一種基于輕量級(jí)矢量地圖的無人車導(dǎo)航方法

文:李聞達(dá), 王崢,李慧云,方文其,梁嘉寧(中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院,山東理工大學(xué))2018年第六期

    摘要:現(xiàn)有的差分全球定位系統(tǒng)通常需要高精度地圖數(shù)據(jù)的支持,然而高精地圖制作成本高昂,且龐大的地圖數(shù)據(jù)對(duì)車載電腦性能及網(wǎng)絡(luò)通訊帶寬有較高要求。該文提出一種基于低數(shù)據(jù)量矢量地圖的智能車導(dǎo)航方法,通過引入道路標(biāo)簽機(jī)制,從高層次抽象組織道路點(diǎn),以便快速建立矢量導(dǎo)航地圖,并大幅度降低道路點(diǎn)的重復(fù)存儲(chǔ)?;谠摰貓D的導(dǎo)航方法自動(dòng)規(guī)劃最優(yōu)全局路徑,通過基于預(yù)瞄點(diǎn)與歷史點(diǎn)的幾何學(xué)算法進(jìn)行路徑跟蹤與避障,從而將上位機(jī)計(jì)算出的方向盤轉(zhuǎn)角、油門和制動(dòng)踏板深度信息傳遞到車輛底層控制器,以控制車輛按規(guī)劃路徑行駛。該方法的有效性和準(zhǔn)確性在自主開發(fā)的無人駕駛平臺(tái)上得到了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞:智能駕駛;矢量地圖;路徑跟蹤;避障

中圖分類號(hào)U471.15文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

1、引言

    無人車也被稱為智能車輛,是當(dāng)今車輛工程與機(jī)器人技術(shù)、人工智能結(jié)合最熱門的領(lǐng)域之一[1]。ErnstDickmanns在20世紀(jì)80年代開啟智能汽車發(fā)展之路[2]。1994年,在美國由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研發(fā)的Navlab從賓州的匹茲堡行駛到加州的圣迭哥,其中自主駕駛部分達(dá)98.2%[3]。意大利的帕爾瑪大學(xué)研制的智能車將傳感器進(jìn)行了內(nèi)嵌,該智能車可以同時(shí)應(yīng)用于高速公路和城市道路,通過采用視覺導(dǎo)航的方式對(duì)交通信號(hào)燈及交通標(biāo)記進(jìn)行有效的識(shí)別,實(shí)現(xiàn)行人檢測(cè)的能力,經(jīng)過多年研究Vislab智能車已經(jīng)具備了多項(xiàng)自主駕駛的功能[4,5]。我國近年來在無人駕駛領(lǐng)域也取得了飛速發(fā)展。例如,百度無人駕駛汽車在北京進(jìn)行全程自動(dòng)駕駛測(cè)跑,實(shí)現(xiàn)了多次跟車減速、變道、超車、上下匝道、調(diào)頭等復(fù)雜駕駛動(dòng)作,完成進(jìn)出高速道路等不同場(chǎng)景的切換,最高時(shí)速可達(dá)100km/h[6]。21世紀(jì)以來,許多汽車制造廠商推出了具有輔助駕駛、自動(dòng)泊車、自動(dòng)入庫等功能的車輛,如傳統(tǒng)的汽車巨頭BBA及沃爾沃等汽車品牌都已在自己旗下的不同車型上應(yīng)用了最先進(jìn)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng),通過雷達(dá)、探頭、全球定位系統(tǒng)(GlobalPositionSystem,GPS)、視覺傳感器等裝置,車輛可以按照預(yù)定的線路自動(dòng)駕駛,可以說目前半自動(dòng)駕駛技術(shù)已經(jīng)相對(duì)比較成熟。

