CN111923905B - 对轨迹进行估计的***和方法 - Google Patents

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Abstract

对轨迹进行估计的***和方法。一种对车辆的轨迹进行估计的***，该***包括：检测车辆的移动状态的车辆状态传感器；对车辆的环境进行监测的环境传感器；基于车辆的移动状态并基于车辆的环境来确定可用空间通道的可用空间模块；以及基于可用空间通道来确定要估计的轨迹的至少一个目标点的目标点确定模块。此外，该***包括轨迹规划模块和轨迹控制模块，所述轨迹规划模块基于至少一个目标点来估计参考轨迹，并且计算车辆的实际轨迹与参考轨迹之间的偏离，轨迹控制模块使车辆的实际轨迹与参考轨迹之间的偏离最小化。所述***输出用于所述车辆的移动的最优控制参数。

Description

对轨迹进行估计的***和方法
技术领域
本公开涉及对车辆的轨迹进行估计的***和方法。
背景技术
已经开发出高级驾驶员辅助***(ADAS)来支持驾驶员，以便更安全、舒适地驾驶车辆。这些***包括例如自适应巡航控制(ACC)和车道保持辅助(LKA)。
自适应巡航控制试图维持由车辆驾驶员设定的速度或与包括自适应巡航控制的车辆前方的目标车辆保持一定距离。因此，自适应巡航控制仅在控制车辆在纵向方向上的速度方面有效，并且驾驶员必须控制车辆的方向盘，即，任何横向移动。
在另一方面，提供车道保持辅助以用于横向控制，并且通过控制车轮以便补偿相对于例如距车道标记的距离的任何不期望的横向偏离来将车辆保持在车道中。然而，如果激活了车道保持辅助，则不会对车辆进行速度控制。尽管通过车道保持辅助来控制转向，但是驾驶员仍然必须控制方向盘并在必要时接管控制。
此外，如果同时激活了自适应巡航控制和车道保持辅助，则车辆将在纵向和横向方向上操纵失灵，因为这些***通常不联接，并且它们的控制信号被分开处理。
为了改善车辆关于自主驾驶的能力，已经开发了轨迹规划以允许在纵向和横向两个方向上对车辆进行同步控制。此外，如果驾驶情况发生变化，通常会更新规划的轨迹。然而，在许多提出的轨迹规划***中，碰撞避免尚未被先验地考虑。
为了确定车辆前方的无碰撞空间，已经提出了所谓的占据栅格(occupancy grid)技术，该技术分析由车辆前方的栅格限定的单元的状态。对于每个单元，通过使用复杂的数学方法来检查该单元是否被占据、部分被占据、被遮挡或空闲。为了确保车辆前方的无碰撞空间，如果道路的曲率增加，则栅格的尺寸(即，其单元的数量)会变大。此外，占据栅格通常是在世界坐标系的基础上设计的。也就是说，由于轨迹规划通常是在车辆坐标系中执行的，因此占据栅格技术需要多个变换步骤。因此，除了轨迹规划之外还使用占据栅格技术会伴随着大量的计算工作量。
因此，需要提供能够识别车辆的无碰撞和最优车道保持轨迹的***和方法。
发明内容
在一个方面，本公开旨在提供一种估计车辆的轨迹的***，所述***包括检测所述车辆的移动状态的车辆状态传感器以及监测所述车辆的环境的环境传感器。所述***还包括可用空间模块和目标点确定模块，所述可用空间模块基于所检测的所述车辆的移动状态并且基于所监测的所述车辆的环境来确定可用空间通道，并且所述目标点确定模块基于所述可用空间通道来确定要估计的轨迹的至少一个目标点。此外，所述***包括轨迹规划模块和轨迹控制模块，所述轨迹规划模块基于所述至少一个目标点来估计参考轨迹，并且计算所述车辆的实际轨迹与所述参考轨迹之间的偏离，所述轨迹控制模块使所述车辆的所述实际轨迹与所述参考轨迹之间的所述偏离最小化，并且基于最小化的偏离来输出用于所述车辆的移动的最优控制参数。
车辆的移动状态可以包括所述车辆的当前位置、速度、加速度和偏航率。关于被监测的车辆环境的信息可以包括例如车道标记、其他车辆或物体的存在和/或到车道标记、其他车辆或物体的距离。此外，可用空间通道可以包括环境传感器和/或车辆驾驶员的视野范围内的空间的、对于车辆的预期行驶方向没有障碍物的一部分。
由于在确定至少一个目标点时考虑了可用空间通道，因此在基于至少一个目标点估计参考轨迹时，轨迹规划模块提供了最优且无碰撞的参考轨迹。另外，与例如占据栅格技术相比，减少了用于估计参考轨迹的计算工作量，因为不需要针对占据来处理较大的栅格，而是可以例如基于少量的几何要素(例如，由多项式表示的圆弧和直线)来表示可用空间通道。因此，例如与占据栅格技术相比，减少了用于定义无碰撞空间的计算工作量，特别是减少了针对车辆前方道路的高曲率的计算工作量，因为当使用占据栅格技术时，栅格内所需的单元数量大大增加。
所述***还可以包括以下特征中的一个或更多个：
