一種無人駕駛帶避障的路徑規(guī)劃方法研究

李曉宇 徐紀(jì)洋 馬飛

(上海聯(lián)適導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，上海 200000)

引言

人工智能(Artificial Intelligence，AI)，是計算機科學(xué)的一個分支，其是根據(jù)了解人類的思想，并能以人類智能相似的方式做出反應(yīng)的智能機器[1]。隨著該技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸將該技術(shù)運用于掃拖地機器人[2]、電氣自動化控制[3]、軍事[4]、計算機網(wǎng)絡(luò)[5]以及中國醫(yī)學(xué)等方面[6]，近年來人們將該技術(shù)應(yīng)用于汽車上的無人駕駛方面[7]。

無人駕駛在實現(xiàn)上可分為2個步驟。對地理環(huán)境的探知，車輛要能夠按照要求在規(guī)定路徑行駛，這需要地理定位的技術(shù)支持，這一部分可以使用北斗衛(wèi)星定位技術(shù)來解決[8]。同時路徑的規(guī)劃也要能夠規(guī)避路徑上已經(jīng)知道的固定障礙物，以免引起行駛安全性問題；路徑確定后的控制技術(shù)，使車輛能夠在規(guī)劃好的路徑上精確行駛，不能出現(xiàn)比較大的偏差。無人駕駛車輛的路徑規(guī)劃問題，就是在要工作的地塊形狀下，規(guī)劃出無人駕駛車輛能夠遍歷整個工作地塊、沒有障礙物碰撞的一條安全行駛路徑。

李寧等提出一種基于遺傳算法(genetic algorithm，GA)的自主避障控制算法應(yīng)用于電動汽車上，解決了傳統(tǒng)算法只能在橫向避障的缺陷[9]。程越等為了實現(xiàn)無人駕駛拖拉機在直線作業(yè)時的實時避障路徑規(guī)劃功能，通過仿真發(fā)現(xiàn)規(guī)劃的路徑跟蹤控制精度更高的算法是基于5次多項式函數(shù)的路徑規(guī)劃算法，更易于跟蹤控制[10]。

目前，無人駕駛車輛采用的工作路徑規(guī)劃在作業(yè)時多需要人工干預(yù)，如在遇到需要轉(zhuǎn)彎、掉頭、規(guī)避障礙物時需要人工控制車輛完成動作，耗費人力，受時間、環(huán)境等客觀條件限制，在面對大面積工作地塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)時，駕駛員受生理條件限制無法長時間按標(biāo)準(zhǔn)完成工作，限制了作業(yè)效率。

為了解決上述問題，本設(shè)計的目的在于為自動駕駛系統(tǒng)根據(jù)工作地塊提供一條可以遍歷整個地塊，實現(xiàn)無漏作業(yè)，又可以繞過障礙物的自動路徑規(guī)劃方法。該方法僅需采集工作地塊形狀和障礙物位置，就可自動規(guī)劃出行駛路徑，無需其它人工代價，一次信息采集后，針對同一地塊下次作業(yè)時無需再做信息采集工作，方便簡單，降低人工成本，可繞過障礙物，保障作業(yè)安全。

1 設(shè)計的基本原理

采集工作地塊地理信息，獲得多邊形順序坐標(biāo)點，以規(guī)定安全邊界距離將多邊形向內(nèi)部縮進(jìn)；以當(dāng)前工作車輛位置為參考，以與多邊形頂點距離最近的為下一個目標(biāo)點，以此點相鄰較長邊，生成路徑待定點并生成路徑；遇到障礙物通過平移待定點繞過障礙物，并能通過比較左右平移距離獲得較優(yōu)路徑，通過平移路徑待定點生成下一組路徑，直至路徑能夠遍歷整個工作地塊；通過采集地塊和障礙物坐標(biāo)后，可在路徑生成的時候根據(jù)障礙物坐標(biāo)自動生成帶有避障路徑的行駛路徑。

由上述基本原理可得，利用本設(shè)計的無人駕駛帶避障的路徑規(guī)劃方法可以極大提高無人駕駛作業(yè)的效率和作業(yè)安全性，并且操作方便簡單，降低人工成本。

2 轉(zhuǎn)向控制方法

本設(shè)計提供了一種無人駕駛的帶避障的路徑規(guī)劃方法的流程圖，如圖1所示。

建立地塊地理模型。預(yù)先對將要作業(yè)的地塊進(jìn)行地理信息采集、障礙物地理信息采集，建立地塊地理模型。采集地塊頂點坐標(biāo)。順、逆時針繞地塊采集地塊多邊形頂點坐標(biāo)，根據(jù)將要作業(yè)的地塊，順或逆時針預(yù)先采集地塊特征點。邊界縮進(jìn)。將地塊多邊形按照工作時離地邊界安全距離Threshold向內(nèi)部縮進(jìn)，生成邊界特征點。依次獲取邊界特征點。獲得當(dāng)前車輛所在位置坐標(biāo)點，取相距車輛最近的邊界特征點，取最長的一條為參考線段。生成路徑待定點。在此線段上生成路徑待定點，遍歷此組路徑待定點，是否有在障礙物圓形內(nèi)。遍歷路待定點。通過遍歷路徑待定點即可確定路徑特征點，將路徑特征點首尾相接即為規(guī)劃完成的路徑。

3 路徑規(guī)劃與生成的實施步驟

根據(jù)圖1所示流程圖，具體說明路徑規(guī)劃和生成的實施步驟如下。

3.1 采集地塊信息

采集地塊信息確定車輛行駛誤差，記為Bias；確定車輛安全邊界距離，記為Threshold；確定車輛工作寬度，記為Stride。通過手持、車載定位設(shè)備，順、逆時針繞著工作地塊采集地塊多邊形頂點坐標(biāo)和地塊中的障礙物坐標(biāo)以及大小。

