CN114537381A - 一种自动驾驶车辆的车道避障方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动驾驶车辆的车道避障方法及装置，属于智能车辆驾驶技术领域，方法包括：判断车道前方障碍物的状态；根据障碍物的状态，结合车辆与障碍物之间的距离，设置路径规划参考点；将所述路径规划参考点，代入设定的贝塞尔曲线方程中，规划出基于贝塞尔曲线的参考行驶路径；控制车辆根据按照所述参考行驶路径进行行驶，实现避障行驶。本发明的车道避障方法及装置能够使车辆在遇到障碍物时，沿着当前车道进行避障行驶，尽量避免不必要的避障换道行为，提高行为决策的实时性、合理性和安全性；在双车道工况下，优先选择避障返回，当本车道无法实现避障返回时，提供避障换道策略，以提高避障的灵活性。

Description

一种自动驾驶车辆的车道避障方法及装置

技术领域

本发明属于智能车辆驾驶技术领域，具体涉及一种自动驾驶车辆的车道避障方法及装置。

背景技术

目前，自动驾驶车辆具备智能环境感知能力，通过识别路径，分析当前道路状况，结合车辆位置，检测障碍物，实现实时预警。但是在真实环境中，自动驾驶物流车辆行驶在全局规划的给定路径中时，往往会受到随机障碍物的影响，这时需要采用实时避障的方法安全的完成行驶任务。

例如，公布号为CN109987092A的中国发明专利申请提出的一种车辆避障换道时机的确定方法及避障换道的控制方法，通过获取车辆周围障碍物信息和路况信息，判断车辆周围障碍物与车辆之间是否满足换道条件，当满足设定条件时判定车辆可以进行避障换道，同时，根据起始点坐标、目标点坐标和道路航向角进行曲线拟合，得到从起始点到目标点的路径。

但是，现有的车道避障方法，均是车辆在当前车道遇到障碍物时进行换道的方法，而对于自动驾驶物流车来说，在车道比较少、车道上的车辆又比较多的情况下，为了躲避当前车道的障碍物进行换道，往往又遇到其他行驶物流车辆，换道后要么成为其他在道车辆的障碍物，要么存在其他在道车辆作为障碍物，因此，现有采用换道的避障方法无法解决自动驾驶物流车辆行驶环境下的避障问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种自动驾驶车辆的车道避障方法及装置，用于解决现有采用换道的避障方法无法解决自动驾驶物流车辆行驶环境下的避障问题。

基于上述目的，一种自动驾驶车辆的车道避障方法的技术方案如下：

1)判断车道前方障碍物的状态；

2)根据障碍物的状态，结合车辆与障碍物之间的距离Dis_obs，设置路径规划参考点；

所述障碍物的状态包括静止，在此状态下，路径规划参考点的设置规则为：选择n个参考点，n≥5，所有参考点的横坐标在[0，Dis_obs]范围内依次间隔布置，第1个参考点选择车辆当前坐标，第n个参考点的纵坐标为(W_l+W_l′/2)或(W_r+W_r′/2)，W_l为障碍物左侧边的纵坐标，W_l′为障碍物左侧在车道上的剩余宽度，W_r为障碍物右侧边的纵坐标，W_r′为障碍物右侧在车道上的剩余宽度；剩余各参考点的纵坐标在[0，W_l+W_l′/2]范围内，按照从小到大的顺序进行设置；

3)将所述路径规划参考点，代入设定的贝塞尔曲线方程中，规划出基于贝塞尔曲线的参考行驶路径；

4)控制车辆根据按照所述参考行驶路径进行行驶，实现避障行驶。

基于上述目的，一种自动驾驶车辆的车道避障装置的技术方案如下：

包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的自动驾驶车辆的车道避障方法。

上述两个技术方案的有益效果是：

本发明的车道避障方法及装置，能够使车辆在遇到障碍物时，根据设置的若干个路径规划参考点，规划参考行驶路径；并按照该参考行驶路径，沿着当前车道进行避障行驶，尽量避免不必要的避障换道行为，提高行为决策的实时性、合理性和安全性。

进一步的，为了方便车辆避障行驶的更加顺畅，步骤2)中，在选取第n个参考点的纵坐标之前，还包括：判断障碍物左侧、右侧在车道上的剩余宽度W_l′、W_r′与车宽之间的大小，若障碍物左侧、右侧在车道上的剩余宽度W_l′、W_r′均大于或等于车宽，选择W_l′、W_r′中的较大者参与第n个参考点纵坐标的计算；若只有障碍物左侧、右侧中某一侧在车道上剩余宽度大于车宽，则选择该剩余宽度参与第n个参考点纵坐标的计算。

进一步的，当本车处于双车道时，优先按照步骤2)和步骤3)中的内容进行单车道避障行驶，当障碍物左侧、右侧在车道上的剩余宽度W_l′、W_r′均小于车宽时，则进行避障换道行驶；

在障碍物的状态为静止状态下，路径规划参考点的设置规则为：选择n个参考点，n≥5，所有参考点的横坐标在[0，Dis_obs]范围内依次间隔布置，第1个参考点选择车辆当前坐标，第n个参考点的纵坐标为车道宽度W，其余各参考点的纵坐标在[0，W]范围内从小到大进行依次设置。

其效果是：若车辆处于双车道工况，提供避障返回和避障换道策略，使车辆在无法进行单车道避障行驶的情况下，能够换道避障，以完成行驶目标。

进一步的，障碍物的状态除了包括静止这一状态，障碍物的状态还包括同向行驶、反向行驶、横穿车道，对于障碍物状态为同向行驶情况，车辆保持和障碍物相同速度在当前路径行驶，路径规划参考点选择规则为：沿当前直线方向选择若n个参考点，各相邻参考点之间的间距相同；当障碍物横穿车道或反向行驶时，控制车辆保持当前路径，并在距离障碍物的一定距离处停车，路径规划参考点的选择规则与同向行驶情况的参考点选择规则相同。

为了使车辆在参考行驶路径上能够稳定行驶，进一步的，还包括：按照设定的实时车速，控制车辆进行行驶，所述实时车速的计算式如下：

式中，v为实时车速，D_limit为最大允许偏离路径距离，V_max为最大速度，V_min为最小速度，d为车辆偏离参考行驶路径的距离，即车辆与参考路径的距离。

其效果是：根据车辆距离路径的距离进行实时的速度规划，能够保证速度稳定变化，实现车辆行驶的稳定性。

为了确定参考行驶路径，所述贝塞尔曲线方程的表达式如下：

其中，P_i是构成贝塞尔曲线的特征点，即各个路径规划参考点的坐标，n为贝塞尔曲线的阶数，t为归一化参数。

附图说明

图1是本发明方法实施例1中的自动驾驶车辆的车道避障方法流程图；

图2是本发明方法实施例1中的本车处于单车道且无避障返回的示意图；

图3是本发明方法实施例1中的本车处于单车道且有避障返回的示意图；

图4是本发明方法实施例1中的本车处于单车道且有避障返回与避障换道的示意图；

图5是本发明方法实施例2中的自动驾驶车辆的车道避障方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

方法实施例1：

本实施例提出一种自动驾驶车辆的车道避障方法，整体流程如图1所示，该方法的实现思路是：根据障碍物的运动情况，在当前车道上规划出基于贝塞尔曲线的参考行驶路径；使车辆根据规划出的参考行驶路径在当前车道上避障行驶。该方法的实现具体步骤如下：

1)判断车道前方障碍物的状态，障碍物的状态包括：静止、同向行驶、反向行驶、横穿车道。

2)根据障碍物的不同状态，结合车辆与障碍物之间的距离Dis_obs，设置路径规划参考点。分别采用如下方式进行设置：

对于障碍物状态为同向行驶情况：

当位于本车道车辆行驶方向前方的障碍物与本车辆同向行驶时，车辆保持和障碍物相同速度在当前路径行驶，路径规划参考点选择规则为：沿当前直线方向选择若干个参考点，如选择五个参考点，各相邻参考点之间的间距相同，例如为Dis_obs/4，各参考点的具体设置如图2所示。作为其他实施方式，所有参考点的横坐标在[0，Dis_obs]范围内依次间隔布置，设置的横向间隔比较灵活，既可以横向等间隔设置，也可以横向非等间隔设置。

图2中，第一个点p1(x1,y1)选择车辆当前坐标，第二个点p2(x2,y2)选择路径上最近点Close_A向后延伸(Dis_obs/4)*1米的点；第三个点p3(x3,y3)选择路径上最近点Close_A向后延伸(Dis_obs/4)*2米的点，第四个点p4(x4,y4)选择路径上最近点Close_A向后延伸(Dis_obs/4)*3米的点，第五个点p5(x5,y5)选择路径上最近点Close_A向后延伸(Dis_obs/4)*4米的点。

