用于四轮独立转向构型车辆的路径规划方法、装置及存储介质

本发明涉及自动驾驶，尤其涉及一种用于四轮独立转向构型车辆的路径规划方法、用于四轮独立转向构型车辆的路径规划装置及存储介质。

背景技术：

1、近些年来，自动驾驶技术快速发展，已成为全球汽车产业的重要战略发展方向，在解决交通拥堵、运行安全、行车效率等问题方面具有重要意义。具备四轮独立转向(four-wheel independent steering，4wis)构型的车辆以其高通过性、高灵活性的特点，有望成为自动驾驶技术发展的新载体。

2、路径规划属于自动驾驶技术框架中的关键一环，其主要功能是帮助车辆搜寻出一条从始至末的无碰撞、平滑、高效的期望路径曲线，对于车辆的高效、安全运行具有关键作用。然而，现有的路径规划技术大多是针对前轮转向构型的车辆所设计，难以充分考虑4wis构型车辆的多种转向模式，也无法发挥其高机动性优势，限制了4wis构型的自动驾驶技术发展。因此，面向4wis新构型车辆的路径规划技术问题亟待解决。

3、目前，针对4wis构型车辆的路径规划问题展开研究的方法主要有三种：1)基于曲线拟合的方法，即利用插值点和固定类型曲线来拟合产生路径；2)基于图搜索的方法，即利用构造的栅格地图搜索出满足要求的路径曲线；3)基于优化的方法，即在优化问题中考虑车辆的运动特性、避碰条件等约束，获得最优的期望路径。这三种方法均存在各自的缺陷，例如第一种基于曲线拟合的方法无法发挥4wis车辆的高灵活性、高通过性特点，也无法在路径规划过程中充分考虑多种转向模式；第二种和基于曲线拟合的方法一样，也无法在规划过程中充分发挥4wis车辆的高机动性特点，更不具备多转向模式序列的规划能力，因此也无法充分利用4wis构型车辆的所有运动模式；第三种方法也无法充分体现4wis构型车辆的优势，此外四轮转向车辆的轨迹规划最优化问题决策变量众多，求解难度大，一般需要对原问题进行简化或转化，并结合智能算法进行求解，过程繁琐且不利于实际工程部署。

4、因此，如何能够充分利用4wis构型车辆的多型转向模式以提升车辆高灵活性和高通过性成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种用于四轮独立转向构型车辆的路径规划方法、用于四轮独立转向构型车辆的路径规划装置及存储介质，解决相关技术中存在的无法充分利用4wis构型车辆的多型转向模式以提升车辆高灵活性和高通过性的问题。

2、作为本发明的第一个方面，提供一种用于四轮独立转向构型车辆的路径规划方法，其中，包括：

3、获取四轮独立转向构型车辆的当前位姿信息和所在环境的障碍物信息；

4、根据当前位姿信息和所在环境的障碍物信息构建四轮独立转向构型车辆的多个转向运动学模型，所述多个转向运动学模型至少包括阿克曼转向运动模式、斜向运动模式和近零转向运动模式；

5、对四轮独立转向构型车辆的多个转向运动学模型进行整合，获得综合运动模式模型；

6、根据地图信息以及目标泊车信息构建泊车约束模型；

7、根据泊车约束模型对所述综合运动模式模型进行求解获得泊车最优路径规划信息。

8、进一步地，根据当前位姿信息和所在环境的障碍物信息构建四轮独立转向构型车辆的多个转向运动学模型，包括：

9、根据四轮独立转向构型车辆的后轴中心位姿、车轮速度信息以及转角信息构建阿克曼转向运动模式模型；

10、根据四轮独立转向构型车辆的横摆角构建斜向运动模式模型；

11、根据四轮独立转向构型车辆的转向信息构建近零转向运动模式模型。

12、进一步地，根据四轮独立转向构型车辆的后轴中心位姿、车轮速度信息以及转角信息构建阿克曼转向运动模式模型，包括：

13、根据四轮独立转向构型车辆的后轴中心位姿、车轮速度信息以及转角信息确定车辆状态量和车辆控制量；

14、根据所述车辆状态量和车辆控制量确定阿克曼转向运动模式模型，其中所述阿克曼转向运动模式模型的表达式为：

15、

16、其中，表示车辆状态量，[δr,p]表示车辆控制量，p表示车辆运动方向，p∈{-1,1}，且p＝1表示车辆前进，p＝-1表示车辆后退，δd表示车轮线速度与时间间隔的乘积定值，lr表示质心到车辆后轴的距离，k表示离散路径序列中的路径序列点序号，其中k∈{0,1,2,...,n-1}，n表示每次路径规划的路径点个数。

