一种变道路径规划方法与流程

1.本发明涉及数据处理技术领域，特别涉及一种变道路径规划方法。


背景技术：

2.车辆的换道与超车是驾驶员常见的驾驶操作之一，对于无人驾驶车辆自然也会面临同样的操作需求。如何在车辆运行的过程中实施合理变道路径规划，使之既能保障车辆运行安全、又能提高乘客体感，是目前对无人驾驶系统提出的需要得到进一步改善的关键问题之一。


技术实现要素：

3.本发明的目的，就是针对现有技术的缺陷，提供一种变道路径规划方法、电子设备及计算机可读存储介质，基于车道线曲率算出目标车道的预瞄距离，并根据预瞄距离定位出目标车道上变道结束位置点；并在保持行驶车速不变的情况下，参考二自由度汽车运动学模型和纯跟踪算法对变道起始位置到变道结束位置间的变道轨迹进行循环迭代运算，得到最终的变道轨迹。通过本发明构建出的变道轨迹由多段连续平滑的曲线组成并与当前车道和变更车道均能平滑对接，并且在行驶过程中可不对速度进行明显的增减速操作，从而既可以避免因频繁增减速造成的驾驶风险，提高对车辆运行安全的控制，又可以提高乘客的体验感受。
4.为实现上述目的，本发明实施例第一方面提供了一种变道路径规划方法，所述方法包括：
5.获取车辆的当前车速生成第一车速v，获取车辆后轴中心点的坐标位置作为起始位置点p0，获取所述车辆的目标车道标识作为第一车道标识；
6.将预设的道路地图中与所述第一车道标识匹配的车道线，作为第一车道线；并将所述第一车道线上与所述起始位置点p0对应的车道横向平移点位置，作为起始平移位置点p’；并将所述第一车道线中处于所述起始平移位置点p’之后的部分车道线，作为第二车道线；
7.从所述道路地图中，获取所述第二车道线对应的多个车道路段曲率；并计算所述多个车道路段曲率的曲率平均值，生成第一平均曲率k；并根据所述第一车速v和所述第一平均曲率k进行变道预瞄距离估算，生成对应的第一预瞄距离l；
8.对所述第二车道线进行离散点采样，并将与所述起始平移位置点p’的间距满足所述第一预瞄距离l的离散点作为目标位置点pf；
9.以二自由度汽车运动学模型和纯跟踪算法为参考，以所述第一车速v和所述第一预瞄距离l为输入，对车辆从所述起始位置点p0到所述目标位置点pf的路径点进行循环迭代生成多个第一路径点，并由得到的所有所述第一路径点组成第一变道路径。
10.优选的，所述根据所述第一车速v和所述第一平均曲率k进行变道预瞄距离估算，生成对应的第一预瞄距离l，具体包括：
11.根据所述第一车速v计算生成第一估算预瞄距离l1，l1＝v
·
a+l0，a为预设时间参数，l0为预设距离参数；
12.根据所述第一平均曲率k计算生成第二估算预瞄距离l2，l2＝b/k，b为预设曲率权重参数；
13.将所述第一估算预瞄距离l1与所述第二估算预瞄距离l2间的最小值，作为所述第一预瞄距离l。
14.优选的，所述对所述第二车道线进行离散点采样，并将与所述起始平移位置点p’的间距满足所述第一预瞄距离l的离散点作为目标位置点pf，具体包括：
15.按预设的离散点间隔，对所述第二车道线进行离散点采样生成第一离散点序列；所述第一离散点序列包括多个第一离散点；
16.计算所述第二车道线上，从所述起始平移位置点p’到各个所述第一离散点的车道线距离，生成对应的第一离散点间距；
17.将车辆后轴中心点到前轴中心的直线距离，记为第一修正距离；并根据所述第一修正距离对各个所述第一离散点间距进行微调生成对应的第二离散点间距，第二离散点间距＝第一离散点间距-第一修正距离；
18.将间距值不小于所述第一预瞄距离l且最接近所述第一预瞄距离l的所述第二离散点间距对应的所述第一离散点，作为所述目标位置点pf。
19.优选的，所述以二自由度汽车运动学模型和纯跟踪算法为参考，以所述第一车速v和所述第一预瞄距离l为输入，对车辆从所述起始位置点p0到所述目标位置点pf的路径点进行循环迭代生成多个第一路径点，并由得到的所有所述第一路径点组成第一变道路径，具体包括：
20.步骤41，将所述起始位置点p0作为第一路径点pt1，将所述起始位置点p0的横向位置坐标作为所述第一路径点pt1的第一横向坐标x1，将所述起始位置点p0的纵向位置坐标作为所述第一路径点pt1的第一纵向坐标y1，将所述起始位置点p0对应的车辆方向盘转角作为所述第一路径点pt1的第一方向盘转角ψ1；并对所述第一路径点pt1进行保存；
21.步骤42，将所述第一路径点pt1作为当前起始路径点pt
i＝1
，i≥1；