    安全、高效的導(dǎo)航方法是無人車實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵[7]。導(dǎo)航定位系統(tǒng)利用高精度GPS采集位置信息及車速,從而通過核心控制單元進(jìn)行處理,根據(jù)位置和角度信息控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)?,F(xiàn)階段無人駕駛導(dǎo)航策略大多應(yīng)用于車道線或引導(dǎo)線標(biāo)記清晰的結(jié)構(gòu)化道路[8],但在國內(nèi)依然有許多鄉(xiāng)村道路不具備實(shí)現(xiàn)該導(dǎo)航機(jī)制的條件[9]。其次,標(biāo)記詳細(xì)的高精度地圖雖然能滿足自動(dòng)駕駛導(dǎo)航的需要,但其數(shù)據(jù)量龐大,數(shù)據(jù)的處理和融合相對(duì)耗時(shí)、困難,亦給自動(dòng)駕駛技術(shù)的落地帶來了巨大挑戰(zhàn)[10,11]。

    為了解決以上問題,本文提出了一種基于輕量級(jí)矢量地圖的智能車導(dǎo)航方法。該方法包含地圖構(gòu)建與導(dǎo)航部分。其中,地圖構(gòu)建部分創(chuàng)新采用道路點(diǎn)(waypoint)與標(biāo)簽(waytag)相結(jié)合的機(jī)制。道路點(diǎn)用來描述各條道路并標(biāo)記精準(zhǔn)的道路經(jīng)緯度及無人駕駛決策信息;道路標(biāo)簽從高層次抽象組織道路點(diǎn),從而極大地降低數(shù)據(jù)的重復(fù)存儲(chǔ)。導(dǎo)航部分緊密結(jié)合道路點(diǎn)與標(biāo)簽的地圖結(jié)構(gòu),通過運(yùn)用預(yù)瞄點(diǎn)與歷史點(diǎn)快速?zèng)Q定車輛的轉(zhuǎn)向角,有效實(shí)現(xiàn)路徑追蹤。本文所提出的地圖構(gòu)建與導(dǎo)航方法可作為無人駕駛的基礎(chǔ)模塊,可與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理、車輛避障算法、車輛動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)算法與存儲(chǔ)的輕量級(jí)化,降低無人駕駛對(duì)硬件設(shè)備計(jì)算能力的需求。

2、相關(guān)研究進(jìn)展

    城市環(huán)境中,路標(biāo)、道路邊界和車道標(biāo)記等一直是無人車導(dǎo)航的關(guān)鍵。Zhang和Singh[12]使用3D點(diǎn)云并提取特征點(diǎn)匹配計(jì)算坐標(biāo)變換從而構(gòu)建道路邊界幾何模型,并通過配備的傳感器來構(gòu)建離線地圖,進(jìn)而預(yù)估車輛在全球坐標(biāo)和相對(duì)道路的位置。Lundgren等[13]使用攝像機(jī)和激光雷達(dá)創(chuàng)建道路地圖及其周圍環(huán)境,并將道路和車道標(biāo)記等信息融合于地圖中,但在復(fù)雜的環(huán)境下或光線不足的夜間,攝像機(jī)對(duì)車輛、交通標(biāo)志的識(shí)別誤檢率、漏檢率較高,不能覆蓋整個(gè)車體周邊的整個(gè)導(dǎo)航區(qū)域,因此在使用場(chǎng)景上受到了較大的局限。在美國DARPA城市挑戰(zhàn)賽中,官方發(fā)布了一種名為RNDF的地圖格式,后來廣泛用于無人駕駛車輛挑戰(zhàn)賽[14]。它是具有拓?fù)湫畔⒌牡貓D表示方式,道路由一組航路點(diǎn)和寬度可調(diào)整的車道線組成。其中,航路點(diǎn)被用于標(biāo)記道路的起點(diǎn)和終點(diǎn),在道路之間建立連接。拓?fù)涞貓D不考慮環(huán)境具體的幾何特征,也無需描述節(jié)點(diǎn)之間精確的空間位置關(guān)系,因此構(gòu)造簡(jiǎn)單,且占用存儲(chǔ)空間少。缺點(diǎn)是由于其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)特性省略了很多具體環(huán)境信息,因此不適合大環(huán)境構(gòu)圖,且導(dǎo)航定位精度低[15]。麻省理工學(xué)院的CSAIL團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)新的MapLite框架,可以在沒有3D地圖的情況下,在鄉(xiāng)村道路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛[9]。Maplite是一種新型的無網(wǎng)格驅(qū)動(dòng)框架,它結(jié)合了稀疏拓?fù)涞貓D的GPS和基于傳感器的本地感知系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航,使用激光雷達(dá)來估計(jì)道路邊緣的位置,利用最小二乘殘差和遞歸濾波方法規(guī)劃行駛路徑,無需詳細(xì)的先驗(yàn)地圖。同樣卡內(nèi)基梅隆大學(xué)利用Velodyne64激光雷達(dá)構(gòu)建道路邊緣幾何進(jìn)行導(dǎo)航定位[16]。