所述轨迹规划模块可以确定所述实际轨迹与所述参考轨迹之间的所述偏离是否大于预定阈值，如果所述偏离大于所述预定阈值，则所述轨迹规划模块可以确定剩余转向干预时间并且可以基于所述剩余转向干预时间来估计更新的参考轨迹。所述目标点确定模块可以基于所述环境传感器的最大感知能力范围来确定主要目标点，并且基于小于所述最大感知能力范围的缩小的范围来确定至少一个备用目标点，并且所述轨迹规划模块可以基于所述主要目标点来估计所述参考轨迹，并且可以相对于动态约束以及与所述可用空间通道有关的约束来检查所述参考轨迹。另外，如果基于所述主要目标点估计的所述参考轨迹违反了所述动态约束或与所述可用空间通道有关的所述约束，则所述轨迹规划模块可以基于所述备用目标点来估计修改的参考轨迹。所述***还可以包括横向误差确定模块，所述横向误差确定模块确定从所述车辆的所述移动状态得出的所述车辆的横向位置与预期横向位置之间的横向误差，并且所述目标点确定模块还可以基于所述横向误差来确定所述至少一个目标点。所述轨迹控制模块可以通过使基于所述车辆的单轨模型的成本函数最小化来使所述车辆的所述实际轨迹与所述参考轨迹之间的所述偏离最小化。此外，所述轨迹控制模块可以估计补偿曲率，所述补偿曲率被应用于所述实际轨迹，以便在所述车辆的所述实际轨迹与所述参考轨迹之间的所述偏离增大时将所述车辆重定向到所述参考轨迹。所述车辆状态传感器可以包括全球定位***和惯性测量单元，和/或所述环境传感器可以包括光学摄像头、雷达***和/或激光雷达***。
所述轨迹规划模块可以确定所述实际轨迹与所述参考轨迹之间的所述偏离是否大于预定阈值。如果所述偏离大于所述预定阈值，则所述轨迹规划模块可以确定剩余转向干预时间并且可以基于所述剩余转向干预时间来估计更新的参考轨迹。对于更新的参考轨迹，使用与先前参考轨迹相同的至少一个目标点。因此，通过更新参考轨迹，可以将车辆保持“在轨道上”，这可以提供改善的车道保持功能。如果转向干预时间小于预定的时间阈值，则车辆驾驶员必须接管控制以便确保安全驾驶。
根据所述***的实施方式，所述目标点确定模块基于所述环境传感器的最大感知能力范围来确定主要目标点，并且基于小于所述最大感知能力范围的缩小范围来确定至少一个备用目标点。所述轨迹规划模块可以基于所述主要目标点来估计所述参考轨迹，并且可以相对于动态约束以及与所述可用空间通道有关的约束来检查所述参考轨迹。如果基于所述主要目标点估计的所述参考轨迹违反了所述动态约束或与所述可用空间通道有关的所述约束，则所述轨迹规划模块可以基于所述至少一个备用目标点来估计修改的参考轨迹。通过这种方式，通过排除违反关于车辆动力学或可用空间通道约束的主要目标点，改善了驾驶安全性。通过将至少一个备用目标点而不是主要目标点用于估计参考轨迹来减小轨迹规划的范围对应于减小用于轨迹规划的时间范围。由于减小的时间范围，可以在早期防止实际轨迹与参考轨迹之间的偏离的过度增加。因此，减少了用于进一步的轨迹规划和轨迹控制的计算工作量，因为例如需要估计的更新轨迹更少，并且轨迹控制模块可以更容易地最小化实际轨迹与参考轨迹之间的偏离。
所述***还可以包括横向误差确定模块，所述横向误差确定模块确定从所述移动状态得出的所述车辆的横向位置与预期横向位置之间的横向误差。所述目标点确定模块还可以基于所述横向误差来确定所述至少一个目标点。预期横向位置可以是车辆所行驶的车道的中心，并且可以由环境传感器(例如，检测车道标记的摄像头)确定。因此，为目标点确定模块和轨迹规划模块提供了与针对传统车道保持辅助的输入相似的附加输入。因此，增加了轨迹规划的可靠性。
所述轨迹控制模块可以通过使基于所述车辆的单轨模型的成本函数最小化来使所述车辆的所述实际轨迹与所述参考轨迹之间的所述偏离最小化。另外，所述轨迹控制模块可以估计补偿曲率，所述补偿曲率被应用于所述实际轨迹，以便在所述车辆的所述实际轨迹与所述参考轨迹之间的所述偏离增大时将所述车辆重定向到所述参考轨迹。因此，如果车辆开始离开参考轨迹，则通过补偿曲率立即校正车辆的实际行驶方向。
所述车辆状态传感器可以包括全球定位***和惯性测量单元，而所述环境传感器可以包括光学摄像头、雷达***和/或激光雷达***。
另一方面，本公开旨在提供一种估计车辆的轨迹的方法。根据所述方法，通过使用车辆状态传感器来检测所述车辆的移动状态，并且通过使用环境传感器来监测所述车辆的环境。基于所检测的所述车辆的移动状态并且基于所监测的所述车辆的环境来确定可用空间通道，并且基于所述可用空间通道来确定要估计的轨迹的至少一个目标点。基于所述至少一个目标点来估计参考轨迹，并且计算所述车辆的实际轨迹与所述参考轨迹之间的偏离。使所述车辆的所述实际轨迹与所述参考轨迹之间的所述偏离最小化，并且基于最小化的偏离来提供用于所述车辆的移动的最优控制参数。
如上所述的根据第一方面的***的详细说明和优点对于该方法也是有效的。特别地，例如，与使用占据栅格技术相比，减少了轨迹规划步骤的计算工作量，因为参考轨迹是基于可用空间通道估计的。
所述方法可以进一步包括以下特征中的一个或更多个：