22.步骤43，按二自由度汽车运动学模型，从所述当前起始路径点pti出发做车身切线记为第一射线，从所述当前起始路径点pti出发经过所述目标位置点pf做射线记为第二射线，计算所述第一射线与第二射线的夹角，生成对应的第一角度αi；
23.步骤44，将所述第一预瞄距离l和所述第一角度αi带入纯跟踪算法公式，计算生成对应的第一前轮转向角δi，lw为预设的车辆轴距；
24.步骤45，按二自由度汽车运动学模型，根据所述第一车速v、第一前轮转向角δi和预设的规划时间间隔
△
t,对所述当前起始路径点pti的下一个第一路径点pt
i+1
的第一横向坐标x
i+1
、第一纵向坐标y
i+1
和第一方向盘转角ψ
i+1
进行估算并保存，
25.x
i+1
＝xi+v
·
cos(δi)
·
δt，
26.y
i+1
＝yi+v
·
sin(δi)
·
δt，
[0027][0028]
步骤46，对所述第一路径点pt
i+1
是否到达所述目标位置点pf进行确认；若所述第一路径点pt
i+1
的所述第一横向坐标x
i+1
和所述目标位置点pf的横向位置坐标匹配且所述第一路径点pt
i+1
的所述第一纵向坐标y
i+1
和所述目标位置点pf的纵向位置坐标匹配，则设置确认结果为到达状态；
[0029]
步骤47，对所述确认结果是否为到达状态进行判断，若所述确认结果为到达状态，则转至步骤48；若所述确认结果不为到达状态，则将i加1并将所述第一路径点pt
i+1
作为新的当前起始路径点pti，并返回步骤43继续循环迭代；
[0030]
步骤48，将得到的所有所述第一路径点，按时间先后顺序排列组成所述第一变道路径。
[0031]
本发明实施例第二方面提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器和收发器；
[0032]
所述处理器用于与所述存储器耦合，读取并执行所述存储器中的指令，以实现上述第一方面所述的方法步骤；
[0033]
所述收发器与所述处理器耦合，由所述处理器控制所述收发器进行消息收发。
[0034]
本发明实施例第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令被计算机执行时，使得所述计算机执行上述第一方面所述的方法的指令。
[0035]
本发明实施例提供了一种变道路径规划方法、电子设备及计算机可读存储介质，基于车道线曲率算出目标车道的预瞄距离，并根据预瞄距离定位出目标车道上变道结束位置点；并在保持行驶车速不变的情况下，参考二自由度汽车运动学模型和纯跟踪算法对变道起始位置到变道结束位置间的变道轨迹进行循环迭代运算，得到最终的变道轨迹。通过本发明构建出的变道轨迹由多段连续平滑的曲线组成并与当前车道和变更车道均能平滑对接，并且在行驶过程中可不对速度进行明显的增减速操作，从而既避免了因频繁增减速造成的驾驶风险，提高了对车辆运行安全的控制，又增强了乘客的体验感受。
附图说明
[0036]
图1为本发明实施例一提供的一种变道路径规划方法示意图；
[0037]
图2为本发明实施例一提供的车道、位置点、车道线、修正距离和预瞄距离示意图；
[0038]
图3为本发明实施例二提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
[0039]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部份实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
本发明实施例一提供的一种变道路径规划方法，如图1为本发明实施例一提供的一种变道路径规划方法示意图所示，本方法主要包括如下步骤：
[0041]
步骤1，获取车辆的当前车速生成第一车速v，获取车辆后轴中心点的坐标位置作
为起始位置点p0，获取车辆的目标车道标识作为第一车道标识；
[0042]
其中，第一车道标识包括第一标识和第二标识；第一标识用于标识具体的道路，第二标识用于标识具体的车道。
[0043]
这里，起始位置点p0如图2为本发明实施例一提供的车道、位置点、车道线、修正距离和预瞄距离示意图所示；目标车道也就是当前车辆计划变道的最终车道，该最终车道对应一个道路编号和一个车道编号，第一车道标识中的第一标识就是道路编号，第二标识就是车道编号。
[0044]
步骤2，将预设的道路地图中与第一车道标识匹配的车道线，作为第一车道线；并将第一车道线上与起始位置点p0对应的车道横向平移点位置，作为起始平移位置点p’；并将第一车道线中处于起始平移位置点p’之后的部分车道线，作为第二车道线。