目前智能車導(dǎo)航主要通過以下3種方式:

    (1)基于視覺道路標(biāo)志線跟蹤導(dǎo)航,其代表為特斯拉公司所用導(dǎo)航技術(shù)。智能車首先利用攝像頭拍攝道路周圍環(huán)境的局部圖像,并通過圖像處理技術(shù)中的特征識(shí)別、距離估計(jì)等,進(jìn)行智能車定位及其下一步的動(dòng)作規(guī)劃;然后,利用傅里葉變換處理全方位圖像,并將關(guān)鍵位置圖像經(jīng)過變換得到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來,將其作為下一步的參考點(diǎn);最后,將攝像頭拍攝的圖像與之對(duì)比,從而得到車輛的當(dāng)前位置,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)智能車的局部路徑規(guī)劃。在新的環(huán)境中通過圖像處理數(shù)據(jù)分析出環(huán)境中的道路,不需要事先建立數(shù)據(jù)庫以及鋪設(shè)大量的輔助設(shè)施[3]。

    (2)基于激光雷達(dá)的高精地圖導(dǎo)航,其代表是Google公司無人車。其借助激光三維點(diǎn)云構(gòu)建周圍環(huán)境的幾何關(guān)系,通過實(shí)時(shí)采集周邊點(diǎn)云與地圖中點(diǎn)云相匹配,從而對(duì)無人車進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

    (3)基于差分GPS(DGPS)的導(dǎo)航,其代表為百度無人車。然而,百度無人車導(dǎo)航需依賴激光雷達(dá)和視覺生成的高精度地圖,比普通地圖對(duì)信息的需求更大,行駛路段都需要配備激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集車進(jìn)行實(shí)測(cè)。例如,四維圖新?lián)碛?00輛數(shù)據(jù)采集車,可以采集全景影像數(shù)據(jù)、路面影像數(shù)據(jù)、亞米級(jí)高精度GPS數(shù)據(jù)、路測(cè)近距離激光雷達(dá)等高精度數(shù)據(jù),其對(duì)車載電腦的存儲(chǔ)與計(jì)算能力要求極高,相對(duì)資金花費(fèi)會(huì)更高[17]。同時(shí)激光點(diǎn)云的實(shí)時(shí)匹配的準(zhǔn)確性受周圍動(dòng)態(tài)環(huán)境的影響較大,而且激光雷達(dá)無法對(duì)周圍環(huán)境中的路標(biāo)、指示牌和紅綠燈等信息進(jìn)行提取,導(dǎo)致其對(duì)復(fù)雜路況理解能力的局限性等問題尚未解決。當(dāng)今車載定位和手機(jī)定位運(yùn)用的是單一的GPS,提供的定位精度是優(yōu)于25m,而為得到更高的定位精度,無人車通常采用差分GPS技術(shù),將差分GPS接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行觀測(cè)。根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo),計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù),并由基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)將這一數(shù)據(jù)發(fā)送出去。用戶接收機(jī)在進(jìn)行GPS觀測(cè)的同時(shí),也接收到基準(zhǔn)站發(fā)出的改正數(shù),并對(duì)其定位結(jié)果進(jìn)行改正,從而得到厘米級(jí)的定位精度。

3、無人駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)

