CN116358576A - 基于贝塞尔曲线的自动驾驶车辆掉头路径和轨迹规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及自动驾驶技术领域，且公开了基于贝塞尔曲线的自动驾驶车辆掉头路径和轨迹规划方法，所述掉头路径和轨迹规划方法的架构和运行逻辑包含掉头路径规划、掉头行为决策与掉头轨迹规划三个模块，在一个优选的实施方式中，所述掉头路径规划包括以下步骤：S1、观测路口可通行区域的大小环境，掉头路口的形状，确定车辆可通行区域的位置；S3、以当前车道中心线和目标车道中心线的距离作为输入参数，四次贝塞尔曲线的控制点被找到；S3、使用贝塞尔曲线对一次顺车掉头的目标路径做出规划，并作为掉头的目标路径，本发明通过路径规划方法，使掉头过程的目标路径可以根据车辆在路口的可通行区域被确定。

Description

基于贝塞尔曲线的自动驾驶车辆掉头路径和轨迹规划方法
技术领域
本发明涉及自动驾驶技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于贝塞尔曲线的自动驾驶车辆掉头路径和轨迹规划方法。
背景技术
掉头是城市道路环境中驾驶员经常需要执行的一种操作，它可以分为一次顺车掉头和非一次顺车掉头(如图1所示)，非一次顺车掉头指，如果车辆不能满足一次顺车掉头，根据路面的宽窄和车辆性能，掉头可以用顺车和倒车相结合的方法进行。
对于智能车辆来说，掉头这一情境下的自动驾驶包含了复杂的规划任务，在车辆掉头的目标路径(例如一系列路径点)被规划完成之后，车辆每个时刻应到达的路径点的位置也需要被确定，即轨迹规划，掉头规划需要考虑可实现性、车辆的舒适性以及安全性。
现有技术：专利文献1(CN112212875A)公开了一种车辆掉头轨迹规划的方法，在掉头位置，多条掉头轨迹被生成，包括利用网格算法生成的Lattice轨迹、利用最大期望算法生成的EM轨迹、利用混合A星算法生成的混合A星轨迹以及利用时间弹性带算法生成的TEB轨迹，之后多条轨迹中的一条被选取为目标轨迹，专利文献2(CN106909150A)公开了无人农机车辆掉头路径的生成方法，考虑农机车辆在田间工作时的场景，掉头路径由圆弧和直线组成，其中圆弧的半径为无人驾驶农机车辆的最小转弯半径，专利文献3
(CN111624988A)公开了适用于自动驾驶农机车辆的掉头方式，当某一行直线农业作业完成时，自动驾驶农机车辆按照此方式完成掉头操作，以进行下一行直行作业，根据掉头前后两行直线作业的间隔距离大小，掉头方式分为U形、弓形、梨形和鱼尾形。
首先专利文献1提出了自动驾驶车辆掉头轨迹规划的流程，但是根据环境信息和车辆状态进行规划的具体方法没有被公开，对路径和轨迹规划的实现方式，专利文献1没有进行阐述，此外，车辆运动学的限制，如车辆转弯半径等，以及掉头过程的舒适性，如对路径平滑程度的要求和对加速度的限制，都没有在轨迹规划的方法中得到体现，其次无论是专利文献2还是专利文献3，都局限于无人驾驶农机车辆的使用场景，相比这种场景，城市道路中自动驾驶车辆的掉头操作更加复杂，道路上的其他车辆和路口可通行的区域大小需要被考虑，以保证掉头过程的安全性和可行性，另外，两个专利文献中的掉头路径都由圆弧和直线拼接而成，路径的曲率不连续，如果车辆按照这样的路径行驶，那么在曲率不连续的位置，车轮的目标转角会发生突变，也就是方向盘的目标转角发生突变，这种突变是车辆上的执行器和控制器无法实现的，也会造成车辆行驶平顺性的降低。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种基于贝塞尔曲线的自动驾驶车辆掉头路径和轨迹规划方法，以解决上述背景技术中存在的问题。
如图2-8所示，为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于贝塞尔曲线的自动驾驶车辆掉头路径和轨迹规划方法，所述掉头路径和轨迹规划方法的架构和运行逻辑包含掉头路径规划、掉头行为决策与掉头轨迹规划三个模块。