[0045]
这里，每条道路由多个平行车道组成，每个车道对应一条车道线，每条车道线又分为多个路段。预设的道路地图用于存储与各条道路相关的道路数据集合；道路数据集合中包括道路编号和多个车道线数据集合；每个车道线数据集合对应一条车道线，车道线数据集合包括车道编号和多个车道线路段数据集合；每个车道线路段数据集合包括路段编号、车道线起始位置坐标、车道线长度、车道路段曲率等信息。
[0046]
在当前步骤中，通过第一车道标识的第一标识可以获得对应道路的道路数据集合，通过第一车道标识的第二标识可以从对应道路数据集合中获得对应的车道线也就是第一车道线的车道线数据集合。
[0047]
起始位置点p0为车辆在当前车道线上的道路坐标位置；第一车道线上与起始位置点p0对应的车道横向平移点位置，即是将起始位置点p0从当前车道线向第一车道线平移后得到的交点位置；在将起始位置点p0从当前车道线向第一车道线平移时，以起始位置点p0为切点对当前车道线做切线(若起始位置点p0处的车道路段曲率为0，如图2所示，则该切线应与当前车道线重合)，再在以起始位置点p0为起点做上述切线的垂线，该垂线与第一车道线的交点位置就是起始位置点p0对应的车道横向平移点位置，也就是起始平移位置点p’，如图2所示。
[0048]
虽然未来变道后的位置点势必会落在起始平移位置点p’之后的车道线上，但实际是不会超出太长距离的，所以本发明实施例只截取起始平移位置点p’之后的部分车道线作为参考车道线也就是第二车道线。这里对部分车道线的限制可以基于一个预设的车道线长度进行限制，也可以基于一个预设车道线路段总数进行限制。若基于预设车道线长度进行限制，则第二车道线为第一车道线中处于起始平移位置点p’之后的一段车道线，且该段车道线的长度等于预设车道线长度；若基于预设车道线路段总数进行限制，则第二车道线为第一车道线中处于起始平移位置点p’之后的一段车道线，且该段车道线跨过的车道线路段总和等于预设车道线路段总数。
[0049]
步骤3，从道路地图中，获取第二车道线对应的多个车道路段曲率；并计算多个车道路段曲率的曲率平均值，生成第一平均曲率k；并根据第一车速v和第一平均曲率k进行变道预瞄距离估算，生成对应的第一预瞄距离l；
[0050]
具体包括：步骤31，从道路地图中，获取第二车道线对应的多个车道路段曲率；并计算多个车道路段曲率的曲率平均值，生成第一平均曲率k；
[0051]
这里，由前文可知第二车道线可能包括一个或多个车道线路段，每个车道线路段
对应一个车道路段曲率，第一平均曲率k就是第二车道线对应的一个或多个车道路段曲率的平均值；
[0052]
步骤32，根据第一车速v和第一平均曲率k进行变道预瞄距离估算，生成对应的第一预瞄距离l；
[0053]
具体包括：根据第一车速v计算生成第一估算预瞄距离l1，l1＝v
·
a+l0，a为预设时间参数，l0为预设距离参数；根据第一平均曲率k计算生成第二估算预瞄距离l2，l2＝b/k，b为预设曲率权重参数；将第一估算预瞄距离l1与第二估算预瞄距离l2间的最小值，作为第一预瞄距离l。
[0054]
这里，a通常为设为2秒，l0为预先设定的一个常数，与当前车辆的安全制动距离相关，第一估算预瞄距离l1体现了预瞄距离与速度的正相关关系，速度越快则预瞄距离越长；第二估算预瞄距离l2则体现了预瞄距离与道路曲率的负相关关系，道路曲率越大则预瞄距离越短。
[0055]
步骤4，对第二车道线进行离散点采样，并将与起始平移位置点p’的间距满足第一预瞄距离l的离散点作为目标位置点pf；
[0056]
具体包括：步骤41，按预设的离散点间隔，对第二车道线进行离散点采样生成第一离散点序列；第一离散点序列包括多个第一离散点；
[0057]
这里，在道路地图中并不能对道路、车道线上的所有位置点进行存储，所以即使得到了第二车道线对应的数据集合，也并未获得第二车道线上所有位置点的信息；若要从第二车道线上标识出变道结束点的明确位置，就需要预先对第二车道线进行离散点采样；在对第二车道线进行离散点采样时，以预设的离散点间隔作为相邻离散点间距，对第二车道线进行等距均分，从而在第二车道线的首尾位置点之间细分出多个第一离散点；这里的离散点间隔默认为0.2米；分出来的每个第一离散点都对应一个道路位置坐标，具体包括一个横向位置坐标和一个纵向位置坐标；
[0058]
步骤42，计算第二车道线上，从起始平移位置点p’到各个第一离散点的车道线距离，生成对应的第一离散点间距；将车辆后轴中心点到前轴中心的直线距离，记为第一修正距离；并根据第一修正距离对各个第一离散点间距进行微调生成对应的第二离散点间距，第二离散点间距＝第一离散点间距-第一修正距离；