    本文采用差分GPS錄制無人車導(dǎo)航矢量地圖并對(duì)地圖進(jìn)行濾波分類處理,從而規(guī)劃全局行駛路徑,利用激光雷達(dá)進(jìn)行前方障礙物檢測(cè),根據(jù)激光雷達(dá)的信息反饋動(dòng)態(tài)調(diào)整局部路徑進(jìn)行避障,最后輸出方向盤轉(zhuǎn)角、油門和制動(dòng)踏板深度信息到底層控制器。無人駕駛系統(tǒng)的示意圖見圖1。

3.1矢量地圖建立與全局路徑規(guī)劃

    主流智能駕駛技術(shù)依賴于高精度地圖對(duì)環(huán)境信息的準(zhǔn)確描述,而高精度地圖對(duì)存儲(chǔ)要求較高。例如,Levinson與Thrun[18]通過數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)將20000英里的道路信息存儲(chǔ)于200GB的空間,相當(dāng)于每公里6.25MB的存儲(chǔ)密度。如此龐大的數(shù)據(jù)量對(duì)車載電腦的存儲(chǔ)容量是極高的挑戰(zhàn),亦給數(shù)據(jù)處理和融合所需計(jì)算的實(shí)時(shí)性帶來巨大困難。

    相比之下,本文采用輕量級(jí)矢量地圖與軌跡跟蹤算法相結(jié)合的方法達(dá)到自主導(dǎo)航效果。具體來說,該地圖建立方法利用差分GPS抽取經(jīng)緯度信息,去除大規(guī)模激光點(diǎn)云數(shù)據(jù),通過在地圖中標(biāo)記車道、十字路口、速度限制等關(guān)鍵信息達(dá)到準(zhǔn)確導(dǎo)航的目的。本文采用的矢量地圖如圖2所示,共13條道路26條車道,總行駛里程約5公里僅占用約500kB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ),相當(dāng)于每公里100kB存儲(chǔ)密度,極大地簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),同時(shí)確保了高精度。

全局路徑規(guī)劃模塊是根據(jù)矢量地圖和起點(diǎn)、終點(diǎn)信息,規(guī)劃全局路徑。具體步驟如下:

    (1)如圖2所示某地區(qū)高精度矢量地圖,首先將每條車道進(jìn)行編號(hào)(如1,2,3,…),并分別將每條車道經(jīng)緯度信息、對(duì)應(yīng)道路的紅綠燈和標(biāo)志牌等存儲(chǔ)到MATLAB的cell矩陣中,建立waypoint數(shù)組。然后,建立waytag數(shù)組作為各路口的標(biāo)簽和車道線的連接,定義路口直行、左拐、右拐、變道和掉頭。圖3所示為MATLAB中waytag和waypoint數(shù)組。waytag行序號(hào)為每條車道編號(hào)(如1~26號(hào)),列序號(hào)為路口決策編號(hào)(如直行、左拐、右拐、左變道、右變道、掉頭)。waytag表格則為下一步要行駛的車道編號(hào)(-1表示無車道)。例如,當(dāng)車輛從3號(hào)車道左轉(zhuǎn)行駛到11號(hào)車道,該11號(hào)車道對(duì)應(yīng)的waypoint如圖3所示,包含該車道的經(jīng)緯度、紅綠燈、人行橫道和限速標(biāo)志等。1表示該位置有以上標(biāo)志;相反,-1表示沒有。車輛可根據(jù)以上信息確定參考車速或停車等待,保證車輛行駛符合道路交通法規(guī).

