CN105185141B

CN105185141B - 一种基于引力场的车辆自动驾驶引导方法

Info

Publication number: CN105185141B
Application number: CN201510661847.9A
Authority: CN
Inventors: 孟濬; 邓晓雨; 许文媛
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2015-10-14
Filing date: 2015-10-14
Publication date: 2017-11-14
Anticipated expiration: 2035-10-14
Also published as: CN105185141A

Abstract

本发明公开了一种基于引力场的车辆自动驾驶引导方法，利用引力场的原理模拟周围的路况、车辆和行驶路径对该车作用力，以确定当前车辆的行驶方向和行驶速度，从而实现车辆的自动驾驶。本发明的基于引力场的车辆自动驾驶引导方法依据周围路况实时确定车辆的行驶速度和方向，具有实时性和自主性，为解决车辆自动驾驶问题提供了简单可靠的解决方案。

Description

一种基于引力场的车辆自动驾驶引导方法

技术领域

本发明涉及交通管理技术领域，尤其涉及一种基于引力场的车辆自动驾驶引导方法。

背景技术

自动驾驶是智能交通的关键技术，也是未来汽车发展的必然趋势。自2012年，美国内达华州机动车辆管理部门为谷歌自动驾驶汽车颁发了首例驾驶许可证以来，自动驾驶汽车的发展如火如荼。减少驾驶压力、提高安全性、避免拥堵并降低污染是自动驾驶汽车发展的关键技术，如何通过一种简单、安全可靠的方法实现车辆自动驾驶是自动驾驶技术得以普及的关键。

发明内容

本发明针对车辆自动驾驶问题，提供一种基于引力场的车辆自动驾驶引导方法，利用引力场的原理模拟周围的路况、车辆和行驶路径对该车作用力，以确定当前车辆的行驶方向和行驶速度，从而实现车辆的自动驾驶。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于引力场的车辆自动驾驶引导方法，包括以下步骤：

1)行驶路径选择：用户选择目的地，由路径规划***选择行驶路径或者用户自行设定行驶路径；

2)目标路口确定：车辆根据已确定的行驶路径，依据电子地图确定车辆当前位置到下一路口的距离和相对位置；

3)周围路况确定：车辆采用主动和被动两种方式获取周围路况信息；

4)自动驾驶导向力计算：车辆综合分析车辆的当前所行驶道路的周围路况信息，通过将车辆周围的路况对该车的作用模拟为物体之间存在斥力的作用，将当前所选择的目标路口对该车的作用模拟为物体之间存在引力的作用，依据当前该车辆所受到的合力确定车辆当前的行驶方向与速度，其中合力的方向为车辆的行车方向，车辆的行驶速度随着合力大小的变化而变化，从而实现车辆的自动驾驶。

所述的目标路口是指在已确定的行驶路径上，车辆在当前所行驶道路上所要到达的下一个路口；当车辆位于两路***界处时，即车辆已离开上一行驶道路但尚未到达下一行驶道路时，所述的目标路口为下一行驶道路的出口。

所述的主动方式是指车辆通过摄像头、雷达、红外线和超声波方式检测周围路况信息；所述的被动方式是指车辆通过蓝牙、WiFi或GPS与周围车辆相连接，以获得周围车辆或者携带有智能设备的行人的信息。

所述的行驶道路是指以相邻的交通标线或道路边缘和该道路的出入口为界所确定的道路；所述的车辆的当前所行驶道路是指以当前车辆相邻的交通标线或道路边缘和目标路口为界所确定的道路。

所述的周围路况信息包括车辆所行驶的当前道路的道路信息、交通标线信息、信号灯信息、车辆信息、行人信息和障碍物信息；所述的道路信息包括道路边缘与车辆相对位置和距离，道路的最高限速和最低限速；所述的交通标线信息包括交通标线与车辆的相对位置和距离；所述的信号灯信息包括信号灯与车辆的相对位置和距离，以及是否禁止车辆通行；所述的车辆信息包括周围车辆与车辆的相对位置和距离；所述的行人信息包括行人与车辆的相对位置和距离；所述的障碍物信息包括障碍物与车辆的相对位置和距离；所述的交通标线包括准许跨越超车的交通标线、不准许跨越的交通标线、与信号灯相配合的交通标线、停车位标线、收费岛和障碍线。

