一種基于新型人工勢(shì)場(chǎng)法的車輛避障路徑規(guī)劃研究方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于新型人工勢(shì)場(chǎng)法的車輛避障路徑規(guī)劃研究方法，包括步驟：利用CCD攝像機(jī)、毫米波雷達(dá)、車載傳感器分別實(shí)時(shí)采集車輛避障路徑規(guī)劃所需的信息，根據(jù)車輛避障路徑規(guī)劃所需的信息后，建立基于人工勢(shì)場(chǎng)法的道路邊界斥力勢(shì)場(chǎng)和障礙物斥力勢(shì)場(chǎng)模型，由主車在道路邊界斥力勢(shì)場(chǎng)和障礙物斥力勢(shì)場(chǎng)組成的復(fù)合場(chǎng)中受到的力的作用建立平衡方程，求解得到主車在避障過程中要經(jīng)過的位置點(diǎn)，從而得到避障路徑，同時(shí)對(duì)避障過程中的主車車速進(jìn)行控制以提高安全性和舒適性。本發(fā)明所用方法計(jì)算量小、便于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，規(guī)劃出的避障路徑比傳統(tǒng)方法更加安全、可靠。
【專利說明】
一種基于新型人工勢(shì)場(chǎng)法的車輛避障路徑規(guī)劃研究方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)動(dòng)車輛駕駛安全領(lǐng)域，特別是涉及一種基于新型人工勢(shì)場(chǎng)法的車輛 避障路徑規(guī)劃研究方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 道路交通事故多由車輛與障礙物的碰撞以及碰撞后的次生事故引起。根據(jù)公安部 交通管理科學(xué)研究所發(fā)布的我國(guó)2010年的交通事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析可知，因駕駛員過失(比 如:判斷失誤，決策失誤等)造成的交通事故起數(shù)約占90%。如果能夠在緊急交通情況下幫 助駕駛員采取相應(yīng)的安全措施，那么交通事故的發(fā)生幾率將會(huì)大幅減小，而車輛的局部避 障路徑規(guī)劃正是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要手段。該方法在碰撞發(fā)生前為車輛規(guī)劃處一條安全路 徑，使車輛無碰撞的繞過障礙物，這對(duì)減少道路交通事故的發(fā)生具有十分重要的意義。
[0003] 車輛局部路經(jīng)規(guī)劃是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，駕駛員在行車過程中僅依靠感覺和經(jīng) 驗(yàn)進(jìn)行避障的判斷，很容易發(fā)生事故，尤其在高速行駛時(shí)。局部路徑規(guī)劃主要分為已知環(huán)境 信息和未知環(huán)境信息兩種類型，由于前者所適應(yīng)的范圍非常局限，所以本發(fā)明主要針對(duì)未 知環(huán)境信息情形下的車輛局部路徑規(guī)劃。車輛通過車載設(shè)備(毫米波雷達(dá)、(XD攝像機(jī)、各種 傳感器等)獲取道路信息，如路寬、車道數(shù)、障礙物的位置，大小等，并將這些信息進(jìn)行一定 的分析處理，然后根據(jù)探測(cè)到的這些信息規(guī)劃出一條由起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的無碰撞最優(yōu)路 徑。
[0004] 中國(guó)專利CN 102520718A公開了一種基于物理建模的機(jī)器人避障路徑規(guī)劃方法， 該方法通過設(shè)立機(jī)器人工作區(qū)域的引力場(chǎng)柵格和距離信息柵格，建立機(jī)器人雙重柵格信息 圖，基于上述雙重柵格信息圖，采用有向遍歷法搜索所有可行路徑進(jìn)行規(guī)劃。該方法是針對(duì) 已經(jīng)環(huán)境信息條件下為機(jī)器人進(jìn)行避障路徑規(guī)劃，且當(dāng)柵格取得很小時(shí)，存在計(jì)算量大等 問題。