在一个优选的实施方式中，所述掉头路径规划包括以下步骤：
S1、观测路口可通行区域的大小环境，掉头路口的形状，确定车辆可通行区域的位置；
S3、以当前车道中心线和目标车道中心线的距离作为输入参数，四次贝塞尔曲线的控制点被找到；
S3、使用贝塞尔曲线对一次顺车掉头的目标路径做出规划，并作为掉头的目标路径。
在一个优选的实施方式中，所述掉头行为决策包括以下步骤：
S1、通过对周围车辆运动状态的感知，对车辆掉头的两种模式之一进行选择；
S2、确定掉头的模式和掉头过程的起始时刻，以避免车辆掉头时与其他车辆的碰撞，路口中包含掉头路径的矩形范围被首先确定，当对向车道上的车流不会在掉头过程中进入矩形范围时，车辆的掉头行为不会被影响，自动驾驶车辆进行匀速掉头模式，保持匀速地从当前车道沿着目标路径行驶到对向车道上完成掉头；
S3、当对向车道上的车流阻碍了自动驾驶车辆的掉头过程，车辆在掉头起始位置保持静止待转状态，直到对向车道上没有车辆干扰自动驾驶车辆的掉头过程，车辆从静止状态起步完成掉头。
在一个优选的实施方式中，所述掉头轨迹规划包括以下步骤：
S1、根据上一个模块确定的掉头模式对规划得到的掉头路径上增添时间约束，作为掉头全过程的目标轨迹；
S2、由于匀速掉头模式和静止起步掉头模式的区别，掉头全过程的路程-时间图可以有两种可能。静止起步掉头模式下，按照目标轨迹，车辆需以较小加速度加速起步以保证乘坐舒适性，之后以匀速状态完成掉头。
在一个优选的实施方式中，所述S3步骤中的目标掉头路径由两段对称的贝塞尔曲线组成，生成前一半的掉头路径之后，全程的路径就可以得到，所述贝塞尔曲线的生成由控制点决定，在掉头路径规划模块中，根据路口可通行区域选择前一半掉头路径的贝塞尔曲线控制点。
在一个优选的实施方式中，所述S3步骤中贝塞尔曲线控制点的选取方式保证了掉头起始、结束位置和掉头过程中目标路径曲率的连续性。
在一个优选的实施方式中，所述S2步骤中静止起步掉头模式下的车速以1m/s2的加速度加速到5m/s，之后车辆匀速行驶，完成掉头。
如图4，设自动驾驶车辆掉头前车道的通行方向为x方向，建立右手坐标系，车辆在路口中掉头时可通行的范围受到限制，对于车辆目标路径曲线上的点，横坐标的最大值为Xmax，在形式如图4的路口中，这一限制是因为车辆不能侵入人行横道，车辆掉头前所在道路的中心线可被表示为直线y＝Ymin，车辆掉头的目标车道中心线可被表示为直线y＝Ymax，车辆可行驶范围，也就是掉头路径的范围，被三条直线Xmax、y＝Ymax和y＝Ymin所限制。
掉头路径关于直线y＝(Ymax+Ymin)/2对称，且由两段贝塞尔曲线组成，因此实现车辆掉头的贝塞尔曲线会经过直线y＝(Ymax+Ymin)/2与直线x＝Xmax的交点A，它是第一段贝塞尔曲线的终点。直线y＝Ymin与直线x＝Xmax的交点为B，在直线y＝Ymin上截取线段CB＝BA，则C为第一段贝塞尔曲线的起点，取AB中点为D，取线段BC上靠近B点的三等分点为E，取线段BC上靠近C点的八等分点为F，这三个点是第一段四阶贝塞尔曲线的中间三个控制点，A、D、E、F、C四个点确定之后，第一段四阶贝塞尔曲线被生成，将这段曲线关于直线y＝(Ymax+Ymin)/2对称，就得到了第二段贝塞尔曲线，完整的掉头目标路径被生成。
线段AB的长度为(Ymax-Ymin)/2，只与当前车道中心线和目标车道中心线的距离有关，因此，目标路径的形状只与当前车道中心线和目标车道中心线的距离有关，第一段贝塞尔曲线可通过关于e的参数方程被表示为数学式1。
数学式1：
Figure BDA0003436352900000041
Figure BDA0003436352900000051
Figure BDA0003436352900000052