估计参考轨迹的步骤还可以包括：确定所述实际轨迹与所述参考轨迹之间的所述偏离是否大于预定阈值，以及如果所述偏离大于所述预定阈值，则确定剩余转向干预时间，并且基于所述剩余转向干预时间来估计更新的参考轨迹。确定至少一个目标点的步骤还可以包括：基于所述环境传感器的最大感知能力范围来确定主要目标点，并且基于小于所述最大感知能力范围的缩小范围来确定至少一个备用目标点，基于所述主要目标点来估计所述参考轨迹，并且相对于动态约束以及与所述可用空间通道有关的约束来检查所述参考轨迹，以及如果基于所述主要目标点估计的所述参考轨迹违反了所述动态约束或与所述可用空间通道有关的所述约束，则基于所述备用目标点来估计修改的参考轨迹。另外，所述方法还可以包括：确定从所述车辆的所述移动状态得出的所述车辆的横向位置与预期横向位置之间的横向误差，以及另外基于所述横向误差来确定所述至少一个目标点。使所述车辆的所述实际轨迹与所述参考轨迹之间的所述偏离最小化的步骤还可以包括使基于所述车辆的单轨模型的成本函数最小化。提供用于所述车辆的移动的最优控制参数的步骤还可以包括估计补偿曲率，所述补偿曲率被应用于所述实际轨迹，以便在所述车辆的所述实际轨迹与所述参考轨迹之间的所述偏离增大时将所述车辆重定向到所述参考轨迹。此外，可以仅在所述车辆的横向加速度小于加速度阈值并且在所述至少一个目标点符合预定义的约束时，才估计所述参考轨迹。确定所述车辆前方的所述可用空间通道的步骤可以包括应用凸包技术。
上面针对所述***的实施方式提及的详细说明和优点对于该方法的相应实施方式也是有效的。此外，可以仅在车辆的横向加速度小于加速度阈值并且在至少一个目标点符合预定义的约束时，才估计参考轨迹。由于用于估计参考轨迹的该条件，提高了驾驶的安全性，因为如果不满足这些条件，则驾驶员必须接管控制，并且终止了估计车辆的轨迹的方法。此外，确定车辆的可用空间通道可以包括应用凸包技术。通过这种方式，例如与使用占据栅格技术相比，简化了车辆的无碰撞轨迹的确定。
另一方面，本公开旨在提供一种计算机***，所述计算机***被配置为执行本文描述的方法的若干或所有步骤。
该计算机***可以包括处理单元、至少一个存储器单元和至少一个非暂时性数据存储装置。非暂时性数据存储装置和/或存储器单元可以包括计算机程序，该计算机程序用于指示计算机执行本文描述的方法的若干或所有步骤或方面。
在另一方面，本公开旨在提供一种非暂时性计算机可读介质，该非暂时性计算机可读介质包含用于执行本文所述的方法的若干或所有步骤或方面的指令。所述计算机可读介质可以被配置为：诸如光盘(CD)或数字通用盘(DVD)的光学介质；诸如硬盘驱动器(HDD)的磁性介质；固态驱动器(SSD)；诸如闪存的只读存储器(ROM)等。此外，计算机可读介质可以被配置为可经由诸如因特网连接的数据连接访问的数据存储装置。计算机可读介质可以例如是在线数据存储库或云存储。
本公开还旨在提供一种计算机程序，该计算机程序用于指示计算机执行本文描述的方法的若干或所有步骤或方面。
如本文所使用的，术语“模块”可以指代、属于或者包含专用集成电路(ASIC)、电子电路、组合逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)、执行代码的处理器(共享、专用或组)、提供上述功能的其他合适组件或上述某些或全部的组合，例如在片上***中。术语模块可以包括存储由处理器执行的代码的存储器(共享、专用或组)。
附图说明
在此结合以下附图描述本公开的示例性实施方式和功能，附图中：
图1a描绘了车道保持辅助功能和自适应巡航控制功能，并且图1b描绘了宿主车辆的轨迹规划；
图2描绘了用于估计宿主车辆的轨迹的***的框图；
图3a和图3b描绘了与空闲空间通道概念相比的占据栅格概念；
图4a、图4b和图4c描绘了使用可用空间通道进行轨迹规划的示例；
图5描绘了用于估计宿主车辆的轨迹的方法的流程图；
图6描绘了基于主要目标点和基于备用目标点的轨迹规划；
图7a和图7b描绘了使用空闲空间通道约束对参考轨迹的检查；
图8描绘了轨迹的重新优化过程，
图9a描绘了单轨模型，并且图9b描绘了成本函数表面图；以及
图10a、图10b和图10c描绘了补偿曲率的应用。
具体实施方式
在图1a中，描绘了在车道标记13之间的道路上移动的宿主车辆11。宿主车辆11设有车道保持辅助功能，该功能在图1a中由相对于道路在横向方向上对齐的箭头15表示。此外，宿主车辆11设有自适应巡航控制功能，该功能由在纵向方向上(即，沿道路)对齐的箭头17表示。常规的车道保持辅助***的目的是将宿主车辆11保持在车道标记13之间的中心19处。另一方面，自适应巡航控制***试图相对于在宿主车辆11前方行驶的另一车辆保持距离，并因此控制宿主车辆11的纵向位置和速度。通常不通过结合车道保持辅助和自适应巡航控制来提供纵向和横向控制的组合，因为宿主车辆11趋于被独立辅助***的这种简单组合所控制。
然而，可以通过如图1b所示的轨迹规划来提供对宿主车辆11的纵向和横向控制。对于轨迹规划，定义了时间范围21，该时间范围对应于安装在宿主车辆11中的环境传感器35(见图2)的感知能力范围。例如，环境传感器35包括摄像头、雷达***和/或激光雷达***。
在图1b中由Tp表示的时间范围21被划分为在图1b中由dt表示的时间增量23，以便定义用于轨迹规划的节点25。每个节点25包括宿主车辆11在时间步k处的纵向方向上的位置xk、横向方向上的位置yk以及偏航角ψk。基于节点25，经由轨迹规划来估计参考轨迹27。通过针对车辆运动控制的合适输入来控制宿主车辆11的移动，以便靠近参考轨迹27。