    (2)利用差分GPS實(shí)時(shí)定位搜尋車輛在地圖上的投影點(diǎn),從而確定起始點(diǎn),并通過指定行駛方向,或給定終點(diǎn)坐標(biāo)的方式確定終點(diǎn),從而得到規(guī)劃行駛路徑。

3.2差分GPS數(shù)據(jù)處理與路徑跟蹤

    差分GPS數(shù)據(jù)處理模塊主要是定義經(jīng)緯度范圍、過濾錯(cuò)誤數(shù)據(jù)和消除噪聲,并實(shí)時(shí)打印定位點(diǎn)和地圖投影點(diǎn)。

    路徑跟蹤模塊將根據(jù)差分GPS和預(yù)先錄制的waypoint信息產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向位置命令,并根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角匹配適當(dāng)?shù)男旭偹俣?。利用差分GPS可以獲取車輛的實(shí)時(shí)位置,從錄制地圖中能夠看到車輛運(yùn)動(dòng)的參考路徑。如圖4所示,綠色線條為預(yù)先錄制的車輛waypoint;藍(lán)點(diǎn)為車輛定位點(diǎn);紅點(diǎn)為車輛waypoint投影點(diǎn)。為使藍(lán)點(diǎn)不斷趨近于地圖中紅點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種角度的算法來實(shí)現(xiàn)。如圖5所示,藍(lán)色區(qū)域?yàn)檐囕v的幾何模型,C點(diǎn)是當(dāng)前車輛的定位點(diǎn),即圖4中藍(lán)點(diǎn);A點(diǎn)為車輛先前的定位點(diǎn);B點(diǎn)和D點(diǎn)(紅點(diǎn))分別是地圖中距離A點(diǎn)和C點(diǎn)的最近點(diǎn);E是預(yù)瞄點(diǎn),即車輛的目標(biāo)位置。向量BC和向量BD的夾角為β,其正負(fù)和大小可以用來判斷車輛的位置誤差;為向量AC和向量DE夾角,α為車輛動(dòng)態(tài)行駛路徑與參考路徑的角誤差,通過不斷修正使α和β減小直到趨于0,使車輛沿規(guī)劃路徑行駛。公式(1~8)為根據(jù)各點(diǎn)的經(jīng)緯度計(jì)算相應(yīng)向量。其中,下標(biāo)x、y表示該向量在x軸、y軸方向的大小。

由于向量夾角余弦公式得到的 α、β 無正負(fù)值,故用夾角正切公式求得:

最后,航向角為:  (11)

其中,coeff1 與 coeff2 為權(quán)重系數(shù),用來調(diào)整α、β對(duì)航向角的影響。該角度需要在測(cè)試中進(jìn)行調(diào)整,建議在轉(zhuǎn)彎時(shí)通過降低車速來優(yōu)化跟蹤waypoint 的效果。

3.3動(dòng)態(tài)路徑調(diào)整模塊

    動(dòng)態(tài)路徑調(diào)整模塊功能主要是在同一行駛方向具備多車道時(shí),實(shí)現(xiàn)基于差分 GPS 的避障, 即遇到障礙物后進(jìn)行車道切換。障礙物檢測(cè)可基于視覺或激光雷達(dá)的信息反饋,一旦決定避障,則可將參考 waypoint 從當(dāng)前車道切換到另一并行車道,通過計(jì)算與并行車道 waypoint 的航向角從而實(shí)現(xiàn)車道切換。若新車道仍檢測(cè)到障礙物,則需停車等待障礙物清空后再繼續(xù)行駛。在實(shí)現(xiàn)過程中將多車道 waypoint 分別建立,但存儲(chǔ)于同一數(shù)組中不同行(列),當(dāng)避障時(shí)切換投影 waypoint,從而節(jié)省計(jì)算時(shí)間。亦可在車道waypoint 數(shù)組中指定優(yōu)先級(jí),在確認(rèn)避障結(jié)束后切換到第一優(yōu)先級(jí)車道,避免逆行。如圖 6 所示為四條并行車道 waypoint。

3.4轉(zhuǎn)向、油門、制動(dòng)模塊

    轉(zhuǎn)向、油門、制動(dòng)模塊主要功能是將方向盤角度和速度命令發(fā)送給車輛底層控制器。本文采用 CANanalyzer 搭建 MATLAB 與CAN(Controller Area Network)總線的信息交互平臺(tái),將上層模塊計(jì)算的角度和速度信息發(fā)送到底層控制器并控制無人車的轉(zhuