邱朋,汪光,趙理,趙博陽(yáng)
(1.北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京 100192;2.河北工業(yè)大學(xué)人工智能與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院,天津 300401)
隨著智能駕駛技術(shù)的發(fā)展,無(wú)人駕駛車(chē)輛越來(lái)越多的運(yùn)用到人們的生產(chǎn)生活中,其相關(guān)技術(shù)可分為:定位導(dǎo)航、環(huán)境感知、路徑規(guī)劃以及自動(dòng)控制技術(shù),其中無(wú)人駕駛車(chē)輛路徑規(guī)劃與行駛避障一直是研究的重點(diǎn)[1]。路徑規(guī)劃是指在已知或未知的環(huán)境中,由車(chē)載雷達(dá)、視覺(jué)傳感器等獲取外界信息后,利用車(chē)載控制器規(guī)劃出一條由起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的無(wú)碰撞軌跡。由于實(shí)際車(chē)輛行駛過(guò)程中更多時(shí)候處于動(dòng)態(tài)環(huán)境,目前針對(duì)路徑規(guī)劃相關(guān)算法各國(guó)學(xué)者研究廣泛,但對(duì)于動(dòng)態(tài)避障問(wèn)題仍有待進(jìn)一步研究[2?4]。
人工勢(shì)場(chǎng)法是路徑規(guī)劃算法中一種常用的方法,該算法原理簡(jiǎn)單易理解,是一種準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性較高的一種方法[5],因此被廣泛應(yīng)用于無(wú)人車(chē)以及機(jī)器人等領(lǐng)域的路徑規(guī)劃求解當(dāng)中,但對(duì)于動(dòng)態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性較低,無(wú)法滿(mǎn)足無(wú)人車(chē)處于動(dòng)態(tài)環(huán)境中所需路徑準(zhǔn)確穩(wěn)定的要求。文獻(xiàn)[6]在動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃過(guò)程中,考慮了速度因素的影響,解決了路徑抖動(dòng)不穩(wěn)定的問(wèn)題,但未考慮行駛道路邊界的限制,在實(shí)際行駛中可能駛出道路。文獻(xiàn)[7]中提出一種斥力偏轉(zhuǎn)模型,修正斥力方向,降低了規(guī)劃路徑的長(zhǎng)度及曲度,但并未對(duì)考慮實(shí)際行駛環(huán)境中的速度因素,因而無(wú)法準(zhǔn)確描述實(shí)際行駛場(chǎng)景。文獻(xiàn)[8]中提出一種高斯人工勢(shì)場(chǎng)算法,該算法針對(duì)結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境,增加車(chē)道中心線(xiàn)對(duì)行駛車(chē)輛的引力,增加了汽車(chē)避障過(guò)程的穩(wěn)定性,但當(dāng)汽車(chē)離車(chē)輛中心線(xiàn)較遠(yuǎn)時(shí),該方法會(huì)面臨路徑抖動(dòng)的問(wèn)題。
因此,結(jié)合實(shí)際汽車(chē)行駛環(huán)境及車(chē)輛外形特征,借鑒人工勢(shì)場(chǎng)法的基本思想,改進(jìn)斥力勢(shì)場(chǎng)函數(shù),應(yīng)用橢圓化距離代替斥力勢(shì)場(chǎng)的中的實(shí)際距離,構(gòu)造道路邊界勢(shì)場(chǎng)、障礙物速度勢(shì)場(chǎng),引力勢(shì)場(chǎng)多重約束下的改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)模型。同時(shí),基于純追蹤算法理論,建立以轉(zhuǎn)角為控制變量的路徑跟蹤模型,并通過(guò)Matlab驗(yàn)證改進(jìn)算法的路徑規(guī)劃及跟蹤效果。