图2描绘了用于估计宿主车辆11的轨迹的***31的实施方式。该***包括检测宿主车辆11的移动状态(即，宿主车辆11的位置、速度、加速度和偏航率)的车辆状态传感器33。车辆状态传感器33包括例如全球定位***(GPS)和惯性测量单元(IMU)。***31还包括监测宿主车辆11的环境(即，车道标记的位置和宿主车辆11的移动方向上的可用空间)的环境传感器35。可以通过对车辆的位置和速度以及宿主车辆11周围的障碍物进行监测来确定可用空间。如上所述，环境传感器35可以包括光学摄像头、雷达***和/或激光雷达***。
***31还包括可用空间模块37和横向误差确定模块39，可用空间模块37和横向误差确定模块39各自接收来自车辆状态传感器33和环境传感器35的组合输入。可用空间通道模块37确定在宿主车辆11的移动方向上没有障碍物的空间。该空间被称为可用空间通道38(见图3a、图3b、图4a、图4b、图4c、图7a和图7b)，并将在下面详细说明。横向误差确定模块39基于由环境传感器35监测的车道标记13的位置并基于宿主车辆11的移动状态(即，宿主车辆11的位置和速度)来确定相对于车道中心19(见图1a和图1b)的横向误差。
由可用空间模块37确定的可用空间通道38和由横向误差确定模块39确定的横向误差是针对***31的目标点确定模块41的输入。目标点确定模块41确定主要目标点55(见图6)和备用目标点57，这些目标点是针对***31的轨迹规划模块43的输入。主要目标点55是基于由环境传感器35的感知能力限定的完整时间范围21(见图1a和图1b)而确定的，而备用目标点57是基于小于完整时间范围21的减小的时间范围而确定的。在主要目标点55被证明不适合于轨迹规划的情况下，备用目标点57顺序地替换主要目标点55，这将在下面详细说明。
轨迹规划模块43基于主要目标点55或基于备用目标点57之一(见图6)来估计参考轨迹27(见图1a和图1b)。此外，轨迹规划模块43计算参考轨迹27与基于车辆状态传感器33的输出(例如基于宿主车辆11的位置和速度)确定的宿主车辆11的实际轨迹之间的偏离。图2中的节点44表示对参考轨迹27与宿主车辆11的实际轨迹之间的偏离的确定。如果参考轨迹27与宿主车辆11的实际轨迹之间的偏离大于阈值47，则将激活与***31的轨迹规划模块43相关联的轨迹重新优化模块49。轨迹重新优化模块49针对到用于估计原始参考轨迹27的目标点的剩余距离来估计更新的参考轨迹，该更新的参考轨迹也称为重新优化的轨迹。将在图8的上下文中描述重新优化。
***31还包括轨迹控制模块45，该轨迹控制模块45将用于车辆移动的控制参数输出到与用于估计宿主车辆11的轨迹的***31通信的车辆运动控制部51。轨迹控制模块45的输出(也是整个***31的输出)包括用于宿主车辆11的转向的参数，例如转向角或转向扭矩。
如图3b所示，由可用空间模块37确定的可用空间通道38是通过在宿主车辆11的移动方向上沿着道路延伸的一组节段53来表示的。每个节段53由一组顶点限定，这些顶点通过直线或曲线连接以便遵循道路的路线。详细地，如图3b和图7a所示的每个节段53的四个顶点各自通过横向方向上的两条直线连接，而由多项式表示的两条曲线在纵向方向上连接这些顶点。此外，这些节段在横向方向上以预定义距离离散。例如，每个节段53在横向方向上具有0.20m的宽度。在纵向方向上，每个节段53的范围从宿主车辆11的位置到一个或更多个检测到的对象，或者直到环境传感器35的感知范围。在纵向方向上，每个节段53考虑了道路的曲率。
节段53在车辆坐标系52中表示。相比之下，通常在世界坐标系54中定义如图3a所示并且现有技术已知的占据栅格。因此，如果来自占据栅格的信息将用于宿主车辆11的轨迹规划，则需要对该信息进行坐标变换。此外，对于占据栅格技术，必须使用伴随有大量单元的相对大的栅格尺寸，以便覆盖宿主车辆11的整个感兴趣区域。也就是说，占据栅格需要大量数据用于其表示，这需要相应的大存储器。
因此，表示可用空间通道38的一组节段53(见图3b)由于减少的数据量和更少的处理而需要低得多的计算工作量(即，更少的存储器)，这是因为与占据栅格技术相比，不需要坐标变换。
在图4a、图4b和图4c中示出了使用表示可用空间通道38的节段53的示例。可用空间通道38被应用于相对于车道的中心19的车道居中(图4a)或车道偏置(图4b)，其中，宿主车辆11遵循由***31估计的参考轨迹27。另一示例是变道，如图4c所示。在这种情况下，参考轨迹27将宿主车辆11引导至相邻车道的中心19。
图5描绘了用于估计车辆的轨迹的方法100的流程图。该方法步骤由如图2所示的轨迹规划模块43和轨迹控制模块45执行。
在步骤101中，获取对于执行方法100而言必需的输入。这些输入包括由目标点确定模块41(见图2)提供的目标点信息91、由可用空间模块37提供的可用空间通道信息92、由车辆状态传感器33提供的车辆运动信息93以及用于全局时间同步的时间信息94。该信息94可以包括来自GPS***或来自IMU***的时间戳信息。目标点信息91包括作为目标点确定模块41的输出的主要目标点55和预定义数量的备用目标点57(见图6)。
在步骤102和步骤103中，执行对步骤101处所接收的输入的一部分的验证。在步骤102处，通过检查对于轨迹规划所需的目标点是否存在并且可用，来验证所接收的目标点信息91。例如，检查目标点确定模块41是否提供了主要目标点55(见图6)或至少一个备用目标点57，该目标点确定模块41仅确定位于可用空间通道38内的目标点。因此，目标点确定模块41可能无法在可用空间通道38内找到具有合理位置的目标点。在这种情况下，由目标点确定模块41提供的目标点信息91为空数据集，并且该检查在步骤102处失败。
在步骤103处，将宿主车辆11的当前横向加速度与可以针对宿主车辆11预定义的最大横向加速度进行比较。例如，关于舒适驾驶的横向加速度的上限为0.3g。
如果在步骤102处目标点的检查失败或者如果在步骤103处当前横向加速度大于预定义的最大横向加速度，则轨迹规划终止，并且宿主车辆11的驾驶员必须接管控制。在后一种情况下(即，如果当前横向加速度大于最大横向加速度)，宿主车辆11行驶太快，以至于***31和方法100无法提供可行的轨迹输出。
在步骤104和步骤105处，基于与环境传感器35的最大感知能力范围相对应的主要目标点55来估计参考轨迹27。参考轨迹27可以分别由针对宿主车辆11的纵向和横向位置的五阶多项式表示。详细地，给定时刻t的纵向位置px(t)和横向位置py(t)由下式表示：
在步骤104处，通过使用表示宿主车辆11在时刻t0的当前位置的初始条件(px0,py0,t0)并通过使用表示要在时刻tf到达的主要目标点的最终条件(pxf,pyf,tf)来确定系数a0至a5和b0至b5。另外，系数a0至a5和b0至b5受制于使规划成本函数最小化的进一步条件，该规划成本函数由下式定义：
在步骤106至步骤109处，检查基于主要目标点55估计的参考轨迹27是否违反某些约束。如果违反了这些约束之一，则基于第一个备用目标点57(见图6)来估计修改的参考轨迹。另外，迭代地重复这个检查参考轨迹以及基于下一备用目标点来估计另一修改的参考轨迹的处理。
在步骤106处，针对动态约束来检查基于主要目标点估计的参考轨迹。动态约束包括针对宿主车辆11的纵向和横向方向上的速度和加速度的最小限度和最大限度。如果违反这些约束之一(即，如果宿主车辆11的速度或加速度大于沿着参考轨迹的这些限度之一)，则将基于第一备用目标点57来估计修改的参考轨迹，与主要目标点55相比，该第一备用目标点57相对于宿主车辆11的当前位置的距离减小(见图6)。使用第一备用目标点57代替主要目标点55对应于被用于估计参考轨迹27(即，用于轨迹规划)的时间范围21(见图1a和图1b)的减小。
在步骤108处，估计修改的参考轨迹，并且在步骤106处，还检查是否违反了动态约束。如果仍然违反动态约束，则在步骤108处，基于下一备用目标点57来估计另一修改的轨迹，与第一备用目标点57相比，该下一备用目标点57相对于宿主车辆11的当前位置的距离进一步减小(见图6)。也就是说，通过使用下一备用目标点57，再次减小了轨迹规划的时间范围。此后，在步骤106处，再次检查了另一修改的轨迹是否违反动态约束。也就是说，迭代地重复该处理，直到不再违反动态约束为止或者直到没有进一步的备用目标点57为止。
在步骤109处，检查另一备用目标点57是否可用。也就是说，在步骤108处估计下一个修改的轨迹之前，检查下一个备用目标点57的存在。如果在步骤109处确定没有进一步的备用目标点57可用，则该方法将不能规划可行的轨迹。在这种情况下，该方法终止并且宿主车辆11的驾驶员必须接管控制。
在步骤107处，检查符合动态约束的参考轨迹是否违反可用空间通道约束。对于该检查，使用节段53，这些节段是可用空间通道38的表示，如上面在图3a、图3b、图4a、图4b和图4c的上下文中所述。为了执行可用空间通道检查，使用凸包(convex hull)技术来找到由节段53表示的整个可用空间通道38的边界约束。如图7a和图7b所示，对于图7a处示出的节段53的整体，确定图7b处示出的凸包60。如图7b所示，凸包60可以由经由单组顶点的整体分割来表示。
详细地，首先如上所述(见图3b)通过考虑宿主车辆11的可能的障碍物来确定图7a中所示的一组节段53，这些障碍物在图7a和图7b中用小的两位数字表示。凸包60包裹在整个一组节段53上并且包括一组点，这些点指定可用空间通道38的边界，如下所示：
其中，表示节段j在纵向方向上的一组弧线，M是节段的总数，/>和/>分别是每个节段的一组左横向边界和右横向边界，X FR是一组纵向弧线的凸包，Y FR,L和Y FR,R是整个节段的一组左右横向边界的凸包。
针对由凸包60表示的可用空间通道38，检查作为步骤106的输出的参考轨迹27，即，检查参考轨迹27是否位于由凸包60限定的区域所给定的界限内。如果是，则宿主车辆沿该轨迹的移动将不会发生碰撞。
如果参考轨迹违反可用空间通道约束，则在步骤108处基于下一备用目标点再次估计修改的参考轨迹。在步骤106处，再次检查基于下一备用目标点57估计的该参考轨迹是否违反动态约束。因此，也使用下一备用目标点57，以与上面在步骤106处关于动态约束检查所描述的相同方式迭代地检查是否违反可用空间通道约束。
通过了步骤106和步骤107处的约束检查并因此满足所有约束的参考轨迹可以被视为具有上面在公式(1)中定义的五阶多项式的最优系数的轨迹。该最优系数集合可以表示为
α＝{a0,a1,a2,a3,a4,a5}
β＝{b0,b1,b2,b3,b4,b5} (4)
这些系数集合α,β可以被视为描述参考轨迹27(见图1a和图1b)的纵向和横向分量的向量。因此，在步骤110中，输出参考轨迹的最优系数，以用于步骤112处重新优化参考轨迹的步骤(如果需要的话)以及用于轨迹控制的步骤，即，步骤114和步骤115。
在步骤111处，检查具有上述最优系数的参考轨迹27是否存在相对于宿主车辆11的实际轨迹或运动的偏离，该实际轨迹或运动是从车辆状态传感器33(见图2)提供的输出得出的。为了计算参考轨迹与宿主车辆11的实际轨迹之间的偏离，可以通过以下转移矩阵针对采样时间Δk来描述参考轨迹的扩散(propagation)：
采样时间Δk对应于当前时间戳，该当前时间戳是由例如GPS和IMU***的车辆状态传感器33输入的时间信息94的一部分。针对采样时间Δk的参考轨迹可以确定为：
PX(t)＝Φ·α
PY(t)＝Φ·β
PX、PY分别是所估计的参考轨迹27在纵向和横向方向上的向量，并且包括宿主车辆11的规划运动的位置、速度、加速度和加加速度(jerk)。
如上所述，可以通过车辆状态传感器33的输出来确定宿主车辆11的实际轨迹，并且可以通过与时间信息94(见图2)和采样时间Δk的同步来确定对应于PX、PY的相应向量。比较参考轨迹27和宿主车辆11的实际轨迹，以便计算在给定时刻t这些轨迹之间的偏离。在步骤111处，将轨迹之间的偏离与预定义阈值进行比较。
参考轨迹27与宿主车辆11的实际轨迹之间的偏离可以通过以下偏离向量来描述：
瞬时时刻t的偏离向量e(t)分别包括纵向距离偏离ex(t)、横向距离偏离ey(t)和偏航角偏离eΨ(t)。
接下来，计算剩余转向干预时间以及到用于参考轨迹的主要或备用目标点55、57的剩余纵向距离。详细地，如下计算剩余转向干预时间以及剩余纵向和横向距离：
Δtr＝tf-t
pxg和pyg是用于计算参考轨迹的主要或备用目标点55、57在车辆坐标系中的纵向和横向坐标，px(t)和py(t)描述了宿主车辆11的运动的反馈。tf是总转向干预时间，即，宿主车辆到达主要或备用目标点55、57所需要的时间。在步骤113处计算剩余转向干预时间Δtr和剩余距离，在该步骤处判定剩余时间和距离是否足以重新优化参考轨迹。如果剩余时间和剩余距离不足，则该方法终止，并且车辆驾驶员必须接管控制。
如果有足够的剩余时间用于转向干预，并且如果到主要或备用目标点55、57的距离也足够，则参考轨迹的重新优化将在步骤112处执行。对于重新优化，使用与原始参考轨迹27(针对该原始参考轨迹，在步骤110处输出了最优系数)相同的主要或备用目标点55、57，针对剩余转向干预时间估计新的参考轨迹。也就是说，对于剩余转向干预时间，计算新的最优系数a0至a5，以便将宿主车辆11重定向到所考虑的主要或备用目标点。
在图8中示意性地描绘了重新优化轨迹的处理。在中间，示出了参考轨迹27和宿主车辆11的最优位置。如果宿主车辆11的运动与参考轨迹之间的偏离变得大于预定义阈值，则***31将尝试重新优化轨迹。对于图8所示的示例，预定义阈值为0.5m。因此，如果在参考轨迹27的右侧示出的偏离61变得大于0.5m，则***31检查是否有足够的转向干预时间用于重新优化。对于参考轨迹27与宿主车辆11的运动轨迹63(见图8的右侧)之间的偏离61，转向干预时间以及到主要或备用目标点55、57的距离足以估计重新优化的轨迹65，该轨迹65将宿主车辆11重定向到主要或备用目标点。相比之下，对于在参考轨迹27的右侧示出的偏离，剩余转向干预时间不足，因此不能进行重新优化。图8的右侧的轨迹示出了如果驾驶员没有另外提供控制输入，则宿主车辆将最后来到哪里。
如果在步骤111处参考轨迹27与宿主车辆11的运动之间的偏离低于预定义阈值，则轨迹控制模块45(见图2)将基于单轨模型(见图9a)的使用来执行轨迹控制。轨迹控制在步骤114处执行，并且试图通过如下所述地使成本函数最小化来使参考轨迹与宿主车辆11的运动之间的偏离最小化。
根据单轨模型，向量χ定义为其中ey和/>是横向偏离及其速率，并且其中eΨ和/>分别是相对于参考轨迹的偏航偏离(yaw deviation)和偏航率偏离(yawrate deviation)。偏离的运动方程可以用公式表示为
在这些公式中，m是车辆的质量，vx是纵向速度(见图9a)，Iz是车辆的偏航惯性矩，Ψ*是相对于道路曲率的期望偏航率，δ是转向角，cf和cr分别是前后轮胎的相应转弯柔度(corning compliance)，并且lf和lr分别是从车辆的重心(c.g.)到前后轴的相应距离。此外，Φ是输入道路角度，而g是重力加速度。
可以如下通过引入状态传递矩阵A和输入矩阵B、和BΦ来将运动方程(9)向量化：/>
可以基于模型预测控制方案来确定最优控制输出，该模型预测控制方案试图减小在稳定状态下的偏离，在该稳定状态下，道路曲率和道路角度BΦ的影响被排除。为了得出成本函数，可以将根据模型预测控制方案的预测用公式表示如下：
