路徑規(guī)劃技術(shù)

1、無(wú)人車(chē)的路徑規(guī)劃技術(shù)無(wú)人車(chē)的路徑規(guī)劃技術(shù)第三組：郟高祥16205216080一、研究背景二、研究現(xiàn)狀三、未來(lái)展望一、研究背景 在如今的21世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，汽車(chē)工業(yè)也飛速發(fā)展，不斷的滿足人類(lèi)的生活需求，每一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展都會(huì)給這個(gè)行業(yè)帶來(lái)革命性的變革，無(wú)人車(chē)技術(shù)的日益發(fā)展并將技術(shù)轉(zhuǎn)移到汽車(chē)制造行業(yè)，使得人們?cè)谏钌系玫皆絹?lái)越多的便利。它把先進(jìn)的信息處理系統(tǒng)和現(xiàn)代傳感器技術(shù)融合在一起，來(lái)緩解車(chē)輛的擁堵情況，也能監(jiān)測(cè)到車(chē)輛的運(yùn)行狀況和駕駛員的駕駛狀態(tài)，有利于提高交通的吞吐能力和保障交通系統(tǒng)的安全系數(shù)。 同時(shí)，汽車(chē)的主動(dòng)安全配置越來(lái)越高，車(chē)輛的安全性能越來(lái)越好，即使得駕駛?cè)说冒踩缘玫教岣?，也?/p>

2、得行人的安全得到更好的保障。車(chē)輛變得越來(lái)越智能，下雨天可以遙控車(chē)輛啟動(dòng)開(kāi)到樓下接自己，不用擔(dān)心沒(méi)有帶雨傘而淋濕自己，在高速路上，駕駛疲勞的時(shí)候車(chē)輛能夠檢測(cè)到，定速巡航駕駛能夠舒緩你一直踩油門(mén)的腳。在遇到自然災(zāi)害的時(shí)候，當(dāng)人類(lèi)無(wú)法實(shí)施救險(xiǎn)活動(dòng)的時(shí)候，利用無(wú)人控制的或者是遙控控制的救險(xiǎn)機(jī)器來(lái)實(shí)施救險(xiǎn)工作。 無(wú)人車(chē)是一個(gè)綜合的合成系統(tǒng)，它主要包括智能控制部分、外部環(huán)境的感知部分和環(huán)境識(shí)別部分，無(wú)人車(chē)是一個(gè)跨學(xué)科的研究項(xiàng)目，要用到的學(xué)科有人工智能、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息融合技術(shù)、多融合傳感器技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)等。當(dāng)路邊的監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)到危險(xiǎn)情況，或者是可能要發(fā)生危險(xiǎn)情況的時(shí)候，智能交通系統(tǒng)

3、就會(huì)發(fā)出警告信號(hào)，或者在特定情況下，執(zhí)行替代操作，智能系統(tǒng)將更加高效、安全的保障車(chē)輛和人員的安全。從以上觀點(diǎn)來(lái)看，無(wú)人車(chē)的理論研究對(duì)人類(lèi)生活、駕駛安全、交通便利、環(huán)境保護(hù)等都有舉足輕重的現(xiàn)實(shí)意義。 無(wú)人駕駛智能汽車(chē)通過(guò)傳感系統(tǒng)感知自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和周?chē)慕煌ōh(huán)境，通過(guò)替代駕駛員大腦的“駕駛員模型”在局部范圍內(nèi)決策出安全、合法、高效，并且容易駕駛的行駛軌跡，產(chǎn)生控制策略，操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。 無(wú)人車(chē)的路徑規(guī)劃問(wèn)題是指在有障礙物的工作環(huán)境中尋找一條恰當(dāng)?shù)膹慕o定起點(diǎn)到終點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)路徑，使無(wú)人車(chē)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能安全、無(wú)碰撞地繞過(guò)所有的障礙物。 二、研究現(xiàn)狀 基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃，即障礙物

4、的尺寸、形狀和位置等信息必須通過(guò)傳感器獲取。1971年以來(lái)相繼出現(xiàn)了超聲波、激光、紅外、視頻等多種方式的車(chē)輛防撞雷達(dá)。這些傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但不滿足全天候要求，如采集無(wú)人車(chē)自身的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息的慣性傳感器，雷達(dá)分為激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)，分別對(duì)近距離和中遠(yuǎn)距離，甚至對(duì)超過(guò)100米遠(yuǎn)的障礙和目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)定位和對(duì)前向行駛環(huán)境進(jìn)行圖像的三維立體獲取，采集障礙物的距離和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，提供車(chē)輛避障和導(dǎo)航信 息。這些雷達(dá)在無(wú)人車(chē)避障與路徑規(guī)劃中的應(yīng)用前景廣泛。 激光雷達(dá)在無(wú)人駕駛汽車(chē)中占的地位舉足輕重，國(guó)內(nèi)外很多高校以及公司在其自主研發(fā)的無(wú)人駕駛車(chē)輛中都使用了激光雷達(dá)作為環(huán)境感知的傳感器。其優(yōu)點(diǎn)有：方