中國(guó)專利CN104317291A公開了一種基于人工勢(shì)場(chǎng)法的機(jī)器人避碰路徑規(guī)劃研究方 法，提供了一種復(fù)雜形狀移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境下的的避碰路徑規(guī)劃方法。該方法只適用 于靜態(tài)障礙物的場(chǎng)合，且不能克服傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法的局部極小值問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于新型人工勢(shì)場(chǎng)法的車輛避障路徑規(guī) 劃研究方法，解決計(jì)算量大、傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法的局部極小值問題。
[0006] 本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的。
[0007] -種基于新型人工勢(shì)場(chǎng)法的車輛避障路徑規(guī)劃研究方法，包括以下步驟：
[0008] S1.利用CCD攝像機(jī)、毫米波雷達(dá)、車載設(shè)備分別實(shí)時(shí)采集車輛避障路徑規(guī)劃所需 的道路信息、障礙物信息、主車信息；
[0009] S2.獲取車輛避障路徑規(guī)劃所需的信息后，在毫米波雷達(dá)的探測(cè)范圍建立道路坐 標(biāo)系，用向量表示道路邊界點(diǎn)、障礙物、主車的位置，根據(jù)道路信息、障礙物信息、主車信息 建立基于人工勢(shì)場(chǎng)法的道路邊界斥力勢(shì)場(chǎng)和障礙物斥力勢(shì)場(chǎng)模型;具體如下：
[0010] S2.1道路坐標(biāo)系的建立
[0011] 在平直或近似平直、寬為B的多車道道路上，根據(jù)毫米波雷達(dá)性能，在毫米波雷達(dá) 的可探測(cè)距離L內(nèi)，將道路邊界分為η等份，每個(gè)等份間的距離為L(zhǎng)〇 = L/n;以主車所在車道 的中心線為X軸，主車質(zhì)心在路面上的投影點(diǎn)為原點(diǎn)建立道路坐標(biāo)系，假設(shè)在未來每一時(shí)刻 汽車的質(zhì)心位于道路邊界對(duì)應(yīng)等分點(diǎn)的連線上，則道路左、右邊界上每個(gè)等分點(diǎn)、障礙物、 主車的位置可以用向量表示出來；
[0012] S2.2道路邊界斥力勢(shì)場(chǎng)的建立
[0013] 通過CCD攝像機(jī)識(shí)別前方的道路邊界線并提取出道路邊界線數(shù)據(jù)，通過邊界線數(shù) 據(jù)進(jìn)行分析處理提取出道路信息，再以此建立道路邊界斥力勢(shì)場(chǎng)；
[0014] S2.3障礙物斥力勢(shì)場(chǎng)的建立
[0015] 通過毫米波雷達(dá)檢測(cè)主車前方的障礙物信息、車載傳感器獲取主車的速度信息， 再以此建立障礙物斥力勢(shì)場(chǎng)；
[0016] S3.根據(jù)主車在道路邊界斥力勢(shì)場(chǎng)和障礙物斥力勢(shì)場(chǎng)組成的復(fù)合場(chǎng)中受到的力的 作用建立平衡方程，并利用數(shù)學(xué)軟件matlab對(duì)其進(jìn)行求解得到主車在避障過程中要經(jīng)過的 位置點(diǎn)，從而得到避障路徑；
[0017] S4.對(duì)避障過程中的主車車速進(jìn)行控制以提高安全性，使主車在避障時(shí)將車速降 低到一個(gè)合適的值，并在繞開障礙物后恢復(fù)正常車速行駛。
[0018] 進(jìn)一步，所述S1中，道路信息包括路寬及車道數(shù)量;障礙物信息，包括障礙物的數(shù) 目、大小、位置及速度;主車信息包括主車的速度、主車與障礙物的距離、主車與道路邊界的 距離以及主車相對(duì)于障礙物的角度。
[0019] 進(jìn)一步，所述S2.3障礙物斥力勢(shì)場(chǎng)的建立過程中，將主車等效為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，并用一 個(gè)直徑為D的安全圓包裹住障礙物，同時(shí)，為了使主車能夠提前開始避障，賦予障礙物一個(gè) 影響范圍Po,當(dāng)車輛進(jìn)入障礙物影響范圍Po時(shí)，將只受到沿道路坐標(biāo)系y方向分布的障礙物 斥力勢(shì)場(chǎng)的作用，同時(shí)，對(duì)于主車前方運(yùn)動(dòng)的障礙物，若障礙物的速度在主車速度方向上有 速度分量，則主車還會(huì)受到障礙物速度勢(shì)場(chǎng)的斥力作用。
[0020] 進(jìn)一步，所述S3中，借助matlab對(duì)建立的平衡方程求解，實(shí)際得到的是主車未來某 時(shí)刻將要駛向的點(diǎn)的縱坐標(biāo)，從而得到主車在避障過程所要經(jīng)過的各點(diǎn)，再將這些點(diǎn)進(jìn)行 曲線擬合，從而得到一條能使主車安全繞過障礙物的避障路徑；同時(shí)，由于障礙物有可能是 運(yùn)動(dòng)的，所以每隔一段時(shí)間At，根據(jù)新采集的信息再次進(jìn)行路徑規(guī)劃，以保證實(shí)時(shí)性。
[0021] 進(jìn)一步，所述S4在主車避障過程中，主車進(jìn)入障礙物影響范圍后，對(duì)主車車速進(jìn)行 控制，使主車車速能隨主車與障礙物距離的減小而減小，當(dāng)車輛繞過障礙物后，主車車速能 隨主車與障礙物距離的增大而增大，當(dāng)主車駛出障礙物的影響范圍時(shí)，主車車速將不再受 該模型的控制。
[0022] 有益效果:利用改進(jìn)的人工勢(shì)場(chǎng)法為車輛自主避障規(guī)劃出一條安全路徑，并在避 障過程中對(duì)主車車速進(jìn)行控制以提高避障過程的安全性和舒適性。對(duì)于運(yùn)動(dòng)的障礙物和靜 止的障礙物，本方法都能在碰撞發(fā)生前為車輛規(guī)劃出安全無碰撞的路徑繞開障礙物，可極 大的減少因避障失誤所導(dǎo)致的交通事故，并且所用方法計(jì)算量小、便于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明一種基于新型人工勢(shì)場(chǎng)法的車輛避障路徑規(guī)劃研究方法的流程圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明一種基于新型人工勢(shì)場(chǎng)法的車輛避障路徑規(guī)劃研究方法中所述的道 路坐標(biāo)系圖；
[0025] 圖3為本發(fā)明一種基于新型人工勢(shì)場(chǎng)法的車輛避障路徑規(guī)劃研究方法中所述的道 路邊界斥力示意圖；
[0026] 圖4為本發(fā)明一種基于新型人工勢(shì)場(chǎng)法的車輛避障路徑規(guī)劃研究方法中所述的道 路邊界斥力勢(shì)場(chǎng)分布圖；
[0027] 圖5為本發(fā)明一種基于新型人工勢(shì)場(chǎng)法的車輛避障路徑規(guī)劃研究方法中所述的速 度方向示意圖；
[0028] 圖6為本發(fā)明一種基于新型人工勢(shì)場(chǎng)法的車輛避障路徑規(guī)劃研究方法中所述的主 車所受合力圖；
[0029] 圖7為本發(fā)明一種基于新型人工勢(shì)場(chǎng)法的車輛避障路徑規(guī)劃研究方法中所述的避 障路徑圖；
[0030] 圖8為本發(fā)明一種基于新型人工勢(shì)場(chǎng)法的車輛避障路徑規(guī)劃研究方法中所述的未 引入速度避障路徑圖；
[0031] 圖9為本發(fā)明一種基于新型人工勢(shì)場(chǎng)法的車輛避障路徑規(guī)劃研究方法中所述的路 徑跟隨圖；
[0032] 圖10為本發(fā)明一種基于新型人工勢(shì)場(chǎng)法的車輛避障路徑規(guī)劃研究方法中所述的 橫擺角速度圖；
[0033] 圖11為本發(fā)明一種基于新型人工勢(shì)場(chǎng)法的車輛避障路徑規(guī)劃研究方法中所述的 側(cè)向加速度圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面將結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍 并不限于此。
[0035]如圖1所示，一種基于改進(jìn)型人工勢(shì)場(chǎng)法和速度控制的車輛避障路徑規(guī)劃研究方 法流程圖，包括步驟：