3.2 以安全距離向內(nèi)縮進(jìn)

以安全距離向內(nèi)縮進(jìn)如圖2所示。

以離地邊界安全距離Threshold為基準(zhǔn)向地塊多邊形內(nèi)部進(jìn)行縮進(jìn)，縮進(jìn)采用解析幾何方法，使用矢量法實現(xiàn)，生成邊界特征點。將工作地塊多邊形記為四邊形，即PP[2]、CP[1]，將頂點向內(nèi)部縮進(jìn)，實現(xiàn)多邊形縮進(jìn)效果，以P[1]點為例，L為平行線間距離，即縮進(jìn)距離，α為P[1]P、P[1]P[2]夾角，Pnew點為P[1]點縮進(jìn)后的生成點，Pnew坐標(biāo)可用向量運算得到，計算公式：

(1)

3.3 生成邊界特征點

以當(dāng)前車輛最近點為起點獲得當(dāng)前車輛所在位置坐標(biāo)點，記為P[0]；取距P[0]最近的邊界特征點，記為P[1]。地塊多邊形頂點為順序采集，計算P[1]相鄰的2個點與P[1]的距離，取最長的1條為參考線段(或手動選取某一鄰點取參考線)，記為P[1]P[2]線段，另一個鄰點記為P。

3.4 生成待定路徑點

根據(jù)車載機具寬度確定路徑間隔，記為Stride，設(shè)定工作時離地邊界安全距離設(shè)為Threshold，以車載機具寬度、行駛誤差的差值，記為real Stride；以當(dāng)前車輛所在目標(biāo)點為起始點，記為P[0]；計算P[0]與所有邊界特征點的距離，以距離最短的點為下一目標(biāo)點，記為P[1]，P[0]為路徑特征點的第1個點；所有邊界點為順或逆時針順序采集，計算P[1]相鄰的2個點與P[1]的距離，取最長的1條為參考線段(或手動選取某一鄰點取參考線)，記為P[1]P[2]線段，另一個點記為P，在此線段上以Stride/10的間隔生成路徑待定點。

3.5 遍歷路徑待定并生成繞過障礙物路徑

判斷車輛繞過障礙物路徑生成示意圖如圖3所示。

是否有在障礙物圓形內(nèi)，如有加上1個不在圓內(nèi)的點、下1個不在原內(nèi)的點組成障礙物點，此組點先向左平移，直至此組點沒有在障礙物圓內(nèi)的點，若都在邊界內(nèi)則保留，超出邊界則放棄，向右平移判斷，若向左、向右平移都在邊界內(nèi)則，取平移距離較短的一組，取頭尾2個路徑待定點、取障礙物點頭尾點，加入路徑特征點。

3.6 生成平行路徑待定點

以真實路徑間隔real Stride為間距、以P[1] P方向生成平行的另一組路徑待定點，判斷此組路徑待定點是否有超出邊界的點，有則刪去。如路徑待定點沒有超出邊界的點，則在此組路徑待定點兩端按照Stride/10(可按實際情況設(shè)置此項)的距離生成路徑待定點，如生成的路徑待定點在邊界內(nèi)則加入路徑待定點組。

判斷此組路徑特征點是否有超出邊界的點、生成的路徑特征點是否在邊界內(nèi)，判斷點是否在多邊形內(nèi)，多邊形可為凹多邊形或凸多邊形。判斷方法：判斷點的縱、橫坐標(biāo)是否超過多邊形最大、小于最小縱橫坐標(biāo)，如超過最大、小于最小縱、橫坐標(biāo)則一定不在多邊形內(nèi)；以當(dāng)前點向橫軸正方向引出射線，若此射線與多邊形各邊相交的邊數(shù)(非相交于端點)為奇數(shù)則點在多邊形內(nèi)，為偶數(shù)點在多邊形外。

3.7 生成所有路徑特征點

此組路徑待定點取頭尾2個路徑待定點、取障礙物點頭尾點然后逆序，加入路徑特征點。重復(fù)生成平行路徑待定點，至生成的平行路徑待定點的個數(shù)小于2為止。最后以距離為判斷條件最近的點為起始，將邊界點依次加入路徑特征點，用作邊界工作路徑，則全部路徑特征點生成完畢。

3.8 判斷車輛是否行駛過目標(biāo)點

判斷車輛是否行駛過目標(biāo)點示意圖如圖4所示。

到達(dá)目標(biāo)點后的判斷方法：判斷行駛過程中車輛與目標(biāo)點的距離，記為d，若小于設(shè)定閾值(由作業(yè)要求、車輛質(zhì)量決定，人為設(shè)置)，認(rèn)為到達(dá)目標(biāo)點；以A:(X0,Y0)，B:(X1,Y1)組成的線段為路徑，車當(dāng)前點P:(X,Y)，車輛由A駛向B為例，計算向量的夾角余弦值，若小于0，則超過目標(biāo)B。

4 結(jié)論

本設(shè)計通過采集地塊和障礙物坐標(biāo)后，可在路徑生成的時候根據(jù)障礙物坐標(biāo)自動生成帶有避障路徑的行駛路徑，極大提高了無人駕駛作業(yè)的效率和作業(yè)安全性。所以本設(shè)計可以用于含有障礙物的封閉地塊中農(nóng)用機械無人駕駛作業(yè)的路徑規(guī)劃。