17、进一步地，根据四轮独立转向构型车辆的横摆角构建斜向运动模式模型，包括：

18、确定四轮独立转向构型车辆的四个车轮保持相同的朝向运行；

19、当四轮独立转向构型车辆的横摆角保持不变时，获得斜向运动模式模型，其中所述斜向运动模式模型的表达式为：

20、

21、其中，表示车辆状态量，[δr,p]表示车辆控制量，p表示车辆运动方向，p∈{-1,1}，且p＝1表示车辆前进，p＝-1表示车辆后退，δd表示车轮线速度与时间间隔的乘积定值，k表示离散路径序列中的路径序列点序号，其中k∈{0,1,2,...,n-1}，n表示每次路径规划的路径点个数。

22、进一步地，根据四轮独立转向构型车辆的转向信息构建近零转向运动模式模型，包括：

23、确定四轮独立转向构型车辆以为零的转向半径旋转；

24、当四轮独立转向构型车辆以质心为运动瞬心旋转时，获得近零转向运动模式模型，所述近零转向运动模式模型的表达式为：

25、

26、其中，表示车辆状态量，[δr,p']表示车辆控制量，p'表示车辆旋转方向，p'∈{-1,1}，且p'＝1表示车辆顺时针旋转，p'＝-1表示车辆逆时针旋转，δd表示车轮线速度与时间间隔的乘积定值，lr表示质心到车辆后轴的距离，w表示轮距，k表示离散路径序列中的路径序列点序号，其中k∈{0,1,2,...,n-1}，n表示每次路径规划的路径点个数。

27、进一步地，对四轮独立转向构型车辆的多个转向运动学模型进行整合，获得综合运动模式模型，包括：

28、确定多个转向运动学模型的切换仿射逻辑，所述切换仿射逻辑的表达式为：

29、

30、

31、

32、其中，α1+α2+α3＝1，表示车辆状态量，u＝[δr,p]表示车辆控制量，ζi(k+1),i∈{1,2,3}表示k+1时刻的中间状态量；

33、根据切换仿射逻辑获得综合运动模式模型，所述综合运动模式模型的表达式为：

34、

35、其中，m表示ζi(k+1)的上界，m表示ζi(k+1)的下界。

36、进一步地，根据地图信息以及目标泊车信息构建泊车约束模型，包括：

37、根据地图信息以及目标泊车信息确定边值约束、运动能力约束、碰撞躲避约束和车辆运动学约束，其中所述边值约束能够确定车辆的起始状态和终端状态，所述运动能力约束能够确定车辆的运动能力，所述碰撞躲避约束能够确定车辆不与障碍物发生碰撞的条件，所述车辆运动学约束能够协同综合运动模式模型。

38、进一步地，所述边值约束的表达式为：

39、

40、vi(n)∈p2,i∈{a,b,c,d}，

41、δr(n)＝0；

42、所述运动能力约束的表达式为：

43、δmin≤δr≤δmax；

44、所述碰撞躲避约束的表达式为：

45、

46、所述车辆运动学约束的表达式为：

47、

48、作为本发明的另一个方面，提供一种用于四轮独立转向构型车辆的路径规划装置，用于实现前文所述的用于四轮独立转向构型车辆的路径规划方法，其中，包括：

49、获取模块，用于获取四轮独立转向构型车辆的当前位姿信息和所在环境的障碍物信息；

50、第一构建模块，用于根据当前位姿信息和所在环境的障碍物信息构建四轮独立转向构型车辆的多个转向运动学模型，所述多个转向运动学模型至少包括阿克曼转向运动模式、斜向运动模式和近零转向运动模式；

51、整合模块，用于对四轮独立转向构型车辆的多个转向运动学模型进行整合，获得综合运动模式模型；

52、第二构建模块，用于根据地图信息以及目标泊车信息构建泊车约束模型；

53、求解模块，用于根据泊车约束模型对所述综合运动模式模型进行求解获得泊车最优路径规划信息。

54、作为本发明的另一个方面，提供一种存储介质，其中，用于存储计算机指令，当所述计算机指令被处理器加载并执行时以实现前文所述的用于四轮独立转向构型车辆的路径规划方法。

55、本发明提供的用于四轮独立转向构型车辆的路径规划方法，通过四轮独立转向构型车辆的当前位姿信息和所在环境的障碍物信息构建多个转向运动学模型，进而获得综合运动模式模型，并基于构建的泊车约束模型求解获得最优路径规划信息。这种用于四轮独立转向构型车辆的路径规划方法通过采用混合整数逻辑方法对多型转向模式进行统一化建模，基于混合整数非线性规划方法实现转向模式序列与连续路径的协同优化，充分发挥了4wis车辆的高灵活性、高通过性优势，突破了新构型车辆路径规划效率受限于传统方法的难题。