[0059]
这里，第一离散点间距实际就是各个第一离散点到第二车道线起始位置也就是起始平移位置点p’的车道线距离，这个车道线距离在车道路段曲率为0时就是两点之间的直线距离，在车道路段曲率不为0时应是两点之间的车道线曲线长度；因为起始平移位置点p’对应的起始位置点p0对应的是车辆后轴中心点，所以需要使用车辆前、后轴中心点间距也就是第一修正距离对第一离散点间距进行修正得到第二离散点间距，第一修正距离如图2所示；
[0060]
步骤43，将间距值不小于第一预瞄距离l且最接近第一预瞄距离l的第二离散点间距对应的第一离散点，作为目标位置点pf。
[0061]
这里，目标位置点pf即为变道结束点坐标位置，也就是车辆在目标车道线也就是第二车道线上的进入点坐标位置。
[0062]
例如，第一预瞄距离l为30米，第二离散点间距有2个(第二离散点间距1＝10米，第二离散点间距2＝30米)，那么最终会选择第二离散点间距2＝30米的第一离散点作为目标
位置点pf；
[0063]
又例如，第一预瞄距离l为30米，第二离散点间距有4个(第二离散点间距1＝10米，第二离散点间距2＝29米，第二离散点间距3＝32米，第二离散点间距3＝42米)，那么最终会选择第二离散点间距3＝32米的第一离散点作为目标位置点pf。
[0064]
步骤5，以二自由度汽车运动学模型和纯跟踪算法为参考，以第一车速v和第一预瞄距离l为输入，对车辆从起始位置点p0到目标位置点pf的路径点进行循环迭代生成多个第一路径点，并由得到的所有第一路径点组成第一变道路径；
[0065]
具体包括：步骤51，将起始位置点p0作为第一路径点pt1，将起始位置点p0的横向位置坐标作为第一路径点pt1的第一横向坐标x1，将起始位置点p0的纵向位置坐标作为第一路径点pt1的第一纵向坐标y1，将起始位置点p0对应的车辆方向盘转角作为第一路径点pt1的第一方向盘转角ψ1；并对第一路径点pt1进行保存；
[0066]
这里，起始位置点p0是变道路径的起始点，也是第1个第一路径点；每个第一路径点对应一个路径点数据集合，每个路径点数据集合除了包括对应道路坐标的第一横向坐标和第一纵向坐标之外，还包括当前时刻的方向盘转角也就是第一方向盘转角；起始位置点p0对应的第一方向盘转角ψ1是从无人驾驶系统中处理运动控制的相关处理单元处获得的实时数据；
[0067]
步骤52，将第一路径点pt1作为当前起始路径点pt
i＝1
，i≥1；
[0068]
步骤53，按二自由度汽车运动学模型，从当前起始路径点pti出发做车身切线记为第一射线，从当前起始路径点pti出发经过目标位置点pf做射线记为第二射线，计算第一射线与第二射线的夹角，生成对应的第一角度αi；
[0069]
这里，由二自由度汽车运动学模型可知，车身切线实际就是车辆前、后轴中心点连接线的延长线；
[0070]
步骤54，将第一预瞄距离l和第一角度αi带入纯跟踪算法公式，计算生成对应的第一前轮转向角δi，lw为预设的车辆轴距；
[0071]
这里，纯跟踪算法(pure pursuit)在已知第一预瞄距离l、第一角度αi、车辆轴距lw的情况下，可以算出车辆的前轮转向角角度也就是第一前轮转向角δi；
[0072]
步骤55，按二自由度汽车运动学模型，根据第一车速v、第一前轮转向角δi和预设的规划时间间隔
△
t,对当前起始路径点pti的下一个第一路径点pt
i+1
的第一横向坐标x
i+1
、第一纵向坐标y
i+1
和第一方向盘转角ψ
i+1
进行估算并保存，
[0073]
x
i+1
＝xi+v
·
cos(δi)
·
δt，
[0074]yi+1
＝yi+v
·
sin(δi)
·
δt，
[0075][0076]
这里，v
·
cos(δi)为第一车速v的横向坐标反向分量，v
·
sin(δi)为第一车速v的纵向坐标反向分量，为估算出的方向盘角速度；在整个估算过程中，均未对车辆速度也就是第一车速v进行加减速；
[0077]
步骤56，对第一路径点pt
i+1
是否到达目标位置点pf进行确认；若第一路径点pt
i+1
的第一横向坐标x
i+1
和目标位置点pf的横向位置坐标匹配且第一路径点pt
i+1
的第一纵向坐标y
i+1
和目标位置点pf的纵向位置坐标匹配，则设置确认结果为到达状态；
[0078]
这里，若估算出的第一路径点pt
i+1