所述的智能设备包括配置有蓝牙、WiFi或GPS的任何智能终端设备。

所述的车辆的周围对该车的斥力的作用的大小应与该车与周围路况之间的距离的平方成反比，方向指向该车；所述的当前所选择的目标路口对该车引力的作用的大小可为一固定值，也可为一随着该车与目标路口距离减小而减小的值，方向始终指向目标路口。

进一步地，基于引力场的车辆自动驾驶方法遵循以下规则：

1)当车辆的当前所行驶道路没有交通标线时，车辆所受到的力为道路的两个边缘对车辆的斥力、周围车辆对车辆的斥力、行人对于车辆的斥力、障碍物对于车辆的斥力以及目标路口的吸引力的合力；

2)当车辆一侧有不准许跨越的交通标线时，车辆所受到的力为道路一侧边缘对车辆的斥力、不准跨越的交通标线对车辆的斥力、周围车辆对车辆的斥力、行人对于车辆的斥力、障碍物对于车辆的斥力以及目标路口的吸引力的合力；

3)当车辆两侧有不准许跨越的交通标线时，车辆所受到的力为车辆两侧不准跨越的交通标线对车辆的斥力、周围车辆对车辆的斥力、行人对于车辆的斥力、障碍物对于车辆的斥力以及目标路口的吸引力的合力；

4)当车辆所行驶的当前路段有收费岛时，车辆所受到的力为道路的两个边缘或与车辆相邻的不准跨越的交通标线对车辆的斥力、收费岛对车辆的斥力、周围车辆对车辆的斥力、行人对于车辆的斥力、障碍物对于车辆的斥力以及目标路口的吸引力的合力；

5)当车辆所行驶的当前路段有障碍线时，车辆所受到的力为道路的两个边缘或与车辆相邻的不准跨越的交通标线对车辆的斥力、障碍线对车辆的斥力、周围车辆对车辆的斥力、行人对于车辆的斥力、障碍物对于车辆的斥力以及目标路口的吸引力的合力；

6)当车辆左侧有准许跨越超车的交通标线时，若车辆不超车，则车辆所受到的力为车辆右侧道路边缘或与车辆相邻的不准跨越的交通标线对车辆的斥力、准许跨越超车的交通标线对车辆的斥力、周围车辆对车辆的斥力、行人对于车辆的斥力、障碍物对于车辆的斥力以及目标路口的吸引力的合力；

若车辆超车，则车辆不受该准许跨越超车的交通标线对车辆的斥力，车辆所受到的力为车辆右侧的道路边缘或与车辆相邻的不准跨越的交通标线对车辆的斥力、对应于准许跨越超车的交通标线的超车道的左侧道路边缘或不准跨越的交通标线对车辆的斥力、周围车辆对车辆的斥力、行人对于车辆的斥力、障碍物对于车辆的斥力以及目标路口的吸引力的合力；

7)当车辆超车完成后，车辆左侧的道路边缘或与车辆相邻的不准跨越的交通标线对车辆不在具有斥力作用，车辆右侧的准许跨越超车的交通标线和与该准许跨越超车的交通标线对应的非超车道的右侧道路边缘或不准跨越的交通标线对车辆的斥力为负数；当车辆完全进入非超车道时，该非超车道的左侧的准许跨越的交通标线和右侧的道路边缘或不准跨越的交通标线对车辆的斥力为正数；

8)当车辆所行驶的当前路段有与信号灯相配合的交通标线时，若信号灯显示禁止通行，则车辆所受到的力为与信号灯相配合的交通标线对车辆的斥力、道路的两个边缘或车辆相邻的交通标线对车辆的斥力、周围车辆对车辆的斥力、行人对于车辆的斥力、障碍物对于车辆的斥力以及目标路口的吸引力的合力；