对于障碍物状态为横穿车道、反向行驶情况：

当障碍物横穿车道或反向行驶时，为避免不必要的换道，保证车辆行驶的安全性，车辆保持当前路径，并在距离障碍物一定距离处停车，路径规划参考点选择规则与同向行驶情况的参考点选择规则相同。

对于障碍物状态为静止情况：

此情况下的路径参考点设置方法分为以下两种情形：

情形一，当位于本车道车辆行驶方向前方的障碍物静止，且本车处于单车道时，首先判断车辆是否能够在单车道内避障。即比较车道宽度减去障碍物宽度的某一侧剩余宽度与车宽的大小，若某一侧剩余宽度W_l′、W_r′大于车宽，判定能够进行单车道避障。

路径规划参考点选择规则为：选择若干个参考点，例如选择n(n≥5)个参考点，各相邻参考点之间的横向距离为Dis_obs/(n-1)，第1个参考点选择车辆当前坐标，第2个参考点选择在车道线上与第1个参考点横向距离为Dis_obs/(n-1)的点，第n个参考点与第1个参考点的横向距离为Dis_obs，且第n个参考点取某一侧剩余宽度W_l′、W_r′的1/2，例如取左侧剩余宽度W_l′的1/2，那么该参考点的纵坐标为(W_l+W_l′/2)，W_l为障碍物左侧边的纵坐标；如果取右侧剩余宽度W_r′的1/2，那么该参考点的纵坐标为(W_r+W_r′/2)，W_r为障碍物右侧边的纵坐标；剩余各参考点(第3、…、n-1个参考点)的纵坐标在[0，W_l+W_l′/2]范围内，按照从小到大的设置规则进行设置即可。作为其他实施方式，第2个参考点的纵坐标也可以不设置为零，即从第2个参考点开始，到第n-1个参考点依次进行纵坐标的增大设置。

以设置5个参考点为例来说明，如图2所示，路径规划参考点选择：第一个点p1(x1,y1)选择车辆当前坐标，第二个点p2(x2,y2)选择车辆坐标系下坐标为(1,0)的点，第三个点p3(x3,y3)选择第一个点和第五个点的中点，即((x1+x5)/2，(y1+y5)/2)，第四、五个点的选择需比较本车道剩余宽度

和

若剩余宽度W_l′、W_r′都大于或等于车宽，选择W_l′、W_r′中的较大者参与第4、第5个参考点纵坐标的计算，即第四个点和第五个点选择在路径点p4和p5垂线上取(max(W_l′,W_r′))/2的点。如图2所示，存在上下两组参考点可选，因此可以选取其中一条能够提供剩余宽度更大、更方便车辆通过的一组参考点；若不考虑此问题，作为其他实施方式，当两侧剩余宽度均大于车宽时，则可任选其中一组参考点作为路径规划参考点。

图2中，若剩余宽度其中一个W_l′或W_r′大于车宽，则第四个点和第五个点选择在路径点p4和p5垂线上取W_l′/2或W_r′/2的点；若剩余宽度都小于车宽，且障碍物处于单车道时，无备用路径，路径参考点选择机制与上面障碍物同向行驶情况的选择规则相同。

以上是以5个参考点的路径规划参考点选取方法，如果需要选取6个参考点，各参考点之间的横向间距均相等分布，第1、第2、第5、第6个参考点的纵坐标的选取原则分别对应上面第1、第2、第4、第5个参考点纵坐标的选取方法一致，不再赘述，需要说明的是第3、第4个参考点纵坐标的选取方法，根据最后一个参考点的纵坐标，例如为Y＝(W_l+W_l′/2)，按照在(0，W_l+W_l′/2)范围内从小到大的设置规则，选取第3个参考点的纵坐标为Y/3，选取第4个参考点的纵坐标为2Y/3。

情形二，当位于本车道车辆行驶方向前方的障碍物静止，且本车处于双车道时，路径规划参考点选择优先参考情形一中的方法，尽量选择单车道避障返回(避障返回指在单车道上绕过障碍物返回原路线行驶)，若剩余宽度W_l′、W_r′都小于车宽，无法实现避障返回时，当另一车道车辆行驶方向前方无障碍物时，可提供避障换道，路径规划参考点选择的规则为：以n个参考点为例，各参考点之间的横向距离为Dis_obs/(n-1)，第1个参考点选择车辆当前坐标，第2个参考点选择在车道线上与第1个参考点横向距离为Dis_obs/(n-1)的点，各参考点之间的横向距离均为Dis_obs/(n-1)，第n-1、第n个参考点的纵坐标为车道宽度W，其余各参考点的纵坐标仍依据(0，W)范围内从小到大的设置规则，进行依次设置即可。

以设置5个参考点为例来说明，如图3所示，第一个点p1(x1,y1)选择车辆当前坐标，第二个点p2(x2,y2)选择车辆坐标系下坐标为(1,0)的点，第三个点p3(x3,y3)选择第一个点和第五个点的中点，即((x1+x5)/2，(y1+y5)/2)，第四个点p4(x4,y4)选择路径上最近点Close_B向后延伸(N/4)*3米的点，第五个点p5(x5,y5)选择路径上最近点Close_B向后延伸(N/4)*4米的点。

3)根据上面步骤确定的路径规划参考点，规划出基于贝塞尔曲线的参考行驶路径。

以给出五个路径规划参考点为例，将这五个参考点坐标代入构建的贝塞尔曲线方程中，能够得到参考行驶路径。其中，采用的贝塞尔曲线方程如下：

其中，P_i是构成贝塞尔曲线的特征点，即各个路径规划参考点，n为贝塞尔曲线的阶数，本实例中n＝4，t为归一化参数。

4)根据上述得到的参考行驶路径，控制车辆按照此参考行驶路径进行行驶，实现避障行驶。

本实施例的车道避障方法，具有以下特点：

首先，根据车辆前方障碍物的状态分场景进行车辆行为决策，并选择合理的路径规划点进行路径规划，实现车辆的自动驾驶功能；尽量避免不必要的避障行为，提高行为决策的实时性、合理性和安全性。

其次，双车道工况下，提供避障返回和避障换道策略。在双车道工况下，优先选择避障返回，当本车道无法实现避障返回时，提供避障换道策略，提高避障的灵活性。

方法实施例2：

本实施例提出一种自动驾驶车辆的车道避障方法，整体流程如图5所示，具体步骤如下：

步骤一：利用导航定位***，计算参考路径信息，包括路径点集的定位解状态、横纵向坐标、航向角、曲率变化信息等。

步骤二：判断决策前端输入(感知、定位等信息)是否满足自动驾驶条件。具体判断内容包括：定位解判断；定位通信故障判断、感知故障判断，当定位、感知无误且定位解进入最佳状态时，进入自动驾驶模式。

步骤三：根据车辆位姿和参考路径，判断车辆目前处于单车道或双车道，是否具备换道条件。具体判断方法为：根据车辆位置和航向角信息，寻找距离两条参考路径的最近点(即图4中的Close-A和Close-B)，若两条路径的最近点间的距离大于或等于预设最小双车道距离，则车辆处于双车道，具备换道条件。否则，车辆处于单车道，无备用路径。

步骤四：基于车辆处于单车道或双车道、车辆位姿、参考路径和障碍物的状态进行车辆驾驶行为策略决策，并选择路径规划参考点。

如附图2、图3、图4所示，箭头表示车辆行驶方向，设车道宽为W，车体宽度W_V＝W_l+W_r，本车道车辆前方最近障碍物距离为Dis_obs，车辆距离两条路径最近点分别为Close_A、Close_B。路径规划参考点的选择规则参考上面方法实施例1中步骤2)中的记载，本实施例不再赘述。

步骤五：基于路径规划参考点，利用贝塞尔曲线进行路径规划，路径规划方法参见方法实施例1中步骤3)的记载，本步骤不再赘述。

步骤六：根据车辆与参考路径的距离、最大允许速度等进行实时速度规划，实时车速v与车辆偏离路径距离d的关系式为：

式中，v为实时车速，D_limit为最大允许偏离路径距离，V_max为最大速度，V_min为最小速度，d为车辆偏离路径距离，即车辆与参考路径的距离。

步骤七：输出路径信息和速度信息给控制端，进行横纵向控制，实现车辆的自动驾驶。

本发明的车道避障方法，不仅能够根据车辆前方障碍物的状态分场景进行车辆行为决策，并选择合理的路径规划点进行路径和速度规划，实现车辆的自动驾驶功能；还能够根据车辆距离路径的距离进行实时的速度规划，保证速度的稳定变化，实现车辆行驶的稳定性。

