智能汽车测控技术 课件 第9章-第一讲 智能汽车路径规划基本概念 1

智能汽车测控技术第1讲智能汽车路径规划基本概念

1.案例导入

当面对复杂的地图时，我们可以通过思考判断找到合适的路径，那么智能汽车在行驶时，又怎么样寻找一条最优路径呢?第1讲智能汽车路径规划基本概念

2.基本概念

智能汽车行驶中，“路径规划”这一模块起到了什么作用呢？

路径规划模块承接上层感知预测结果、建图和定位结果、网联通信信息，依次完成路由寻径（Routing）、行为决策（BehavioralDecision）、动作规划（MotionPlanning）三类任务，并将规划输出的运动轨迹传送至车辆运动控制模块，供其完成轨迹跟踪和车辆控制。第1讲智能汽车路径规划基本概念2.基本概念路由寻径：作用：是在道路网络层面上指导智能汽车规划控制模块

选择一条最优（时间最短、距离最短等）行驶路

径，从而实现从出行起点到达出行终点的目标。第1讲智能汽车路径规划基本概念2.基本概念实现：

通常可将路网上的路由寻径任务抽象成一个在带权有向图上的最短路径搜索问题。

通过在道路上进行分散“撒点”对智能汽车可能经过的道路抽样经点与点之间由有向带权的边连接，边的权值代表智能汽车从一个点行驶到另一个点的潜在代价通过算法进行路径搜索问题求解（A*、Dijkstra）第1讲智能汽车路径规划基本概念2.基本概念行为决策：作用:获得路由寻径模块确定智能汽车在路网上的行驶路线后，根据具体任务不同，输出多种不同指令。车道跟车遇到交通灯避让行人路口会车第1讲智能汽车路径规划基本概念2.基本概念智能汽车需要在汇聚多源多类信息的基础上做出行为决策，这些信息主要包括：（1）路由寻径结果：智能汽车为了到达目的地所需进入的目标车道；（2）车辆当前自身状态：自车位置、速度、朝向、所处车道、路径寻由结果指向的后续目标车道等；（3）历史决策信息：上个周期的车辆行为决策结果，如跟车、停车、转弯、换道等；（4）周边障碍物信息：车辆周边一定距离范围内的动静态障碍物信息，例如道路及附属设施，临近机动车和非机动车的速度、位置、方向角、短时行驶意图和轨迹；（5）周边交通标识和交通规则：例如道路限速、标志标线、前方路口信号灯等。第1讲智能汽车路径规划基本概念2.基本概念

智能汽车所处理的信息类型复杂多样，且驾驶场景复杂多变，因此行为决策需依赖的理论方法通常高度复杂Junior行为决策系统第1讲智能汽车路径规划基本概念2.基本概念运动规划：作用：在基于特定环境地图在一个较小时空区域