Figure BDA0003436352900000053
Figure BDA0003436352900000054
Figure BDA0003436352900000055
由于贝塞尔曲线的特性，线段CE与x轴平行、线段AD与y轴平行保证贝塞尔曲线与直线y＝Ymin和x＝Xmax相切，因此掉头起始位置C点处、掉头结束位置G点处和两段曲线连接位置A点处车辆的行驶方向不会发生突变，同时，二阶以上的贝塞尔曲线，各点的曲率是连续的，因此选取四阶次贝塞尔曲线可保证，车辆沿着从C点到A点的曲线掉头的过程中，方向盘的目标转角不会发生突变。
此外，这种规划方法可以保证掉头路径起始点、结束点和中点位置处的曲率不发生突变，如数学式2，在C点对第一段贝塞尔曲线求曲率，结果此处曲率k(e＝0)为0，这就是控制点F放置在线段CE上的原因，贝塞尔曲线前三个控制点C、F、E共线，保证了掉头起始点处曲率为0，根据对称性，掉头结束点G处的曲率是零，掉头前后的直行路径曲率也是0，所以掉头路径起始点、结束点的曲率不会突变，由于掉头过程中第二段贝塞尔曲线和第一段是对称的，第一段贝塞尔曲线在E处的曲率等于第二段贝塞尔曲线在E处的曲率，掉头路径中点的曲率连续性得到了保证。
数学式2：
Figure BDA0003436352900000056
目标路径的形状只与当前车道中心线和目标车道中心线的距离有关，因此掉头路径的最大曲率只与当前车道中心线和目标车道中心线的距离有关，如数学式3所示，掉头路径的最大曲率kmax与当前车道中心线和目标车道中心线的距离呈反比例关系，而掉头路径的最小曲率半径rmin与(Ymax-Ymin)呈线性关系。
数学式3：
Figure BDA0003436352900000061
rmin＝0.4793(Ymax-Ymin)
当目标路径的最小曲率半径rmin大于车辆的最小转弯半径时，一次顺车掉头可完成，如图5所示，当前车道为最左侧车道，目标车道为对向的最右侧车道，(Ymax-Ymin)等于12m时，rmin＝5.7521m，一辆最小转弯半径rveh为8m的自动驾驶公交车是无法根据这样的路径掉头的，只有当一次顺车掉头可以实现的情况下，后续的步骤才被执行。
在模块“掉头行为决策”中，掉头的模式和时刻被决定，设掉头开始时刻车辆速度为v0，上一个模块规划的掉头路径全长为s0，那么车辆匀速地完成掉头全过程需要的时间tturn可被计算得出，如数学式4所示，
数学式4：
tturn＝s0/v0
车辆到达掉头起始位置的时刻为t0，位置为(X0，Ymin)，如果在t0时刻到(tturn+t0)时刻，由对向驶来的车流不会侵入四条直线y＝Ymin、x＝Xmax、y＝Ymax、x＝X0所包围的矩形，那么自动驾驶车辆进入匀速掉头模式，否则车辆进入待转模式，在车辆掉头起始位置停车并保持静止，如图6所示。车辆保持待转状态，直到t1时刻，在t1时刻到(trurn+t1)时刻，由对向驶来的车流不会侵入四条直线y＝Ymin、x＝Xmax、y＝Ymax、x＝X0所包围的矩形，那么车辆进入静止起步掉头模式，加速起步并完成掉头。
在模块“掉头轨迹规划”中，目标掉头轨迹根据上一个模块确定的掉头模式被生成，也就是在目标路径的基础上，附加上时间的约束，确定掉头全程的车辆速度，车辆进行匀速掉头时，目标速度保持v0不变，车辆从静止起步进行掉头时，车辆首先以1m/s2的加速度加速到5m/s，之后车辆匀速行驶，完成掉头，两种模式下，车辆目标轨迹在路程(s)-时间(t)坐标图中的表示举例如图7。
针对本技术方案，除了基于贝塞尔曲线的掉头路径规划方法，还有另一替代方案同样能完成发明目的。在一个优选的实施方式中，所述掉头路径规划模块可使用五次多项式和圆弧的组合对掉头的目标路径进行规划。如图8所示，第一段五次多项式曲线的起点为掉头起始位置A，路径曲线到达位置B后保持曲率半径R不变，以一段圆弧过渡到位置C。C点和B点位于圆弧的对称位置。最后同样用一个五次多项式曲线连接C点和掉头的结束位置D点。在两段五次多项式曲线的起点和终点，曲率的连续性被作为条件，以确定五次多项式的参数。这样的路径规划方法也可以保证车辆目标路径的曲率连续。