人工勢(shì)場(chǎng)法應(yīng)用與無(wú)人車(chē)路徑規(guī)劃的基本思想是將無(wú)人車(chē)在周?chē)h(huán)境中的運(yùn)動(dòng)虛擬為在受力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng),障礙物對(duì)無(wú)人車(chē)產(chǎn)生斥力,目標(biāo)點(diǎn)對(duì)無(wú)人車(chē)產(chǎn)生引力,無(wú)人車(chē)受引力與斥力的共同作用下,由起點(diǎn)沿著勢(shì)場(chǎng)強(qiáng)度下降最快的方向朝著目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng),其受力分析,如圖1所示。
圖1 無(wú)人車(chē)受力分析Fig.1 Stress Analysis of Unmanned Vehicles
傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法中將受控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)空間為二維歐式空間,即平面運(yùn)動(dòng),受控對(duì)象的位置坐標(biāo)為X=(x,y),目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)為Xgoal=(xgoal,ygoal),目標(biāo)點(diǎn)對(duì)受控對(duì)象的引力勢(shì)場(chǎng)函數(shù)為二次函數(shù),即:
式中:k—引力勢(shì)場(chǎng)系數(shù);Xgoal?X—受控車(chē)輛到目標(biāo)點(diǎn)的距離ρgoal為:
定義環(huán)境模型中障礙點(diǎn)位置坐標(biāo)為Xobject=(xobject,yobject),則該處斥力勢(shì)場(chǎng)函數(shù)為:
式中:η—斥力勢(shì)場(chǎng)系數(shù);ρ0—斥力勢(shì)場(chǎng)影響距離;ρobject—受控車(chē)輛到障礙物的距離,當(dāng)ρobject>ρ0時(shí),車(chē)輛不受斥力勢(shì)場(chǎng)的作用,其中:
受控對(duì)象所受總勢(shì)場(chǎng)為:
式中:n—障礙物的個(gè)數(shù)。
為適應(yīng)實(shí)際無(wú)人車(chē)行駛環(huán)境,改善傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法中動(dòng)態(tài)規(guī)劃能力差的問(wèn)題,在改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)模型中加入速度斥力場(chǎng),其函數(shù)為:
無(wú)人車(chē)在避障前后都是以主車(chē)道線(xiàn)為主要行駛路徑,因此以車(chē)道中心線(xiàn)為參考,構(gòu)建車(chē)道中心線(xiàn)引力勢(shì)能場(chǎng),無(wú)人車(chē)向車(chē)道中心線(xiàn)兩側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí),引力勢(shì)能逐漸增加,且增加速度越來(lái)越快,其表達(dá)式為:
式中:λ—道路中心線(xiàn)引力勢(shì)能場(chǎng)因子;x0—無(wú)人車(chē)起點(diǎn)橫坐標(biāo);ymax—無(wú)人車(chē)縱向最大位移。
由式(6)和式(1)得出無(wú)人車(chē)在行駛過(guò)程中所受總引力勢(shì)能為:
無(wú)人車(chē)所受引力勢(shì)能的三維分布圖,如圖2 所示。距離目標(biāo)點(diǎn)距離越遠(yuǎn),引力勢(shì)能越小,距離車(chē)道中心線(xiàn)距離越遠(yuǎn),引力勢(shì)能越大。
圖2 引力勢(shì)能場(chǎng)三維分布圖Fig.2 Three?Dimensional Distribution of Gravitational Potential Energy Field
無(wú)人車(chē)在實(shí)際行駛過(guò)程中,在沒(méi)有其它障礙物的影響時(shí),將受到道路邊界的約束,且距離邊界越近,所受斥力越大,道路中心線(xiàn)所受邊界斥力最小。因此,根據(jù)無(wú)人車(chē)在道路上行駛到任意位置危險(xiǎn)系數(shù)不同,選用變化程度不同的函數(shù)來(lái)構(gòu)建道路邊界斥力場(chǎng)。當(dāng)無(wú)人車(chē)行駛到兩車(chē)道中心線(xiàn)之間時(shí),此時(shí)距離道路邊界較遠(yuǎn),危險(xiǎn)系數(shù)較小,無(wú)人車(chē)較為安全,選用變化較為平緩的正弦函數(shù)構(gòu)建道路邊界斥力場(chǎng);當(dāng)無(wú)人車(chē)行駛到兩車(chē)道中心線(xiàn)兩邊時(shí),所受斥力較大,且距離越近危險(xiǎn)系數(shù)越高,所受斥力變化較快,選用增長(zhǎng)較快指數(shù)函數(shù)構(gòu)建道路邊界斥力場(chǎng),其表達(dá)式如式(8)所示:
由式(8)得到無(wú)人車(chē)所處行駛于不同位置時(shí)所受道路邊界勢(shì)能場(chǎng)的三維分布,如圖3所示。無(wú)人車(chē)距離道路邊界越近,斥力勢(shì)場(chǎng)越大,且變化越快。無(wú)人車(chē)處于左右車(chē)道中心線(xiàn)之間時(shí),勢(shì)場(chǎng)最小,且變化緩慢。
圖3 道路邊界勢(shì)能場(chǎng)三維分布圖Fig.3 Three?Dimensional Distribution Map of Potential Energy Field on the Road Boundary
式中:γ1,γ2—道路邊界斥力場(chǎng)因子;L—道路寬度;xl,xr—左右車(chē)道中心線(xiàn)的橫坐標(biāo)。
無(wú)人車(chē)外輪廓近似長(zhǎng)方形,在進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí),考慮路徑平滑且無(wú)突變的要求,采用橢圓化斥力場(chǎng)邊界的概念,若障礙物某一時(shí)刻坐標(biāo)為(xobject,yobject),將其斥力勢(shì)場(chǎng)抽象為橢圓函數(shù)為:
將式(9)二維橢圓方程通過(guò)正態(tài)分布函數(shù)拓展到三維斥力勢(shì)能場(chǎng),其表達(dá)式為:
為了簡(jiǎn)化式(10),取ρ=0,令β=(2πσ1σ2)?1,其表達(dá)式變?yōu)椋?/p>
式中:β—障礙物斥力場(chǎng)因子;ρ—橫縱向相關(guān)系數(shù);σ1,σ2—調(diào)節(jié)無(wú)人車(chē)避障路徑形狀的參數(shù);UP—一個(gè)極小的正數(shù)。
由式(11)得出不同位置斥力勢(shì)場(chǎng)能場(chǎng)的三維分布圖,如圖4所示。
圖4 障礙物斥力勢(shì)場(chǎng)分布圖Fig.4 Distribution Map of Obstacle Repulsive Potential Field
因此,無(wú)人車(chē)在不同位置所受勢(shì)能場(chǎng)為車(chē)道中心線(xiàn)引力場(chǎng),道路邊界線(xiàn)斥力場(chǎng),障礙物斥力場(chǎng),速度斥力場(chǎng)以及目標(biāo)點(diǎn)引力場(chǎng),其函數(shù)表達(dá)式如式(12)所示:
將車(chē)輛模型簡(jiǎn)化為二輪自行車(chē)模型[9],其優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)化了前輪轉(zhuǎn)角與后軸所遵循的曲率之間的關(guān)系,如圖5所示。根據(jù)二自由度自行車(chē)模型幾何關(guān)系可得:
圖5 車(chē)輛二自由度自行車(chē)模型Fig.5 Bicycle Model With Two Degrees of Freedom
式中:δ—前輪轉(zhuǎn)角;L—軸距。
為完成對(duì)期望軌跡的追蹤,從車(chē)輛二自由度自行車(chē)模型出發(fā),以后軸為切點(diǎn),無(wú)人車(chē)縱向車(chē)身為切線(xiàn),通過(guò)控制無(wú)人車(chē)轉(zhuǎn)角,使得無(wú)人車(chē)可以按照經(jīng)過(guò)目標(biāo)點(diǎn)的圓弧行駛[10],如圖6所示。
圖6 無(wú)人車(chē)轉(zhuǎn)向控制原理Fig.6 The Principle of Steering Control for Unmanned Vehicles
圖6中(gx,gy)表示無(wú)人車(chē)要追蹤的下一個(gè)目標(biāo)點(diǎn),α表示當(dāng)前車(chē)身姿態(tài)與目標(biāo)點(diǎn)的夾角,ld表示后軸到目標(biāo)點(diǎn)的距離,R為轉(zhuǎn)向半徑,根據(jù)正弦定理得:
前視距離被定義為車(chē)速的線(xiàn)性函數(shù),即:ld=εvy(t),其中:ε—前視系數(shù),vy(t)—無(wú)人車(chē)縱向速度,則式(15)轉(zhuǎn)化為:
在無(wú)人車(chē)二自由度模型中,考慮無(wú)人車(chē)的當(dāng)前位置、偏航角度以及無(wú)人車(chē)的速度,其中速度控制應(yīng)用簡(jiǎn)單的P控制器,橫向控制采用純追蹤控制器,基于以上原理在Simulink中搭建仿真模型,如圖7所示。
圖7 純追蹤控制器模型Fig.7 Pure Tracking Controller Model
仿真過(guò)程改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法主要參數(shù),如表1所示。純追蹤控制模型主要參數(shù),如表2所示。
表1 改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法參數(shù)Tab.1 Parameters of Improved Artificial Potential Field Method
表2 純追蹤控制模型主要參數(shù)Tab.2 Main Parameters of Pure Tracking Control Model
仿真實(shí)驗(yàn)中,設(shè)定道路寬度為8m,無(wú)人車(chē)尺寸為邊長(zhǎng)1m的正方形,仿真時(shí)間間隔為0.1s,無(wú)人車(chē)起始坐標(biāo)點(diǎn)為(6,0),終點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)為(7,150),障礙物坐標(biāo)為(6.5,60),設(shè)置無(wú)人車(chē)速度為36km/h,設(shè)定移動(dòng)步長(zhǎng)為0.1m,仿真結(jié)果,如圖8~圖9所示。
圖8 靜態(tài)環(huán)境無(wú)人車(chē)規(guī)劃路徑和實(shí)際路徑曲線(xiàn)Fig.8 Static and Unmanned Vehicle Planned and Actual Path
圖9 靜態(tài)環(huán)境無(wú)人車(chē)規(guī)劃路徑和實(shí)際路徑橫向誤差曲線(xiàn)Fig.9 Lateral Error Curve of Planned Path and Actual Path of Unmanned Vehicle in Static Environment
由圖8、圖9可知改進(jìn)后的算法能夠準(zhǔn)確避開(kāi)障礙物,并且規(guī)劃路徑與實(shí)際路徑吻合度較高,橫向誤差最大值為0.015m,橫向位置距離右側(cè)道路邊界近2m,遠(yuǎn)大于實(shí)際車(chē)輛車(chē)身寬度一半,說(shuō)明改進(jìn)算法能夠準(zhǔn)確避開(kāi)靜態(tài)障礙物,所建立的純追蹤控制模型能夠?qū)崿F(xiàn)安全平穩(wěn)的跟蹤參考軌跡。由圖11、圖12可以知轉(zhuǎn)角范圍控制在±3°內(nèi),整體變化平緩,沒(méi)有突變及震蕩情況的出現(xiàn)。無(wú)人車(chē)實(shí)際橫擺角曲線(xiàn)與參考線(xiàn)趨勢(shì)相同,整體偏差較小,說(shuō)明無(wú)人車(chē)在路徑跟蹤過(guò)程中穩(wěn)定性較好,如圖12所示。
圖10 無(wú)人車(chē)規(guī)劃轉(zhuǎn)角與實(shí)際轉(zhuǎn)角變化曲線(xiàn)Fig.10 Variation Curve of Unmanned Vehicle’s Planned Rotation Angle And Actual Rotation Angle
圖11 無(wú)人車(chē)參考橫擺角和實(shí)際橫擺角曲線(xiàn)Fig.11 Unmanned Vehicle Reference Yaw Angle and Actual Yaw Angle Curve
為驗(yàn)證改進(jìn)算法在動(dòng)態(tài)環(huán)境中避障的準(zhǔn)確性,在實(shí)驗(yàn)中設(shè)定移動(dòng)障礙物初始坐標(biāo)為(6.5,60),運(yùn)動(dòng)方向與y軸正方向夾角135°,速度為36km/h,仿真時(shí)間間隔0.1s,設(shè)置無(wú)人車(chē)速度為36km/h,移動(dòng)步長(zhǎng)為0.1m,仿真結(jié)果,如圖12所示。
