無人駕駛電動(dòng)賽車路徑規(guī)劃算法研究

冀同濤，李剛，王明家，張旭斌

（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

引言

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能的迅速發(fā)展，無人駕駛汽車技術(shù)得到了長足的發(fā)展。中國大學(xué)生無人駕駛方程式大賽是大學(xué)生接觸無人駕駛技術(shù)的重要平臺(tái)，該賽事要求賽車具有良好的環(huán)境感知、定位、路徑規(guī)劃以及車輛控制能力，路徑規(guī)劃在其中起到關(guān)鍵作用。目前，路徑規(guī)劃的方法大致分為傳統(tǒng)算法和智能仿生算法[1]。傳統(tǒng)路徑規(guī)劃算法主要有：①基于柵格地圖的圖搜索路徑規(guī)劃算法[2]。②快速搜索隨機(jī)樹算法。③基于最優(yōu)化曲線生成的路徑規(guī)劃算法[3]。④人工勢(shì)場(chǎng)法[4]。智能路徑規(guī)劃算法主要有：①基于蟻群算法的路徑規(guī)劃。②基于遺傳算法的路徑規(guī)劃[5]。③基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路徑規(guī)劃[6]。路徑規(guī)劃的方法的選擇與行駛場(chǎng)景有關(guān)。本文提出一種適合無人駕駛電動(dòng)賽車的路徑規(guī)劃方法，該方法能夠使賽車安全可靠地通過賽道，保證車輛行駛穩(wěn)定性。

1 賽事賽道分析

該賽事動(dòng)態(tài)比賽有四項(xiàng)，分別為直線加速、8 字繞環(huán)、高速避障和耐久測(cè)試。高速避障項(xiàng)目中賽道信息未知，這充分考驗(yàn)了賽車環(huán)境感知、導(dǎo)航定位、路徑規(guī)劃和車輛控制的綜合能力。本文主要研究適合高速避障項(xiàng)目的路徑規(guī)劃方法。賽道兩側(cè)樁桶顏色不同，賽車需要根據(jù)相機(jī)和激光雷達(dá)識(shí)別樁桶位置和顏色信息。在得到樁桶信息后，對(duì)賽車進(jìn)行路徑規(guī)劃，使賽車平穩(wěn)、安全地通過賽道。

圖1 高速循跡測(cè)試賽道示意圖

2 無人駕駛電動(dòng)賽車路徑規(guī)劃算法

賽車通過相機(jī)和激光雷達(dá)識(shí)別到樁桶信息，在得到這些信息后，路徑規(guī)劃模塊需要做的是對(duì)其進(jìn)行處理，得到能使賽車快速平穩(wěn)地通過賽道的路徑。在樁桶作為標(biāo)識(shí)物的情況下，采用離散點(diǎn)擬合曲線得到行駛路徑的方法效果較理想。那么，獲得行駛路徑的離散點(diǎn)是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。為解決這個(gè)問題，本文提出了一種無人駕駛電動(dòng)賽車路徑規(guī)劃算法，算法步驟如下：

（1）首先根據(jù)樁桶顏色信息將樁桶分為兩側(cè)，將其中一側(cè)樁桶通過圓弧連接成曲線，假設(shè)樁桶一側(cè)生成的曲線為L，將L 離散化，得到有n 個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)集。

（2）另一側(cè)樁桶坐標(biāo)為(Xi,Yi)，搜尋在L 上距離(Xi,Yi)

最近的點(diǎn)。通過判斷(Xi,Yi)到點(diǎn)集的距離d 是否最小找出對(duì)應(yīng)點(diǎn)(xi,yi)。

（3）由樁桶位置和距離樁桶最近點(diǎn)的位置求出中點(diǎn)坐標(biāo)（XMi,YMi）。

（4）由得出的離散點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合。擬合曲線形式為弧線。根據(jù)圓弧的知識(shí)，可知通過兩點(diǎn)以及其中一點(diǎn)的切線方向的圓弧有且只有一個(gè)。曲線的起點(diǎn)為第一個(gè)離散點(diǎn)（XM1,YM1）。第二個(gè)離散點(diǎn)為（XM2,YM2），以此類推。第一段圓弧由前兩個(gè)離散點(diǎn)以及第一個(gè)離散點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的斜率k1求出；為保證路徑的平滑性，從第二段圓弧開始由兩個(gè)離散點(diǎn)以及前一段圓弧終點(diǎn)的切線方向進(jìn)行求解。每段圓弧的圓心坐標(biāo)為(xci,yci)。

其中，ki為各段圓弧起點(diǎn)到圓心的斜率，ei為相鄰離散點(diǎn)所連線段的中垂線的斜率，(Xmid,Ymid) 為相鄰離散點(diǎn)的中點(diǎn)坐標(biāo)。

由式（5）可得圓心（xci,yci），進(jìn)而求出各段圓弧方程：

其中，R 為離散點(diǎn)到圓心的距離，θ 取值范圍可由離散點(diǎn)確定。

3 仿真驗(yàn)證

在matlab 環(huán)境下對(duì)該算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。首先確定用于仿真的賽道形狀，這里采用S 彎賽道。S 彎賽道相對(duì)而言是比較復(fù)雜的，有一定的驗(yàn)證信度。仿真結(jié)果如圖所示：

圖2 賽道樁桶示意圖

圖3 路徑規(guī)劃效果圖

圖2 為matlab 環(huán)境下模擬的S 彎賽道，賽道寬度為3 米，且樁桶點(diǎn)不是對(duì)應(yīng)出現(xiàn)，兩側(cè)樁桶分別為不同的顏色。該賽道能較好地驗(yàn)證算法的有效性。

由圖3 可知，該路徑規(guī)劃算法能較好地規(guī)劃出通過賽道的路徑，保證賽車行駛路徑基本處于賽道中間位置，而且規(guī)劃出來的路徑連續(xù)光滑，符合汽車運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，為車輛路徑跟蹤控制模塊奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

（1）本文針對(duì)大學(xué)生無人駕駛方程式大賽，分析了賽事賽道信息，并提出一種適合無人駕駛電動(dòng)賽車的路徑規(guī)劃方法。

（2）該路徑規(guī)劃方法可規(guī)劃出連續(xù)光滑，基本處于賽道中間的曲線，使賽車可以安全可靠地通過賽道，且受賽道形狀局限性小。對(duì)于無人駕駛車輛路徑規(guī)劃研究有一定的助力。