ξk＝Mχk+Θuk
矩阵M是如(10)中所定义的状态转移矩阵A的卷积矩阵并且描述了车辆状态的预测范围(N步)，并且Θ是基于也如(10)中所定义的矩阵A和B的集总可控性矩阵。uk对应于时间步k处的转向角δ。
可以通过下式在预测时间范围N处定义用于对每个偏离状态(如在(9)的上下文中定义的向量χ)进行加权的成本矩阵q：
Q＝Ct qC
表示整个预测时间范围N的状态的成本矩阵，并且C表示输出矩阵。此外，可以将预测范围处的输入速率矩阵定义为：
R＝ru
通过如下计算成本函数的Hessian矩阵和该函数的线性部分的系数向量F
可以针对优化问题用公式表示二次成本函数如下：
二次成本函数的示例如图9b所示。成本函数的最小化可以用公式表示如下：
受制于
Acuk≤bc+Bcxk (16)
Ac是等式和不等式约束矩阵的级联，bc是状态约束[χub,χlb]，其中，χub是偏离状态向量的上边界，χlb是偏离状态向量的下边界，Bc是每个预测范围处的状态转移矩阵[-An,An]的级联，并且n是相关联的预测范围(n步)。
最小化的结果为车辆运动控制部51(见图2)提供了最优控制输出，该最优控制输出可以表示如下：
u*(l)＝argminuJ(k) (17)
另外，基于单轨模型，可以如下得出转向角δ的补偿：
δFF是前馈转向角，RoC是曲率半径，是期望横向加速度，/>是期望偏航率，并且Φ是道路角度。
在框115处，生成补偿曲率67(见图10c)，以便校正宿主车辆11相对于参考轨迹27的运动。在图10a中，示出了宿主车辆11在车道标记13之间的移动，而图10b分别描绘了宿主车辆11和参考轨迹27的方向69、71(即，相对于以零转向角的笔直移动的角度)，并且图10c描绘了宿主车辆11和参考轨迹27的移动的曲率73、75。方向69、71和曲率73、75以时间上的任意单位示出。另外，在图10b和图10c中分别示出了补偿方向77和补偿曲率67。
在正常情况下，宿主车辆11应跟踪参考轨迹27。如果宿主车辆11的运动开始偏离参考轨迹27，即，如果车辆运动的当前方向69和当前曲率73分别偏离图10b和图10c所示的参考轨迹的方向71和曲率75，则计算补偿方向77和补偿曲率67，以便补偿当前方向69和当前曲率73，并且将宿主车辆11重定向到如图10a所示的参考轨迹27。
基于单轨模型，补偿曲率67可计算为：
宿主车辆11的方向是由车辆的转向角限定的。如图10a所示，转向角几乎为零。相应地，宿主车辆11的当前方向69和当前曲率73几乎恒定。通过考虑补偿曲率67和补偿方向77，宿主车辆11的实际轨迹再次指向目标点55、57，即，指向主要目标点55或指向备用目标点57之一，如上所述。
词汇表
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附图标记列表
11 宿主车辆
13 车道标记
15 车道保持辅助
17 自适应巡航控制
19 车道中心
21 时间范围
23 时间增量
25 用于轨迹规划的节点
27 参考轨迹
31 用于估计车辆轨迹的***
33 车辆状态传感器
35 环境传感器
37 可用空间模块
38 可用空间通道
39 横向误差确定模块
41 目标点确定模块
43 轨迹规划模块
44 用于比较的节点
45 轨迹控制模块
47 阈值
49 轨迹重新优化模块
51 车辆运动控制部
52 车辆坐标系
53 节段
54 世界坐标系
55 主要目标点
57 备用目标点
59 修改的参考轨迹
60 凸包
61 参考轨迹与车辆运动之间的偏离
63 车辆的实际轨迹
65 重新优化的轨迹
67 补偿曲率
69 车辆运动的当前方向
71 参考轨迹的当前方向
73 车辆运动的当前曲率
75 参考轨迹的曲率
77 补偿方向
100至115 方法和方法步骤

Claims (13)

1.一种对车辆(11)的轨迹进行估计的***(31)，所述***包括：
车辆状态传感器(33)，其检测所述车辆(11)的移动状态；
环境传感器(35)，其监测所述车辆(11)的环境；
可用空间模块(37)，其基于所述车辆(11)的检测到的移动状态并且基于所述车辆(11)的所监测的环境来确定可用空间通道(38)；
目标点确定模块(41)，其基于所述可用空间通道(38)来确定要估计的轨迹的至少一个目标点(55、57)；
轨迹规划模块(43)，其基于所述至少一个目标点(55、57)来估计参考轨迹(27)，并且计算所述车辆(11)的实际轨迹与所述参考轨迹(27)之间的偏离(61)；以及
轨迹控制模块(45)，其使所述车辆(11)的所述实际轨迹与所述参考轨迹(27)之间的所述偏离(61)最小化，并且基于所述最小化的偏离来输出用于所述车辆(11)的移动的最优控制参数，
其中，所述目标点确定模块(41)基于所述环境传感器(35)的最大感知能力范围来确定主要目标点(55)，并且基于小于所述最大感知能力范围的缩小范围来确定至少一个备用目标点(57)，
其中，所述轨迹规划模块(43)基于所述主要目标点(55)来估计所述参考轨迹(27)，并且关于动态约束和与所述可用空间通道(38)有关的约束来检查所述参考轨迹(27)，并且