若信号灯显示允许通行，则车辆不受该与信号灯相配合的交通标线对车辆的斥力，并将当前车辆的目标路口切换为下一个目标路口，车辆所受到的力为道路的两个边缘或与车辆相邻的不准跨越的交通标线对车辆的斥力、周围车辆对车辆的斥力、行人对于车辆的斥力、障碍物对于车辆的斥力以及目标路口的吸引力的合力；

9)车辆的行驶速度应位于当前车辆所行驶道路的最高限速和最低限速之间；当车辆的速度高于车辆的当前所行驶道路的最高限速时，车辆以当前道路的的最高限速为行驶速度；当车辆的速度低于车辆的当前所行驶道路的最低限速时，车辆以当前道路的的最低限速为行驶速度；

本发明的有益效果是，本发明的基于引力场的车辆自动驾驶引导方法通过采用主动或被动方式实时确定车辆周围的路况，将周围路况和目标路口对车辆的影响分别模拟为引力和斥力的作用，依据周围路况和目标路口与车辆的相对位置和距离确定力的大小并求出车辆所受的合力，依据合力的大小和方向实时确定车辆的行驶速度和方向，具有实时性和自主性，为解决车辆自动驾驶问题提供了简单可靠的解决方案。

附图说明

图1是本发明的模拟车辆在道路上行驶时的周围路况和目标路口对车辆的作用力的示意图。

图2是本发明的模拟车辆在十字路口的周围路况和目标路口对车辆的作用力的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的一种基于引力场的车辆自动驾驶引导方法，包括以下步骤：

一种基于引力场的车辆自动驾驶引导方法，包括以下步骤：

所述的目标路口是指在已确定的行驶路径上，车辆在当前所行驶道路上所要到达的下一个路口。

所述的车辆的当前所行驶道路是指以当前车辆相邻的交通标线或道路边缘和目标路口为界所确定的道路；

所述的车辆的周围路况对该车的斥力的作用f_ij的大小应与该车与周围路况之间的距离的平方成反比，方向指向该车，其中，i是指当前所需要自动驾驶的车辆，j是指该车的周围路况；所述的当前所选择的行车路径对该车引力的作用F_ic的大小可为一固定值，也可为一随着该车与开路口c的距离减小而减小的值，方向始终指向路口c，其中i是指当前所需要自动驾驶的车辆，c是指当前车辆依据已确定的行车路径所要驶往的目标路口。

实施例1

车辆对行车路径、周围的路径的相关信息进行分析，将车辆所处的路况以及周围的车辆对甲车的作用模拟为物体之间存在斥力的作用f_1j，将当前所选择的行车路径对甲车的作用模拟为物体之间存在引力的作用F_1c，依据当前甲车所受到的合力确定车辆当前的行驶方向与速度，其中合力的方向为车辆的行车方向，车辆的行驶速度随着合力的大小而变化，从而实现车辆的自动驾驶。

如图1所示，甲车，编号为X₁，受到来自编号为X₂，X₃，X₄，X₅，X₆的车辆的斥力f₁₂，f₁₃，f₁₄，f₁₅，f₁₆以及来自道路R₁的左右两侧道路边缘对车辆的斥力以及已确定路径上该车辆即将到达的目标路口C₁的引力F₁₁，其中由于编号为X₂，X₄的车辆距离甲车的距离最大，编号为X₃，X₆的车辆以及道路R₁距离甲车的距离相等，且大于编号为X₅的车辆距离甲车的距离，因此力f₁₂，f₁₃，f₁₄，f₁₅，f₁₆满足以下大小关系：f₁₂＝f₁₄<f₁₁＝f₁₃＝f₁₆<f₁₅，目标路口C₁对甲车的引力F₁₁可为以固定值也可为一随车辆至该路口距离的减小而减小的数值。显然，此时甲车受到的合力F的方向指向沿道路向前，大小为一固定值或随车辆至该路口距离的减小而减小的数值。因此，甲车以一固定速度或变化速度沿道路向前行驶。