[0036] S1.利用CCD攝像機(jī)、毫米波雷達(dá)、車載設(shè)備(車載傳感器、全球定位系統(tǒng)GPS)分別 實(shí)時(shí)采集車輛避障路徑規(guī)劃所需的道路信息、障礙物信息、主車信息;CCD攝像機(jī)安裝在主 車前擋風(fēng)玻璃上，需保證攝像頭能夠"直視"前方;毫米波雷達(dá)安裝在車頭前部、車輛的縱向 軸線上，與地面的距離最少為35cm，最大為65cm;車速傳感器安裝在變速器殼內(nèi)，主車內(nèi)置 有 GPS。
[0037] 其中道路信息包括路寬及車道數(shù)量;障礙物信息，包括障礙物的數(shù)目、大小、位置 及速度;主車信息包括主車的速度、主車與障礙物的距離、主車與道路邊界的距離以及主車 相對(duì)于障礙物的角度。
[0038] S2.獲取車輛避障路徑規(guī)劃所需的信息后，在毫米波雷達(dá)的探測(cè)范圍建立道路坐 標(biāo)系，用向量表示道路邊界點(diǎn)、障礙物、主車的位置，根據(jù)道路信息、障礙物信息、主車信息 建立基于人工勢(shì)場(chǎng)法的道路邊界斥力勢(shì)場(chǎng)和障礙物斥力勢(shì)場(chǎng)模型;具體如下：
[0039] S2.1道路坐標(biāo)系的建立
[0040]在平直或近似平直、寬為B的多車道道路上，根據(jù)毫米波雷達(dá)性能，在毫米波雷達(dá) 的可探測(cè)距離L內(nèi)，將道路邊界分為η等份，每個(gè)等份間的距離為L(zhǎng)〇 = L/n，如圖2所示；以主 車所在車道的中心線為X軸，主車質(zhì)心在路面上的投影點(diǎn)為原點(diǎn)建立道路坐標(biāo)系，假設(shè)在未 來每一時(shí)刻汽車的質(zhì)心位于道路邊界對(duì)應(yīng)等分點(diǎn)的連線上，則道路左、右邊界上每個(gè)等分 點(diǎn)、障礙物、主車的位置可以用向量表示出來。
[00411 S2.2道路邊界斥力勢(shì)場(chǎng)的建立
[0042] 通過CCD攝像機(jī)識(shí)別前方的道路邊界線并提取出道路邊界線數(shù)據(jù)，通過邊界線數(shù) 據(jù)進(jìn)行分析處理提取出道路信息，再以此建立道路邊界斥力勢(shì)場(chǎng);道路邊界斥力勢(shì)場(chǎng)對(duì)處 在其中的車輛產(chǎn)生斥力作用，如圖3所示，以此來限制車輛的行駛區(qū)域。
[0043] 根據(jù)人工勢(shì)場(chǎng)模型在機(jī)器人領(lǐng)域運(yùn)用的經(jīng)驗(yàn)，建立如下式所示的道路邊界斥力勢(shì) 場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型：
[0044]
[0045]
[0046] 式中的1^。3(^、1^。41?分別為道路左右邊界斥力勢(shì)場(chǎng)，1^。孤、1^。_分別為道路左、右 邊界危險(xiǎn)斥力場(chǎng)施加斥力的比例常數(shù)4、4分別為汽車質(zhì)心、道路左、右邊界上對(duì)應(yīng) 點(diǎn)的坐標(biāo)向量，w車為車寬。
[0047]由數(shù)學(xué)模型（1)、（2)及圖4可知，汽車與道路邊界的距離越小，它的勢(shì)能值越大，汽 車受到的斥力也就越大，當(dāng)車輛與道路邊界的距離趨于零時(shí)，道路邊界斥力將趨于無窮大， 以此來限制車輛的行駛區(qū)域，斥力可由對(duì)勢(shì)場(chǎng)模型進(jìn)行梯度運(yùn)算得到。
[0048]為了使車輛在道路中沒有障礙物或無需采取避障措施時(shí)，能夠沿著車道行駛，即 實(shí)現(xiàn)車道保持功能，我們通過調(diào)整勢(shì)場(chǎng)的比例常數(shù)1^。3(^、1^。4[?來使車輛在道路邊界斥力 勢(shì)場(chǎng)的作用下，其受力平衡點(diǎn)始終保持在車道中間，但是，考慮到交通規(guī)則和駕駛員的駕駛 習(xí)慣，我們將盡量使主車在無需避障的情況下能夠沿著右車道的中心線行駛，本發(fā)明取主 車行駛車道為雙車道，由勢(shì)場(chǎng)數(shù)學(xué)模型可知：
[0049] Uroad,L = Uroad,R (3)
[0050] 在沒有障礙物時(shí)，主車距離車道右邊界距離為
，主車距離車道 左邊界距離為
[0051] 即
[0052]
[0053]從而得到如下關(guān)系：
[0054]
[0055] S2.3障礙物斥力勢(shì)場(chǎng)的建立
[0056]通過毫米波雷達(dá)檢測(cè)主車前方的障礙物信息、車載傳感器獲取主車的速度信息， 再以此建立障礙物斥力勢(shì)場(chǎng)。
[0057]障礙物斥力勢(shì)場(chǎng)對(duì)行駛中的車輛產(chǎn)生斥力作用，使車輛遠(yuǎn)離障礙物。汽車在行駛 過程中，前方的道路交通情況隨時(shí)都可能發(fā)生變化，可能沒有障礙物，可能突然出現(xiàn)障礙 物，障礙物可能是靜止的，也可能運(yùn)動(dòng)的；因此，車載雷達(dá)必須以一定的頻率不斷探測(cè)前方 的道路情況，包括障礙物的數(shù)目、大小、位置以及速度。影響障礙物斥力大小的因素主要有： 障礙物相對(duì)于本車的位置和速度，障礙物的大小(按標(biāo)準(zhǔn)車）。
[0058]在路徑規(guī)劃過程中，將主車等效為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，這與實(shí)際情況不符，為此用一個(gè)直徑 為D的安全圓包裹住障礙物，這個(gè)安全圓的尺寸必須將主車和障礙物的尺寸都考慮進(jìn)去，為 此本發(fā)明暫定直徑D為兩倍車寬。同時(shí)，為了是主車能夠提前開始避障，我們賦予障礙物一 個(gè)影響范圍PQ，PQ取值為車輛的制動(dòng)安全距離，當(dāng)車輛進(jìn)入障礙物影響范圍PQ時(shí)，將受到障 礙物斥力勢(shì)場(chǎng)的作用，且該斥力勢(shì)場(chǎng)只沿y方向分布。同時(shí)，對(duì)于主車前方運(yùn)動(dòng)的障礙物，規(guī) 定障礙物速度方向?yàn)棣?，主車速度的方向?yàn)棣ǎ鐖D5所示，則主車速度方向與障礙物速度方
向之間的夾角α = θ-β; _ %即障礙物的速度在主車速度上有一個(gè)分量vocosa，則 / 主車還會(huì)受到障礙物速度勢(shì)場(chǎng)的斥力作用;3
，即障礙物的速度在主車速度方向 上沒有速度分量，則主車不受速度斥力勢(shì)場(chǎng)的作用。避障過程只考慮主車前方的障礙物，故 ae (0,3i)〇
[0059] 情況一，蘭
?，障礙物的斥力勢(shì)場(chǎng)為：
[0060]
圖圍_圍_圍_:::::::::|_ .........................................................................................................................................................................................................................................................................
[0061] 情況二，當(dāng)
、障礙物的斥力勢(shì)場(chǎng)為：
[0062]
1|1|1|1|1|1 |
[0063] 情況三，當(dāng)a時(shí)，此時(shí)，主車不受障礙物斥力勢(shì)場(chǎng)的作用，即
[0064] Ureq = 0 (8)
[0065] 綜上所述，障礙物斥力勢(shì)場(chǎng)為
[0066]
[0067] 式中kob為障礙物斥力勢(shì)場(chǎng)的比例系數(shù)，6為汽車質(zhì)心對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)向量，W車為車 寬，匕為障礙物的位置向量，D為安全圓的直徑，P Q為障礙物的影響范圍，v為主車的當(dāng)前運(yùn) 動(dòng)速度，vo為動(dòng)態(tài)障礙物的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)速度，Θ為移動(dòng)車體的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)方向；Φ為動(dòng)態(tài)障礙物 的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)方向。
[0068] 從數(shù)學(xué)模型（9)及圖4的勢(shì)能值分布圖可知，主車在進(jìn)入障礙物的影響范圍之后， 隨著主車與障礙物距離減小，主車受到的斥力增大，當(dāng)主車與障礙物的距離趨近于零時(shí)，障 礙物的斥力將區(qū)域無窮大，以此來使主車不予障礙物相撞。同時(shí)，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的障礙物，障礙 物的速度在本車速度方向上的分量越大，本車受到的斥力也就越大。