5、向性好，波束窄，測(cè)角精度高。采取專(zhuān)門(mén)的脈沖壓縮技術(shù)，可把脈沖寬度壓縮到幾十納秒（毫微秒）甚至皮秒（微微秒）量級(jí)，峰值功率可達(dá)幾百兆瓦，從而大大提高測(cè)距精度。激光雷達(dá)不受地面雜波干擾，沒(méi)有多路徑效應(yīng)，故能在低仰角下工作。同時(shí)，激光雷達(dá)也有個(gè)最大的缺點(diǎn)：受大氣的光傳輸效應(yīng)影響（包括光速、折射率的變化和散射現(xiàn)象）會(huì)使其測(cè)量精度降低，因而不能全天候工作，遇濃霧、雨、雪天氣無(wú)法工作；由于波束窄，在大空域中捕獲目標(biāo)困難，須借助引導(dǎo)才能進(jìn)入自跟蹤。 傳感器的安裝與組合將直接決定著環(huán)境感知系統(tǒng)的能力和感知效果。在多數(shù)無(wú)人車(chē)中都使用了相似的傳感器組合方式和傳感器類(lèi)型，當(dāng)然在具體細(xì)節(jié)上也有所差異。最基本的原則是使

6、用組合式的傳感器，提供一定的冗余量和覆蓋率，以滿足在復(fù)雜環(huán)境中安全導(dǎo)航的需求。傳感器的安裝和使用很大程度上決定了路徑規(guī)劃的好壞。路徑規(guī)劃的要求：（1）車(chē)輛應(yīng)該在自動(dòng)避開(kāi)所有障礙物的前提下，到達(dá)指定的目的地。（2）車(chē)輛安全到達(dá)目的地所用的時(shí)間最短，路程最短。（3）采用的路徑簡(jiǎn)單可靠，以便簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人車(chē)的控制。（4）車(chē)輛行駛的路徑盡量不重復(fù)或者少重復(fù)。（5）車(chē)輛選用合適的行駛策略，減少車(chē)輛的能量消耗。路徑規(guī)劃的一般步驟： 路徑規(guī)劃的求解思路是：把需要解決的最短時(shí)間、最短距離、最少花費(fèi)等問(wèn)題轉(zhuǎn)變成求解最短路徑，因?yàn)橹挥姓业搅俗疃搪窂?，以上?wèn)題都將得到解決，路徑規(guī)劃的一般步驟分為以下幾步：（1）對(duì)路

7、網(wǎng)進(jìn)行抽象 用線段來(lái)代替實(shí)際交通路網(wǎng)中的道路，用節(jié)點(diǎn)代替道路的端點(diǎn)或者交叉口。（2）標(biāo)定路段的權(quán)重 路徑規(guī)劃的最優(yōu)目的是路段的權(quán)重，權(quán)重選擇的不同，則得到的算法和結(jié)果也就不同。一般的路段權(quán)重可分為三種：最少時(shí)間、最短距離以及綜合權(quán)重。實(shí)際交通中的道路是實(shí)時(shí)變化的，最少時(shí)間和最短距離并不能全面的反映出道路的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，更不能反映一些交通問(wèn)題，所以就會(huì)誤導(dǎo)車(chē)輛。而綜合權(quán)重是綜合考慮分析道路的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并正確的引導(dǎo)車(chē)輛進(jìn)行路徑規(guī)劃，這也節(jié)省了時(shí)間，提高了總體效率。（3）最優(yōu)路徑的求解方法 從算法的計(jì)算速度以及準(zhǔn)確度出發(fā)，路徑規(guī)劃的進(jìn)行不但要考慮實(shí)際的交通信息，還需要選擇一個(gè)既穩(wěn)定又實(shí)時(shí)的算法。（4）對(duì)