实施例2

如图2所示，车辆X₁，X₂当前所行驶道路分别为R₁，R₂，车辆X₁，X₂到达目标路口C₁，车辆X₁的下一个目标路口为C₂，车辆X₂的下一个目标路口为C₃，信号灯的指示状态如图中所示，与信号灯相配合的交通标线为l₁。

在t₁时刻，车辆X₁所受的力为道路R₁的左侧的不准跨越的交通标线对车辆的斥力道路R₁的右侧的准许跨越的交通标线对车辆的斥力以及目标路口C₂对车辆的吸引力F₁₂，若车辆X₁距离道路R₁的左侧和右侧的距离相等，则车辆X₁所受合力等于目标路口C₂对车辆的吸引力F₁₂。

在t₁时刻，车辆X₂所受的力为道路R₂的左侧的准许跨越的交通标线对车辆的斥力道路R₂的右侧的道路边缘对车辆的斥力由于当前信号灯指示禁止通行，则车辆X₂受到与信号灯相配合的交通标线l₁对车辆的斥力f₂₁，以及车辆当前的目标路口C₁对车辆的吸引力F₂₁，若车辆X₂距离道路R₂的左侧和右侧的距离相等，则车辆X₂所受合力等于F₂₁-f₂₁。

在t₂时刻，车辆X₁所处位置如图所示，车辆X₁所受的力目标路口C₂对车辆的吸引力F₁₂。在t₃时刻，车辆X₁所受的力为道路R₃的左侧的不准跨越的交通标线对车辆的斥力道路R₁的右侧的准许跨越的交通标线对车辆的斥力以及目标路口C₂对车辆的吸引力F₁₂，若车辆X₁距离道路R₃的左侧和右侧的距离相等，则车辆X₁所受合力等于目标路口C₂对车辆的吸引力F₁₂。

Claims

1.一种基于引力场的车辆自动驾驶引导方法，其特征在于，包括以下步骤：

2)目标路口确定：车辆根据已确定的行驶路径，依据电子地图确定车辆当前位置到目标路口的距离和相对位置；

4)自动驾驶导向力计算：车辆综合分析当前所行驶道路的周围路况信息，通过将车辆周围的路况对该车的作用模拟为物体之间存在斥力的作用，将当前所选择的目标路口对该车的作用模拟为物体之间存在引力的作用，依据当前该车辆所受到的合力确定车辆当前的行驶方向与速度，其中合力的方向为车辆的行车方向，车辆的行驶速度随着合力大小的变化而变化，从而实现车辆的自动驾驶；

所述的当前所选择的目标路口对该车的引力的作用由依据电子地图所确定的车辆当前位置到目标路口的距离和相对位置决定；

所述的被动方式是指车辆通过蓝牙、WiFi或GPS与周围车辆或者行人相连接，以获得周围车辆或者携带有智能设备的行人的信息。

2.根据权利要求1所述的基于引力场的车辆自动驾驶引导方法，其特征在于，所述的主动方式是指车辆通过摄像头、雷达、红外线和超声波方式检测周围路况信息。

3.根据权利要求1所述的基于引力场的车辆自动驾驶引导方法，其特征在于，所述的周围路况信息包括车辆所行驶的当前道路的道路信息、交通标线信息、信号灯信息、车辆信息、行人信息和障碍物信息；

所述的道路信息包括道路边缘与车辆相对位置和距离，道路的最高限速和最低限速；所述的交通标线信息包括交通标线与车辆的相对位置和距离；所述的信号灯信息包括信号灯与车辆的相对位置和距离，以及是否禁止车辆通行；所述的车辆信息包括周围车辆与该车辆的相对位置和距离；所述的行人信息包括行人与车辆的相对位置和距离；所述的障碍物信息包括障碍物与车辆的相对位置和距离；所述的交通标线包括准许跨越超车的交通标线、不准许跨越的交通标线、与信号灯相配合的交通标线、停车位标线、收费岛和障碍线。

4.根据权利要求1所述的基于引力场的车辆自动驾驶引导方法，其特征在于，所述的车辆周围的路况对该车的斥力的作用的大小应与该车与周围路况之间的距离的平方成反比，方向指向该车；所述的当前所选择的目标路口对该车引力的作用的大小为一固定值，或为一随着该车与目标路口距离减小而减小的值，方向始终指向目标路口。

5.根据权利要求1所述的基于引力场的车辆自动驾驶引导方法，其特征在于，所述步骤4)中，所述的合力大小的确定具体为：

4.1)当车辆的当前所行驶道路没有交通标线时，车辆所受到的力为道路的两个边缘对车辆的斥力、周围车辆对车辆的斥力、行人对于车辆的斥力、障碍物对于车辆的斥力以及目标路口的吸引力的合力；

4.2)当车辆一侧有不准许跨越的交通标线时，车辆所受到的力为道路一侧边缘对车辆的斥力、不准跨越的交通标线对车辆的斥力、周围车辆对车辆的斥力、行人对于车辆的斥力、障碍物对于车辆的斥力以及目标路口的吸引力的合力；

4.3)当车辆两侧有不准许跨越的交通标线时，车辆所受到的力为车辆两侧不准跨越的交通标线对车辆的斥力、周围车辆对车辆的斥力、行人对于车辆的斥力、障碍物对于车辆的斥力以及目标路口的吸引力的合力；

4.4)当车辆所行驶的当前路段有收费岛时，车辆所受到的力为道路的两个边缘或与车辆相邻的不准跨越的交通标线对车辆的斥力、收费岛对车辆的斥力、周围车辆对车辆的斥力、行人对于车辆的斥力、障碍物对于车辆的斥力以及目标路口的吸引力的合力；

4.5)当车辆所行驶的当前路段有障碍线时，车辆所受到的力为道路的两个边缘或与车辆相邻的不准跨越的交通标线对车辆的斥力、障碍线对车辆的斥力、周围车辆对车辆的斥力、行人对于车辆的斥力、障碍物对于车辆的斥力以及目标路口的吸引力的合力；

4.6)当车辆左侧有准许跨越超车的交通标线时，若车辆不超车，则车辆所受到的力为车辆右侧道路边缘或与车辆相邻的不准跨越的交通标线对车辆的斥力、左侧准许跨越超车的交通标线对车辆的斥力、周围车辆对车辆的斥力、行人对于车辆的斥力、障碍物对于车辆的斥力以及目标路口的吸引力的合力；

若车辆超车，则车辆不受该准许跨越超车的交通标线对车辆的斥力，车辆所受到的力为车辆右侧的道路边缘或与车辆相邻的不准跨越的交通标线对车辆的斥力、对应于准许跨越超车的交通标线的超车道的左侧的道路边缘或不准跨越的交通标线对车辆的斥力、周围车辆对车辆的斥力、行人对于车辆的斥力、障碍物对于车辆的斥力以及目标路口的吸引力的合力；

4.7)当车辆超车完成后，车辆左侧的道路边缘或与车辆相邻的不准跨越的交通标线对车辆不在具有斥力作用，车辆右侧的准许跨越超车的交通标线和与该准许跨越超车的交通标线对应的非超车道的右侧道路边缘或不准跨越的交通标线对车辆的斥力为负数；当车辆完全进入非超车道时，该非超车道的左侧的准许跨越的交通标线和右侧的道路边缘或不准跨越的交通标线对车辆的斥力为正数；

4.8)当车辆所行驶的当前路段有与信号灯相配合的交通标线时，若信号灯显示禁止通行，则车辆所受到的力为与信号灯相配合的交通标线对车辆的斥力、道路的两个边缘或车辆相邻的交通标线对车辆的斥力、周围车辆对车辆的斥力、行人对于车辆的斥力、障碍物对于车辆的斥力以及目标路口的吸引力的合力；

4.9)车辆的行驶速度应位于当前车辆所行驶道路的最高限速和最低限速之间；当车辆的速度高于车辆的当前所行驶道路的最高限速时，车辆以当前道路的的最高限速为行驶速度；当车辆的速度低于车辆的当前所行驶道路的最低限速时，车辆以当前道路的的最低限速为行驶速度。