本发明的技术效果和优点：
1、本发明通过路径规划方法，使掉头过程的目标路径可以根据车辆在路口的可通行区域被确定。
2、本发明通过轨迹规划方法，掉头过程的目标轨迹可以根据周围车辆的运动状态被计算得到，相比于专利文献1提出的自动驾驶车辆掉头规划流程，本发明公开的一次顺车掉头实现方法更加详细具体，可以直接地在自动驾驶车辆上得到应用，与考虑无人驾驶农机车辆使用场景的专利文献2和专利文献3相比，本发明中的规划方法考虑到了道路上其他车辆和路口可通行区域的影响，以实现安全、可行的掉头过程，适用于城市道路环境下的掉头。
3、本发明通过规划，使掉头路径由两段对称的四阶次贝塞尔曲线组成，解决了专利文献2和专利文献3中掉头路径曲率不连续的问题，消除了车轮目标转角发生突变的缺陷，同时车辆的最小转弯半径也被考虑在内，因此目标掉头轨迹的平顺性和可实现性都被保证，车辆在运动学特性的限制下能够实现轨迹的跟踪。
附图说明
图1为一次顺车掉头和非一次顺车掉头示意图。
图2为本发明的掉头路径和轨迹规划流程示意图。
图3为本发明的掉头行为决策流程示意图。
图4为本发明的掉头路径规划方法示意图。
图5为本发明的一次顺车掉头可行性判断示意图。
图6为本发明的车辆掉头待转状态示意图。
图7为本发明的车辆匀速掉头和起步掉头的目标轨迹示例示意图。
图8为本发明的五次多项式和圆弧组合而成的车辆掉头路径示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，另外，在以下的实施方式中记载的各结构的形态只不过是示例，本发明所涉及的基于贝塞尔曲线的自动驾驶车辆掉头路径和轨迹规划方法并不限定于在以下的实施方式中记载的各结构，在本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式都属于本发明保护的范围。
如图2-8所示的，本发明提供了基于贝塞尔曲线的自动驾驶车辆掉头路径和轨迹规划方法，所述掉头路径和轨迹规划方法的架构和运行逻辑包含掉头路径规划、掉头行为决策与掉头轨迹规划三个模块。
进一步的，所述掉头路径规划包括以下步骤：
S1、观测路口可通行区域的大小环境，掉头路口的形状，确定车辆可通行区域的位置；
S3、以当前车道中心线和目标车道中心线的距离作为输入参数，四次贝塞尔曲线的控制点被找到；
S3、使用贝塞尔曲线对一次顺车掉头的目标路径做出规划，并作为掉头的目标路径。
进一步的，所述掉头行为决策包括以下步骤：
S1、通过对周围车辆运动状态的感知，对车辆掉头的两种模式之一进行选择；
S2、确定掉头的模式和掉头过程的起始时刻，以避免车辆掉头时与其他车辆的碰撞，路口中包含掉头路径的矩形范围被首先确定，当对向车道上的车流不会在掉头过程中进入矩形范围时，车辆的掉头行为不会被影响，自动驾驶车辆进行匀速掉头模式，保持匀速地从当前车道沿着目标路径行驶到对向车道上完成掉头；
S3、当对向车道上的车流阻碍了自动驾驶车辆的掉头过程，车辆在掉头起始位置保持静止待转状态，直到对向车道上没有车辆干扰自动驾驶车辆的掉头过程，车辆从静止状态起步完成掉头。
进一步的，所述掉头轨迹规划包括以下步骤：
S1、根据上一个模块确定的掉头模式对规划得到的掉头路径上增添时间约束，作为掉头全过程的目标轨迹；
S2、由于匀速掉头模式和静止起步掉头模式的区别，掉头全过程的路程-时间图可以有两种可能。静止起步掉头模式下，按照目标轨迹，车辆需以较小加速度加速起步以保证乘坐舒适性，之后以匀速状态完成掉头。
进一步的，所述S3步骤中的目标掉头路径由两段对称的贝塞尔曲线组成，生成前一半的掉头路径之后，全程的路径就可以得到，所述贝塞尔曲线的生成由控制点决定，在掉头路径规划模块中，根据路口可通行区域选择前一半掉头路径的贝塞尔曲线控制点。