[0069] S3.根據(jù)主車在道路邊界斥力勢(shì)場(chǎng)和障礙物斥力勢(shì)場(chǎng)組成的復(fù)合場(chǎng)中受到的力的 作用建立平衡方程，并利用matlab對(duì)其進(jìn)行求解得到主車在避障過程中要經(jīng)過的位置點(diǎn)， 從而得到避障路徑；
[0070] 在道路邊界斥力勢(shì)場(chǎng)和障礙物斥力勢(shì)場(chǎng)組成的復(fù)合場(chǎng)中，主車受到復(fù)合場(chǎng)力的作 用，并最終達(dá)到平衡狀態(tài)，如圖6所示，BP:
[0071]
[0072]
[0073] 惜助數(shù)字襖懺matlab對(duì)兵豕舺，田卞假議王半73木米仕息?？痰臋M坐標(biāo)都對(duì)應(yīng)道 路邊界某一等分點(diǎn)，即主車的橫坐標(biāo)已知(Xl=(i-l)L〇)，對(duì)平衡方程進(jìn)行求解，實(shí)際得到的 是主車未來某時(shí)刻將要駛向的點(diǎn)的縱坐標(biāo)，從而得到主車在避障過程所要經(jīng)過的各點(diǎn)，然 后用一條平滑的曲線將這些點(diǎn)連接起來，就得到一條能使主車安全繞過障礙物的避障路 徑。同時(shí)，由于障礙物有可能是運(yùn)動(dòng)的，所以每隔一段時(shí)間At，根據(jù)新采集的信息再次進(jìn)行 路徑規(guī)劃，以保證實(shí)時(shí)性。
[0074] 主程序如下：
[0075]
[0076] 通過matlab的運(yùn)算，可以得到避障路徑的坐標(biāo)，根據(jù)1的取值，共有120組數(shù)據(jù)，由 于篇幅的限制，這里只列出20組，如表1所示：
[0077] 表1避障過程的20組坐標(biāo)
[0080] 從表1數(shù)據(jù)和圖7可以看出，改進(jìn)后的方法規(guī)劃出來的路徑在避障過程中主車與障 礙物的距離大于改進(jìn)前的距離至少20cm，這可以有效的提高避障時(shí)的安全性，避免與障礙
[0078]
[0079] 物發(fā)生"擦肩而過"的現(xiàn)象。從圖8中可以看出，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的障礙物，改進(jìn)前的方法規(guī)劃出的 路徑和障礙物有重疊，這說明主車按此路徑行駛會(huì)與障礙物相撞，而改進(jìn)后的方法卻能很 好的規(guī)避運(yùn)動(dòng)的障礙物。
[0081] S4.對(duì)避障過程中的主車車速進(jìn)行控制以提高安全性，使主車在避障時(shí)將車速降 低到一個(gè)合適的值，并在繞開障礙物后恢復(fù)正常車速行駛。
[0082]車輛在避障過程中為了保證安全，必須與障礙物保持一定的距離，且在避障轉(zhuǎn)向 時(shí)，如果仍以之前的速度行駛(通常>40km/h)，則會(huì)嚴(yán)重影響避障的安全性和乘坐舒適性， 尤其是高速行駛時(shí)，為此本文提出了對(duì)避障過程車輛速度的控制方法，使車輛在避障時(shí)將 車速降低到一個(gè)合適的值，并在繞開障礙物后恢復(fù)正常車速行駛。速度的控制模型為：
[0083]
[0084]式中cU代表主車與障礙物間的距離，do為預(yù)留的安全距離，是主車避障前的速 度，amax為最大減速度，λ為放大系數(shù)，取λ=〇. 6~0.7，Po代表障礙物的影響距離，td為車輛從 開始制動(dòng)到其停止的時(shí)間。
[0085]從速度控制模型可以看出，主車在進(jìn)入障礙物影響范圍內(nèi)后，速度能夠隨與障礙 物距離的減小而減小，當(dāng)車輛繞過障礙物時(shí)，速度隨車輛與障礙物距離的增大而增大，當(dāng)主 車駛出障礙物的影響范圍時(shí)，車速將不再受從模型的控制。