装置实施例：

本实施例提供了一种自动驾驶车辆的车道避障装置，包括存储器和处理器，以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机程序，处理器与存储器相耦合，处理器用于运行存储在存储器中的程序指令，以实现方法实施例1或方法实施例2中的车道避障方法，由于该方法在方法实施例1和方法实施例2中的记载已经足够清楚、完整，本实施例不再赘述。

也就是说，以上方法实施例中的方法应理解可由计算机程序指令实现主端、从端机器人控制方法的流程。可提供这些计算机程序指令到处理器(如通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备等)，使得通过处理器执行这些指令产生用于实现上述方法流程所指定的功能。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自动驾驶车辆的车道避障方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)判断车道前方障碍物的状态；

2)根据障碍物的状态，结合车辆与障碍物之间的距离Dis_obs，设置路径规划参考点；

所述障碍物的状态包括静止，在此状态下，路径规划参考点的设置规则为：选择n个参考点，n≥5，所有参考点的横坐标在[0，Dis_obs]范围内依次间隔布置，第1个参考点选择车辆当前坐标，第n个参考点的纵坐标为(W_l+W_l′/2)或(W_r+W_r′/2)，W_l为障碍物左侧边的纵坐标，W_l′为障碍物左侧在车道上的剩余宽度，W_r为障碍物右侧边的纵坐标，W_r′为障碍物右侧在车道上的剩余宽度；剩余各参考点的纵坐标在[0，W_l+W_l′/2]范围内，按照从小到大的顺序进行设置；

3)将所述路径规划参考点，代入设定的贝塞尔曲线方程中，规划出基于贝塞尔曲线的参考行驶路径；

4)控制车辆根据按照所述参考行驶路径进行行驶，实现避障行驶。

2.根据权利要求1所述的自动驾驶车辆的车道避障方法，其特征在于，步骤2)中，在选取第n个参考点的纵坐标之前，还包括：判断障碍物左侧、右侧在车道上的剩余宽度W_l′、W_r′与车宽之间的大小，若障碍物左侧、右侧在车道上的剩余宽度W_l′、W_r′均大于或等于车宽，选择W_l′、W_r′中的较大者参与第n个参考点纵坐标的计算；若只有障碍物左侧、右侧中某一侧在车道上剩余宽度大于车宽，则选择该剩余宽度参与第n个参考点纵坐标的计算。

3.根据权利要求2所述的自动驾驶车辆的车道避障方法，其特征在于，当本车处于双车道时，优先按照步骤2)和步骤3)中的内容进行单车道避障行驶，当障碍物左侧、右侧在车道上的剩余宽度W_l′、W_r′均小于车宽时，则进行避障换道行驶；

在障碍物的状态为静止状态下，路径规划参考点的设置规则为：选择n个参考点，n≥5，所有参考点的横坐标在[0，Dis_obs]范围内依次间隔布置，第1个参考点选择车辆当前坐标，第n个参考点的纵坐标为车道宽度W，其余各参考点的纵坐标在[0，W]范围内从小到大进行依次设置。

4.根据权利要求1-3任一项所述的自动驾驶车辆的车道避障方法，其特征在于，所述障碍物的状态还包括同向行驶、反向行驶、横穿车道，对于障碍物状态为同向行驶情况，车辆保持和障碍物相同速度在当前路径行驶，路径规划参考点选择规则为：沿当前直线方向选择若n个参考点，各相邻参考点之间的间距相同；当障碍物横穿车道或反向行驶时，控制车辆保持当前路径，并在距离障碍物的一定距离处停车，路径规划参考点的选择规则与同向行驶情况的参考点选择规则相同。

5.根据权利要求1-3任一项所述的自动驾驶车辆的车道避障方法，其特征在于，还包括：按照设定的实时车速，控制车辆进行行驶，所述实时车速的计算式如下：

式中，v为实时车速，D_limit为最大允许偏离路径距离，V_max为最大速度，V_min为最小速度，d为车辆偏离参考行驶路径的距离，即车辆与参考路径的距离。

6.根据权利要求1-3任一项所述的自动驾驶车辆的车道避障方法，其特征在于，所述贝塞尔曲线方程的表达式如下：

其中，P_i是构成贝塞尔曲线的特征点，即各个路径规划参考点的坐标，n为贝塞尔曲线的阶数，t为归一化参数。

7.一种自动驾驶车辆的车道避障装置，包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-6任一项所述的自动驾驶车辆的车道避障方法。

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