圖12 動(dòng)態(tài)環(huán)境無(wú)人車(chē)規(guī)劃路徑與實(shí)際路徑曲線(xiàn)Fig.12 Unmanned Vehicle Planning Path and Actual Path Curve in Dynamic Environment
由圖12及圖13可知改進(jìn)算法在動(dòng)態(tài)環(huán)境中能夠準(zhǔn)確避開(kāi)障礙物,期望路徑與規(guī)劃路徑吻合度較高,橫向誤差最大值為0.022m,所建立的純追蹤控制器在動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃中能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確追蹤。動(dòng)態(tài)環(huán)境下無(wú)人車(chē)轉(zhuǎn)角及橫擺角變化曲線(xiàn),如圖14、圖15所示。
圖13 動(dòng)態(tài)環(huán)境無(wú)人車(chē)規(guī)劃路徑與實(shí)際路徑橫向誤差曲線(xiàn)Fig.13 Lateral Error Curve of Planned Path and Actual Path of Unmanned Vehicle in Dynamic Environment
圖14 無(wú)人車(chē)規(guī)劃轉(zhuǎn)角與實(shí)際轉(zhuǎn)角變化曲線(xiàn)Fig.14 Variation Curve of Unmanned Vehicle’s Planned Rotation Angle and Actual Rotation Angle
從圖中可以看出在出現(xiàn)動(dòng)態(tài)障礙物后無(wú)人車(chē)開(kāi)始轉(zhuǎn)向,轉(zhuǎn)角在3°以下,整體變化平穩(wěn),無(wú)較大范圍內(nèi)突變及震蕩。無(wú)人車(chē)實(shí)際橫擺角與參考橫擺角趨勢(shì)相同,整體偏差較小,無(wú)人車(chē)在路徑跟蹤過(guò)程中穩(wěn)定性較好,如圖15所示。
圖15 無(wú)人車(chē)參考橫擺角與實(shí)際橫擺角變化曲線(xiàn)Fig.15 Change Curve of Reference Yaw Angle and Actual Yaw Angle of Unmanned Vehicle
基于5.2中的動(dòng)態(tài)環(huán)境信息,設(shè)置動(dòng)態(tài)障礙物的移動(dòng)速度分別為18km/h、36km/h、54km/h,在Matlab 中應(yīng)用傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法進(jìn)行仿真結(jié)果,如圖16、圖17所示。
圖16 動(dòng)態(tài)環(huán)境下傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法路徑曲線(xiàn)Fig.16 Path Curve of Traditional Artificial Potential Field Method Under Dynamic Environment
圖17 動(dòng)態(tài)障礙物不同速度下改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法路徑曲線(xiàn)Fig.17 Improved Artificial Potential Field Path Curves for Different Speeds of Dynamic Obstacles
由圖16可知,在傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法路徑規(guī)劃中,動(dòng)態(tài)障礙物出現(xiàn)之前,路徑平直,效果較好。但當(dāng)動(dòng)態(tài)障礙物出現(xiàn)后,所規(guī)劃路徑波動(dòng)較大,并且避開(kāi)障礙物后,到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)之前出現(xiàn)小范圍的波動(dòng),隨著動(dòng)態(tài)障礙物速度的增加,避開(kāi)動(dòng)態(tài)障礙物的路徑抖動(dòng)幅度越來(lái)越大,路徑連續(xù)波動(dòng)較明顯。由圖17可知,改進(jìn)算法所規(guī)劃的路徑平直,無(wú)連續(xù)波動(dòng),穩(wěn)定性較高,且隨著動(dòng)態(tài)障礙物速度的增加,改進(jìn)算法規(guī)劃的路徑無(wú)大范圍波動(dòng)。對(duì)比分析圖16、17可知,改進(jìn)算法在動(dòng)態(tài)避障中路徑規(guī)劃效果較好,且在障礙物不同速度下,路徑規(guī)劃效果較為穩(wěn)定。
對(duì)比分析圖12、圖16可知,在傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法路徑規(guī)劃中,動(dòng)態(tài)障礙物出現(xiàn)之前,路徑平直,效果較好,但當(dāng)動(dòng)態(tài)障礙物出現(xiàn)后,所規(guī)劃路徑波動(dòng)較大,并且避開(kāi)障礙物后,到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)之前出現(xiàn)小范圍的波動(dòng)。改進(jìn)算法所規(guī)劃的路徑平直,無(wú)連續(xù)波動(dòng),穩(wěn)定性較高。
擬實(shí)驗(yàn)車(chē),該車(chē)包括激光雷達(dá)、攝像頭、毫米波雷達(dá)、GPS等傳感器以及主流的ADAS控制器,如圖18所示。智能小車(chē)參數(shù),如表3所示。
圖18 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.18 Experimental Platform
表3 智能小車(chē)參數(shù)Tab.3 Smart Car Parameters
設(shè)定智能小車(chē)以最大速度行駛,應(yīng)用改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法得,如圖19所示。智能小車(chē)以最大速度行駛時(shí),檢測(cè)到動(dòng)態(tài)障礙物信息后,能夠及時(shí)躲避障礙物,準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。
圖19 智能小車(chē)路徑Fig.19 Smart Car Path
針對(duì)傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法無(wú)法適應(yīng)于無(wú)人車(chē)動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃的問(wèn)題,基于結(jié)構(gòu)化道路改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法,考慮實(shí)際車(chē)輛外形的特征,應(yīng)用橢圓化距離代替斥力勢(shì)場(chǎng)的中的實(shí)際距離,引入道路邊界斥力勢(shì)場(chǎng)模型及車(chē)道中心線(xiàn)引力勢(shì)場(chǎng)模型,從而在較小車(chē)道空間內(nèi)獲得局部避障路徑,為了更加準(zhǔn)確的描述無(wú)人車(chē)行駛環(huán)境及動(dòng)態(tài)障礙物信息,引入障礙物速度斥力勢(shì)場(chǎng)。在算法的驗(yàn)證上,應(yīng)用Matlab編程,將車(chē)輛模型簡(jiǎn)化為邊長(zhǎng)為1m的矩形,添加靜態(tài)及動(dòng)態(tài)障礙物,建立以轉(zhuǎn)角為控制變量的純追蹤控制模型對(duì)所規(guī)劃的路徑進(jìn)行跟隨控制。Matlab仿真及智能小車(chē)驗(yàn)證結(jié)果表明,在靜態(tài)及動(dòng)態(tài)環(huán)境中,改進(jìn)算法能夠準(zhǔn)確避開(kāi)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)障礙物,與傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法對(duì)比,所規(guī)劃路徑平直,穩(wěn)定性較高,所建立的純追蹤控制模型能夠進(jìn)行平穩(wěn)的跟蹤控制。