[0086] 將matlab計(jì)算出的避障路徑導(dǎo)入車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件carsim中，可以得到如圖9 和圖10所示的仿真曲線;其中圖9是路徑跟隨曲線，圖中帶圈曲線是仿真軟件中主車的真實(shí) 行駛路徑，不帶圈曲線是目標(biāo)路徑，為求解得到的路徑;從圖中可以看出，兩條曲線基本吻 合，說明在carsim仿真軟件中，主車是沿計(jì)算得到的避障路徑行駛，同時(shí)這也可以說明仿真 過程的主車各種動(dòng)力學(xué)信息與現(xiàn)實(shí)中主車避障過程的狀態(tài)信息相符。仿真過程中各模型參 數(shù)見表2。
[0087]表2仿真模型參數(shù) [0088]
[0089]圖10和圖11是主車避障過程中的橫擺角速度和側(cè)向加速度圖。可以看出，兩圖的 變化趨勢(shì)大致相同，這說明主車的橫擺角速度和側(cè)向加速度隨主車避障過程的變化而變 化，只是在避障開始階段，側(cè)向加速度的變化速度大于橫擺角速度。
[0090] 兩個(gè)圖的變化趨勢(shì)反映了主車的整個(gè)避障過程，開始時(shí)，主車在極短的時(shí)間加速 到預(yù)設(shè)車速，橫擺角速度和側(cè)向加速度都出現(xiàn)了較大的值，隨著車速提高到預(yù)設(shè)值，橫擺角 速度和側(cè)向加速度只在很小的范圍內(nèi)變化，直到第6秒左右，主車接近前方障礙物，開始緩 慢轉(zhuǎn)向，在8.4秒左右，主車橫擺角速度和側(cè)向加速度都達(dá)到了最大值，說明主車已到達(dá)障 礙物正側(cè)方，即將就要繞過障礙物，之后，橫擺角速度和側(cè)向加速度的值變小，主車逐漸繞 過障礙物并回到原車道。
[0091] 在圖10和圖11中，虛線為避障過程對(duì)速度進(jìn)行控制后得到的主車橫擺角速度和側(cè) 向加速度圖，實(shí)線為未對(duì)車速進(jìn)行控制得到的主車橫擺角速度和側(cè)向加速度圖。主車在未 進(jìn)入障礙物的影響范圍內(nèi)時(shí)，圖中兩條曲線基本吻合，在進(jìn)入障礙物的影響范圍內(nèi)后，可以 明顯看出，避障過程對(duì)車速進(jìn)行控制后，其橫擺角速度和側(cè)向加速度的值都小于未對(duì)車速 進(jìn)行控制的值，且側(cè)向加速度的值小于〇.4g，這說明在避障過程對(duì)車速進(jìn)行控制可以有效 提尚舒適性。
[0092] 以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，應(yīng)當(dāng) 理解，本發(fā)明并不限于這里所描述的實(shí)現(xiàn)方案，這些實(shí)現(xiàn)方案描述的目的在于幫助本領(lǐng)域 中的技術(shù)人員實(shí)踐本發(fā)明。任何本領(lǐng)域中的技術(shù)人員很容易在不脫離本發(fā)明精神和范圍的 情況下進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和完善，因此本發(fā)明只受到本發(fā)明權(quán)利要求的內(nèi)容和范圍的限 制，其意圖涵蓋所有包括在由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明精神和范圍內(nèi)的備選方案和等 同方案。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于新型人工勢(shì)場(chǎng)法的車輛避障路徑規(guī)劃研究方法，其特征在于，包括以下步 驟：51. 利用CCD攝像機(jī)、毫米波雷達(dá)、車載設(shè)備分別實(shí)時(shí)采集車輛避障路徑規(guī)劃所需的道 路信息、障礙物信息、主車信息；52. 獲取車輛避障路徑規(guī)劃所需的信息后，在毫米波雷達(dá)的探測(cè)范圍建立道路坐標(biāo)系， 用向量表示道路邊界點(diǎn)、障礙物、主車的位置，根據(jù)道路信息、障礙物信息、主車信息建立基 于人工勢(shì)場(chǎng)法的道路邊界斥力勢(shì)場(chǎng)和障礙物斥力勢(shì)場(chǎng)模型;具體如下： S2.1道路坐標(biāo)系的建立 在平直或近似平直、寬為B的多車道道路上，根據(jù)毫米波雷達(dá)性能，在毫米波雷達(dá)的可 探測(cè)距離L內(nèi)，將道路邊界分為η等份，每個(gè)等份間的距離為L(zhǎng)〇 = L/n;以主車所在車道的中 心線為X軸，主車質(zhì)心在路面上的投影點(diǎn)為原點(diǎn)建立道路坐標(biāo)系，假設(shè)在未來每一時(shí)刻汽車 