进一步的，所述S3步骤中贝塞尔曲线控制点的选取方式保证了掉头起始、结束位置和掉头过程中目标路径曲率的连续性。
进一步的，所述S2步骤中静止起步掉头模式下的车速以1m/s2的加速度加速到5m/s，之后车辆匀速行驶，完成掉头。
进一步的，所述掉头路径规划模块可使用五次多项式和圆弧的组合对掉头的目标路径进行规划。
最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于贝塞尔曲线的自动驾驶车辆掉头路径和轨迹规划方法，其特征在于，所述掉头路径和轨迹规划方法的架构和运行逻辑包含掉头路径规划、掉头行为决策与掉头轨迹规划三个模块。
2.根据权利要求1所述的基于贝塞尔曲线的自动驾驶车辆掉头路径和轨迹规划方法，其特征在于，所述掉头路径规划包括以下步骤：
S1、观测路口可通行区域的大小环境，掉头路口的形状，确定车辆可通行区域的位置；
S3、以当前车道中心线和目标车道中心线的距离作为输入参数，四次贝塞尔曲线的控制点被找到；
S3、使用贝塞尔曲线对一次顺车掉头的目标路径做出规划，并作为掉头的目标路径。
3.根据权利要求1所述的基于贝塞尔曲线的自动驾驶车辆掉头路径和轨迹规划方法，其特征在于，所述掉头行为决策包括以下步骤：
S1、通过对周围车辆运动状态的感知，对车辆掉头的两种模式之一进行选择；
S2、确定掉头的模式和掉头过程的起始时刻，以避免车辆掉头时与其他车辆的碰撞，路口中包含掉头路径的矩形范围被首先确定，当对向车道上的车流不会在掉头过程中进入矩形范围时，车辆的掉头行为不会被影响，自动驾驶车辆进行匀速掉头模式，保持匀速地从当前车道沿着目标路径行驶到对向车道上完成掉头；
S3、当对向车道上的车流阻碍了自动驾驶车辆的掉头过程，车辆在掉头起始位置保持静止待转状态，直到对向车道上没有车辆干扰自动驾驶车辆的掉头过程，车辆从静止状态起步完成掉头。
4.根据权利要求1所述的基于贝塞尔曲线的自动驾驶车辆掉头路径和轨迹规划方法，其特征在于，所述掉头轨迹规划包括以下步骤：
S1、根据上一个模块确定的掉头模式，在规划得到的掉头路径上增添时间约束，作为掉头全过程的目标轨迹；
S2、由于匀速掉头模式和静止起步掉头模式的区别，掉头全过程的路程-时间图可以有两种可能。静止起步掉头模式下，按照目标轨迹，车辆需以较小加速度加速起步以保证乘坐舒适性，之后以匀速状态完成掉头。
5.根据权利要求2所述的基于贝塞尔曲线的自动驾驶车辆掉头路径和轨迹规划方法，其特征在于：所述S3步骤中的目标掉头路径由两段对称的贝塞尔曲线组成，生成前一半的所述掉头路径之后，全程的路径就可以得到，所述贝塞尔曲线的生成由控制点决定，在所述掉头路径规划模块中，根据路口可通行区域选择前一半掉头路径的贝塞尔曲线控制点。
6.根据权利要求2所述的基于贝塞尔曲线的自动驾驶车辆掉头路径和轨迹规划方法，其特征在于：所述S3步骤中贝塞尔曲线控制点的选取方式保证了掉头起始、结束位置和掉头过程中目标路径曲率的连续性。
7.根据权利要求4所述的基于贝塞尔曲线的自动驾驶车辆掉头路径和轨迹规划方法，其特征在于：所述S2步骤中静止起步掉头模式下的车速以1m/s2的加速度加速到5m/s，之后车辆匀速行驶，完成掉头。
8.根据权利要求1所述的基于贝塞尔曲线的自动驾驶车辆掉头路径和轨迹规划方法，其特征在于：所述掉头路径规划模块可使用五次多项式和圆弧的组合对掉头的目标路径进行规划。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116882612A (zh) * 2023-09-08 2023-10-13 安徽农业大学 基于遥感图像和深度学习的智能农机路径规划方法及装置

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