的道路坐标与目标位置点pf的道路坐标重合，或者在一个预设的坐标误差范围之内，均可视为匹配并设置确认结果为到达状态；反之，则视为不匹配并设置确认结果为未到达状态；
[0079]
这里，由上述轨迹估算过程不难看出，相邻轨迹点之间的连接线也就是数据曲线均为正弦或余弦函数构成的平滑曲线，且能与当前车道和变更车道进行平滑对接；
[0080]
步骤57，对确认结果是否为到达状态进行判断，若确认结果为到达状态，则转至步骤58；若确认结果不为到达状态，则将i加1并将第一路径点pt
i+1
作为新的当前起始路径点pti，并返回步骤53继续循环迭代；
[0081]
这里，确认结果为到达状态说明车辆估算路径已经达到第二车道线的指定位置也就是目标位置点pf，反之则说明尚未到达，需要返回步骤53，将当前估算出第一路径点pt
i+1
作为新的新的当前起始路径点pti然后对其下一个路径点继续估算，直到估算出的第一路径点pt
i+1
能与达目标位置点pf匹配为止；
[0082]
步骤58，将得到的所有第一路径点，按时间先后顺序排列组成第一变道路径。
[0083]
这里，将最终得到的第一变道路径和第一车速v送入无人驾驶系统的运动控制模块，就能对车辆进行变道控制。
[0084]
图3为本发明实施例二提供的一种电子设备的结构示意图。该电子设备可以为前述的终端设备或者服务器，也可以为与前述终端设备或者服务器连接的实现本发明实施例方法的终端设备或服务器。如图3所示，该电子设备可以包括：处理器301(例如cpu)、存储器302、收发器303；收发器303耦合至处理器301，处理器301控制收发器303的收发动作。存储器302中可以存储各种指令，以用于完成各种处理功能以及实现前述方法实施例描述的处理步骤。优选的，本发明实施例涉及的电子设备还包括：电源304、系统总线305以及通信端口306。系统总线305用于实现元件之间的通信连接。上述通信端口306用于电子设备与其他外设之间进行连接通信。
[0085]
在图3中提到的系统总线305可以是外设部件互连标准(peripheral component interconnect，pci)总线或扩展工业标准结构(extended industry standard architecture，eisa)总线等。该系统总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。通信接口用于实现数据库访问装置与其他设备(例如客户端、读写库和只读库)之间的通信。存储器可能包含随机存取存储器(random access memory，ram)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
[0086]
上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，cpu)、网络处理器(network processor，np)、图形处理器(graphics processing unit，gpu)等；还可以是数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
[0087]
需要说明的是，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中提供的方法和处理过程。
[0088]
本发明实施例还提供一种运行指令的芯片，该芯片用于执行前述方法实施例描述的处理步骤。
[0089]
本发明实施例提供了一种变道路径规划方法、电子设备及计算机可读存储介质，基于车道线曲率算出目标车道的预瞄距离，并根据预瞄距离定位出目标车道上变道结束位置点；并在保持行驶车速不变的情况下，参考二自由度汽车运动学模型和纯跟踪算法对变道起始位置到变道结束位置间的变道轨迹进行循环迭代运算，得到最终的变道轨迹。通过本发明构建出的变道轨迹由多段连续平滑的曲线组成并与当前车道和变更车道均能平滑对接，并且在行驶过程中可不对速度进行明显的增减速操作，从而既避免了因频繁增减速造成的驾驶风险，提高了对车辆运行安全的控制，又增强了乘客的体验感受。
[0090]
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0091]
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
[0092]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。