其中，如果基于所述主要目标点(55)估计的所述参考轨迹(27)违反了所述动态约束或所述与所述可用空间通道(38)有关的约束，则所述轨迹规划模块(43)基于所述备用目标点(57)来估计修改的参考轨迹(59)。
2.根据权利要求1所述的***(31)，
其中，所述轨迹规划模块(43)确定所述实际轨迹与所述参考轨迹(27)之间的所述偏离(61)是否大于预定阈值，
其中，所述轨迹规划模块(43)确定剩余转向干预时间，并且如果所述偏离(61)大于所述预定阈值，则基于所述剩余转向干预时间来估计更新的参考轨迹(27)。
3.根据权利要求1或2所述的***(31)，所述***(31)还包括横向误差确定模块(39)，所述横向误差确定模块(39)确定从所述车辆(11)的所述移动状态得出的所述车辆(11)的横向位置与预期横向位置之间的横向误差，并且
其中，所述目标点确定模块(41)另外基于所述横向误差来确定所述至少一个目标点(55、57)。
4.根据权利要求1或2所述的***(31)，
其中，所述轨迹控制模块(45)通过使基于所述车辆(11)的单轨模型的成本函数最小化，使所述车辆(11)的所述实际轨迹与所述参考轨迹(27)之间的所述偏离(61)最小化。
5.根据权利要求1或2所述的***(31)，
其中，所述轨迹控制模块(45)估计补偿曲率(67)，所述补偿曲率(67)被应用于所述实际轨迹，以便在所述车辆(11)的所述实际轨迹与所述参考轨迹(27)之间的所述偏离(61)增大时将所述车辆(11)重定向到所述参考轨迹(27)。
6.根据权利要求1或2所述的***(31)，
其中，所述车辆状态传感器(33)包括全球定位***和惯性测量单元，和/或
其中，所述环境传感器(35)包括光学摄像头、雷达***和/或激光雷达***。
7.一种对车辆(11)的轨迹进行估计的方法，所述方法包括以下步骤：
利用车辆状态传感器(33)来检测所述车辆(11)的移动状态；
利用环境传感器(35)来监测所述车辆(11)的环境；
基于所述车辆(11)的检测到的移动状态并且基于所述车辆(11)的所监测的环境来确定可用空间通道(38)；
基于所述可用空间通道(38)来确定要估计的轨迹的至少一个目标点(55、57)；
基于所述至少一个目标点(55、57)来估计参考轨迹(27)，并且计算所述车辆(11)的实际轨迹与所述参考轨迹(27)之间的偏离(61)；以及
使所述车辆(11)的所述实际轨迹与所述参考轨迹(27)之间的所述偏离(61)最小化，并且基于所述最小化的偏离来提供用于所述车辆(11)的移动的最优控制参数，
其中，确定至少一个目标点(55、57)的步骤还包括：
基于所述环境传感器(35)的最大感知能力范围来确定主要目标点(55)，并且基于小于所述最大感知能力范围的缩小范围来确定至少一个备用目标点(57)；
基于所述主要目标点(55)来估计所述参考轨迹(27)，并且关于动态约束和与所述可用空间通道(38)有关的约束来检查所述参考轨迹(27)；以及
如果基于所述主要目标点(55)估计的所述参考轨迹(27)违反了所述动态约束或所述与所述可用空间通道(38)有关的约束，则基于所述备用目标点(57)来估计修改的参考轨迹(59)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，估计参考轨迹(27)的步骤还包括：
确定所述实际轨迹与所述参考轨迹(27)之间的所述偏离(61)是否大于预定阈值；以及
如果所述偏离(61)大于所述预定阈值，则：
确定剩余转向干预时间；以及
基于所述剩余转向干预时间来估计更新的参考轨迹。
9.根据前述权利要求7或8所述的方法，所述方法还包括：
确定从所述车辆(11)的所述移动状态得出的所述车辆(11)的横向位置与预期横向位置之间的横向误差；以及
另外基于所述横向误差来确定所述至少一个目标点(55、57)。
10.根据权利要求7或8所述的方法，
其中，使所述车辆(11)的所述实际轨迹与所述参考轨迹(27)之间的所述偏离(61)最小化的步骤还包括使基于所述车辆(11)的单轨模型的成本函数最小化。
11.根据权利要求7或8所述的方法，
其中，提供用于所述车辆(11)的移动的最优控制参数的步骤还包括估计补偿曲率(67)，所述补偿曲率(67)被应用于所述实际轨迹，以便在所述车辆(11)的所述实际轨迹与所述参考轨迹(27)之间的所述偏离增大时将所述车辆(11)重定向到所述参考轨迹(27)。
12.根据权利要求7或8所述的方法，
其中，仅在所述车辆(11)的横向加速度小于加速度阈值并且所述至少一个目标点(55、57)符合预定义约束时，才估计所述参考轨迹(27)，和/或
其中，确定所述车辆(11)的所述可用空间通道(38)的步骤包括应用凸包技术。
13.一种非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质包含用于执行根据权利要求7至12中任一项所述的方法的指令。
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