8、實(shí)際道路的還原 找到最優(yōu)路徑后，需要將抽象的路線還原成實(shí)際交通地圖中的真實(shí)路徑，可以通過(guò)將抽象圖中的線段和實(shí)際道路進(jìn)行一一比對(duì)，最后將最優(yōu)路徑顯示出來(lái)。 無(wú)人車(chē)行駛過(guò)程中，雷達(dá)波束向前發(fā)射信號(hào)，當(dāng)發(fā)射信號(hào)遇到障礙物目標(biāo)時(shí)，被反射回來(lái)被接收天線接收，經(jīng)混頻放大處理，可用其差拍信號(hào)間來(lái)表示雷達(dá)與目標(biāo)的距離，再根據(jù)差頻信號(hào)相差與相對(duì)速度關(guān)系，計(jì)算出障礙物目標(biāo)對(duì)雷達(dá)的相對(duì)速度。圖一、無(wú)人車(chē)的雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)組成框圖 無(wú)人車(chē)主控計(jì)算機(jī)將目標(biāo)距離和速度這兩個(gè)物理量代入危險(xiǎn)時(shí)間函數(shù)數(shù)字模型后，即可算出危險(xiǎn)時(shí)間。當(dāng)危險(xiǎn)程度達(dá)到各種不同等級(jí)時(shí)，分別輸出報(bào)警信號(hào)或通過(guò)車(chē)輛控制電路來(lái)控制車(chē)速或剎車(chē)。當(dāng)距離過(guò)近時(shí)，無(wú)人車(chē)

9、主控計(jì)算機(jī)會(huì)通過(guò)車(chē)上的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)CAN-BUS與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、變速器ECU及ESP(車(chē)輛穩(wěn)定行駛系統(tǒng))、ABS剎車(chē)系統(tǒng)ECU，通過(guò)限制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)剎車(chē)作用力及變速箱檔位，控制定速巡航的車(chē)速，避免發(fā)生碰撞。 同時(shí)，無(wú)人車(chē)的路徑規(guī)劃處理器會(huì)根據(jù)障礙物情況重新進(jìn)行路徑規(guī)劃，確定新的行駛路徑，并將路徑信息轉(zhuǎn)化為無(wú)人車(chē)的油門(mén)、轉(zhuǎn)向或剎車(chē)控制參數(shù)，通過(guò)控制這三個(gè)參數(shù)，來(lái)控制無(wú)人車(chē)的行進(jìn)路徑。若前方無(wú)障礙物（100米為限），車(chē)輛會(huì)加速至預(yù)設(shè)的巡航速度。 圖二、無(wú)人車(chē)路徑規(guī)劃流程圖 在無(wú)人駕駛智能車(chē)的路徑規(guī)劃研究中，核心是路徑規(guī)劃的算法，算法的選擇將直接影響到路徑規(guī)劃質(zhì)量的優(yōu)劣。一般來(lái)講，路徑規(guī)劃算法

10、的計(jì)算規(guī)則主要分為三條：程序運(yùn)行速度快，系統(tǒng)資源占用率低，工作穩(wěn)定性高。在小車(chē)實(shí)際行駛的過(guò)程中，交通路網(wǎng)會(huì)隨時(shí)間變化而變化，其中包含了靜態(tài)交通限制信息和動(dòng)態(tài)交通流量信息，例如道路質(zhì)量、交通狀況、各路段限速狀態(tài)、道路占用率和各種環(huán)境因素等，這些都是一些不確定因素，所以我們必須要考慮到這些能夠影響車(chē)輛行駛狀態(tài)的各種參數(shù)。目前，解決最短路徑問(wèn)題已經(jīng)有了很多成熟的算法。表3、經(jīng)典路徑規(guī)劃算法性能比較 路徑規(guī)劃的影響因素有很多，主要包括如下幾種：路段的長(zhǎng)度、道路、速度、道路等級(jí)、交叉口的等待時(shí)間、交通管制信息等因素。這些影響行車(chē)效率的因素將以不同的形式體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于路阻函數(shù)的確定。道路的長(zhǎng)度、速度、路段等級(jí)、交通口等待時(shí)間幾種等是路徑規(guī)劃的主要影響因素，由于交通管制信息、路段搶修、道路施工等不確定性太大，而且可以在具體動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃中體現(xiàn)出來(lái)，所以在宏觀路徑規(guī)劃中一般不考慮這些因素。 目前多家公司已經(jīng)宣布其無(wú)人車(chē)產(chǎn)品的上市時(shí)間，這無(wú)疑將拉開(kāi)無(wú)人車(chē)商業(yè)化、普及化的大幕，而由于部分傳感器的價(jià)格高昂，因此如何在安全高效、成本低廉的基礎(chǔ)上構(gòu)建出最優(yōu)的傳感器組合架構(gòu)成為一個(gè)十分關(guān)鍵的問(wèn)題。而無(wú)人