坐標(biāo)等距選取11點(diǎn)，將路徑分割成10段；(3-5-2)將t0，t1點(diǎn)作為第一段軌跡的起始點(diǎn)和終點(diǎn)，t0時(shí)刻的位置為(0，0)，速度為勻速行駛時(shí)速度v，X，Y方向速度分量為(v，0)，t1時(shí)刻位置來(lái)源于路徑，并根據(jù)該路徑點(diǎn)轉(zhuǎn)彎半徑求得最大安全車速，如果其大于v，則將v作為t1時(shí)刻車速，反之將最大安全車速作為t1時(shí)刻車速，其X，Y向分量由該點(diǎn)路徑斜率求得，將t0，t1點(diǎn)間的距離除以t1，t2兩點(diǎn)處速度均值，其結(jié)果作為t1的值；(3-5-3)以t0，t1點(diǎn)處的位置、速度作為4個(gè)條件聯(lián)立方程求的第一段軌跡參數(shù)方程：X(t)＝at3+bt2+ct+d，Y(t)＝mt3+nt2+ot+p；(3-5-4)將t1時(shí)刻作為第二段軌跡的起始點(diǎn)按照(3-5-2)和(3-5-3)的規(guī)則循環(huán)，則可以分別求出第二至第十段軌跡參數(shù)方程；(3-5-5)十段軌跡組成時(shí)間分段函數(shù)，按0.005s給出各個(gè)時(shí)刻點(diǎn)處的速度和轉(zhuǎn)向角數(shù)值并傳送給自行車底盤模塊。局部路徑以20Hz速率進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，以滿足軌跡實(shí)時(shí)生成的需要。采用本專利技術(shù)的避障局部路徑規(guī)劃方法，可使得自行車嚴(yán)格按照規(guī)劃路徑行駛，并且車速自動(dòng)根據(jù)路徑曲率調(diào)整，遇到移動(dòng)或者固定障礙物的情況下，可以提前進(jìn)行避障路徑規(guī)劃。根據(jù)下文結(jié)合附圖對(duì)本專利技術(shù)具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)更加明了本專利技術(shù)的上述以及其他目的、優(yōu)點(diǎn)和特征。附圖說(shuō)明后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細(xì)描述本專利技術(shù)的一些具體實(shí)施例。附圖中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示了相同或類似的部件或部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。本專利技術(shù)的目標(biāo)及特征考慮到如下結(jié)合附圖的描述將更加明顯，附圖中：圖1為根據(jù)本專利技術(shù)實(shí)施例的插值點(diǎn)選擇示意圖本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種面向無(wú)人自行車的局部避障路徑規(guī)劃方法，其特征在于包括如下步驟：(1)利用環(huán)境感知系統(tǒng)所得環(huán)境數(shù)據(jù)將統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，并生成環(huán)境地圖，環(huán)境地圖包含障礙物地圖和自行車道線地圖兩種類型；(2)根據(jù)一般工況下自行車自主駕駛跟隨自行車道線行駛的原則，采用擬合車道中心線作為行駛路徑，建立當(dāng)量包圍盒，確定障礙物幾何中心，確定避障過程路徑；(3)根據(jù)無(wú)人自行車與障礙物發(fā)生碰撞的條件公式以及選取的路徑，無(wú)人自行車執(zhí)行避障步驟。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種面向無(wú)人自行車的局部避障路徑規(guī)劃方法，其特征在于包括如下步驟：(1)利用環(huán)境感知系統(tǒng)所得環(huán)境數(shù)據(jù)將統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，并生成環(huán)境地圖，環(huán)境地圖包含障礙物地圖和自行車道線地圖兩種類型；(2)根據(jù)一般工況下自行車自主駕駛跟隨自行車道線行駛的原則，采用擬合車道中心線作為行駛路徑，建立當(dāng)量包圍盒，確定障礙物幾何中心，確定避障過程路徑；(3)根據(jù)無(wú)人自行車與障礙物發(fā)生碰撞的條件公式以及選取的路徑，無(wú)人自行車執(zhí)行避障步驟。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向無(wú)人自行車的局部避障路徑規(guī)劃方法，其特征在于：所述步驟(1)中的所述障礙物地圖以極坐標(biāo)形式給出，坐標(biāo)原點(diǎn)為無(wú)人自行車后軸中心點(diǎn)，包括720個(gè)數(shù)據(jù)，即0.5度一個(gè)數(shù)據(jù)，用來(lái)表示該方向上的最近物體離自行車中心的直線距離，如果沒有障礙物，其數(shù)值設(shè)為最大距離值。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向無(wú)人自行車的局部避障路徑規(guī)劃方法，其特征在于：所述步驟(1)中的所述自行車道線地圖由一組車道線數(shù)據(jù)組成，用車道線位置數(shù)據(jù)和線型數(shù)據(jù)兩部分表示，位置數(shù)據(jù)為車道線上所提取10個(gè)采樣點(diǎn)的直角坐標(biāo)，線型包含：路邊線、雙黃線、單實(shí)線、單虛線、停車線、斑馬線、禁停線等。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向無(wú)人自行車的局部避障路徑規(guī)劃方法，其特征在于：所述步驟(2)中設(shè)圓心坐標(biāo)為O(x0,y0,z0)，無(wú)人自行車末端執(zhí)行器參考點(diǎn)坐標(biāo)為P(px,py,pz)，當(dāng)式(1)成立時(shí)，無(wú)人自行車與障礙物發(fā)生碰撞。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種面向無(wú)人自行車的局部避障路徑規(guī)劃方法，其特征在于：所述步驟(2)中設(shè)障礙物圓心為o，半徑為r，無(wú)人自行車末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)為A，目標(biāo)點(diǎn)為B，避障規(guī)劃過程中，根據(jù)運(yùn)動(dòng)路徑最短和末端執(zhí)行器可達(dá)空間最大化原則選擇多種曲線路徑，其中末端點(diǎn)由末端執(zhí)行器和障礙物的空間尺寸及避碰安全系數(shù)決定。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向無(wú)人自行車的局部避障路徑規(guī)劃方法，其特征在于：所述步驟(3)按照如下流程進(jìn)行：(3-1)確定無(wú)人自行車工作空間，求解障礙...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：不公告發(fā)明人，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：深圳市靖洲科技有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：廣東,44