内为智能汽车规划一条满足车辆动力学、

安全性、舒适性等约束的无碰撞路径。

此模块需要具备对上层全局路径规划结果的跟踪能力，以及对行为决策结果的执行和反馈能力。第1讲智能汽车路径规划基本概念2.基本概念

由于行为决策模块和运动规划模块的任务紧密联系，所以在智能汽车系统设计时，二者通常共享感知、通信与定位信息。第1讲智能汽车路径规划基本概念2.基本概念路径平滑：

车辆实际运行轨迹总表现为类似螺旋线的平滑曲线，而运动规划模块输出的通常为由离散点构成的局部路径折线，怎么办？

通常需要将路径折线进一步优化为二维平面上的时空曲线，即曲线拟合方法，常见的拟合方法包括B样条曲线法、QP算法等。第1讲智能汽车路径规划基本概念2.基本概念

根据与局部路径上离散点的空间关系，曲线拟合方法可分为两种：点点通过法：指拟合曲线通过运动规划算法输出的所有离散路径点，进而根据拟合所得曲线方程以足够小的步长通过插值获取相邻离散点之间若干个数据点的坐标，并用直线连接。平均通过法:指拟合曲线不通过上层运动规划模块输出的所有离散路径点，而是最小化拟合曲线与离散路径点之间的距离，使得拟合曲线的走势反映了这些路径点的变化趋势。第1讲智能汽车路径规划基本概念2.基本概念想要进行路径规划，都需要什么呢？常用路径规划算法基于图搜索的路径规划基于采样的路径规划基于人工智能的路径规划添加标题深度/广度优先搜索DijkstraA*RRTRRT*蚁群算法遗传算法1、路径规划算法第1讲智能汽车路径规划基本概念3.地图构建2、静态环境地图构建拓扑法栅格法自由空间法Voronoi图法可视图法常用方法第1讲智能汽车路径规划基本概念3.地图构建下面先来介绍静态环境地图的构造方法。行驶环境地图构建方法主要分为两类：1、动态环境建图（前沿性研究）2、静态环境建图（发展相对成熟，主要介绍）第1讲智能汽车路径规划基本概念3.地图构建一、拓扑法基本思想：降维

拓扑法将智能汽车所处环境用图形来表示，不同的地点用点表示，不同点的相邻可达性用弧来表示。1、先将车辆所处整体空间划分为具有拓扑特征一致的子空间；2、再分析各个子空间之间的连通性，据此建立拓扑网络；3、智能汽车在此拓扑网络上寻找起始点到目标点的最优拓扑路径；4、最后将拓扑网络中的最优路径还原至实际几何路径。第1讲智能汽车路径规划基本概念3.地图构建难点：建立合适的拓扑空间优点：能够确保找到无碰撞路径第1讲智能汽车路径规划基本概念3.地图构建二、栅格法

栅格法是用大小相等的栅格将智能汽车行驶区域划分为栅格地图，应用栅格对障碍物的位置进行标记，进而由这些栅格构成一个连通图，依据障碍物栅格位置，在此图上寻找一条从起始栅格到目标栅格无碰撞的最优路径。关键：采用不同的编码形式标记栅格中是

否存在障碍物第1讲智能汽车路径规划基本概念3.地图构建步骤：第1讲智能汽车路径规划基本概念3.地图构建01栅格法精确栅格法：将车辆行驶空间分解成多个形状不一的单元，这些栅格的组合与行驶空间精确相等02近似栅格法（概率栅格法）：似栅格法所采用的栅格均为固定形状，通常为矩形梯形栅格分解示意图：第1讲智能汽车路径规划基本概念3.地图构建三、可视图法可视图法：将智能汽车看成一个点，车辆、目标点和多边形障碍物各顶点之间组合连接，确保这些直线连接线均不与障碍物相交，从而形成一张图，即可视图

目标点与多边形顶点的连线不可穿过障碍物，这些直线即为所有可能路径，即直线是“可视的”。第1讲智能汽车路径规划基本概念3.地图构建路径规划任务搜索从起点到目标点经过这些可视直线的最短距离问题优点：直观简单缺点：如果障碍物之间间距过小，就有可能使得汽车与障碍物产生接触，而如果过分缩小模拟车辆的尺寸，则会增加最优化路径求解的时间。第1讲智能汽车路径规划基本概念3.地图构建四、Voronoi图法

与可视图类似，Voronoi图也是一种围绕静态障碍物建图的方法

Voronoi图由直线段和抛物线段构成，其中直线段由两个障碍物的顶点或两个障碍物的边定义而成，直线段上所有点必须距离障碍物的顶点或障碍物的边相等，另外抛物线段由一个障碍物的顶点和一个障碍物的边定义生成，抛物线段要求与障碍物顶点和障碍物的边有相同距离。第1讲智能汽车路径规划基本概念3.地图构建优点：实时性好、生成路径比较远离障碍、路径比较平滑。缺点：不能保证路径最优。障碍物环境中的Voronoi图第1讲智能汽车路径规划基本概念3.地图构建五、自由空间法

自由空间法是采用预先定义的如广义锥形和凸多边形等基本形状模拟车辆及其行驶环境中的障碍物，进而分割车辆行驶空间并将其表示为连通图，然后通过搜索连通图来进行路径规划。1、首先选择某个障碍物为研究对象，从其中一个顶点出发，将该顶点与其他障碍物的顶点相连；2、在所有连线当中，将穿过障碍物的连线去掉，同时去掉多余的连接线，在所有的连线中，挑选能使得连