的質(zhì)心位于道路邊界對(duì)應(yīng)等分點(diǎn)的連線上，則道路左、右邊界上每個(gè)等分點(diǎn)、障礙物、主車 的位置可以用向量表示出來； S2 · 2道路邊界斥力勢(shì)場(chǎng)的建立 通過CCD攝像機(jī)識(shí)別前方的道路邊界線并提取出道路邊界線數(shù)據(jù)，通過邊界線數(shù)據(jù)進(jìn) 行分析處理提取出道路信息，再以此建立道路邊界斥力勢(shì)場(chǎng)； S2.3障礙物斥力勢(shì)場(chǎng)的建立 通過毫米波雷達(dá)檢測(cè)主車前方的障礙物信息、車載傳感器獲取主車的速度信息，再以 此建立障礙物斥力勢(shì)場(chǎng)；53. 根據(jù)主車在道路邊界斥力勢(shì)場(chǎng)和障礙物斥力勢(shì)場(chǎng)組成的復(fù)合場(chǎng)中受到的力的作用 建立平衡方程，并利用數(shù)學(xué)軟件matlab對(duì)其進(jìn)行求解得到主車在避障過程中要經(jīng)過的位置 點(diǎn)，從而得到避障路徑；54. 對(duì)避障過程中的主車車速進(jìn)行控制以提高安全性，使主車在避障時(shí)將車速降低到 一個(gè)合適的值，并在繞開障礙物后恢復(fù)正常車速行駛。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于新型人工勢(shì)場(chǎng)法的車輛避障路徑規(guī)劃研究方法，其 特征在于，所述S1中，道路信息包括路寬及車道數(shù)量;障礙物信息包括障礙物的數(shù)目、大小、 位置及速度;主車信息包括主車的速度、主車與障礙物的距離、主車與道路邊界的距離以及 主車相對(duì)于障礙物的角度。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于新型人工勢(shì)場(chǎng)法的的車輛避障路徑規(guī)劃研究方法， 其特征在于，所述S2.3障礙物斥力勢(shì)場(chǎng)的建立過程中，將主車等效為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，并用一個(gè)直 徑為D的安全圓包裹住障礙物，同時(shí)，為了使主車能夠提前開始避障，賦予障礙物一個(gè)影響 范圍p Q，當(dāng)車輛進(jìn)入障礙物影響范圍pQ時(shí)，將只受到沿道路坐標(biāo)系y方向分布的障礙物斥力 勢(shì)場(chǎng)的作用，同時(shí)，對(duì)于主車前方運(yùn)動(dòng)的障礙物，若障礙物的速度在主車速度方向上有速度 分量，則主車還會(huì)受到障礙物速度勢(shì)場(chǎng)的斥力作用。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于新型人工勢(shì)場(chǎng)法的的車輛避障路徑規(guī)劃研究方法， 其特征在于，所述S3中，借助matlab對(duì)建立的平衡方程求解，實(shí)際得到的是主車未來某時(shí)刻 將要駛向的點(diǎn)的縱坐標(biāo)，從而得到主車在避障過程所要經(jīng)過的各點(diǎn)，再將這些點(diǎn)進(jìn)行曲線 擬合，從而得到一條能使主車安全繞過障礙物的避障路徑；同時(shí)，由于障礙物有可能是運(yùn)動(dòng) 的，所以每隔一段時(shí)間At，根據(jù)新采集的信息再次進(jìn)行路徑規(guī)劃，以保證實(shí)時(shí)性。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于新型人工勢(shì)場(chǎng)法的的車輛避障路徑規(guī)劃研究方法， 其特征在于，所述S4在主車避障過程中，主車進(jìn)入障礙物影響范圍后，對(duì)主車車速進(jìn)行控 制，使主車車速能隨主車與障礙物距離的減小而減小，當(dāng)車輛繞過障礙物后，主車車速能隨 主車與障礙物距離的增大而增大，當(dāng)主車駛出障礙物的影響范圍時(shí)，主車車速將不再受該 模型的控制。
【文檔編號(hào)】G05D1/02GK105974917SQ201610309717
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月11日
【發(fā)明人】劉志強(qiáng), 朱偉達(dá), 倪捷
【申請(qǐng)人】江蘇大學(xué)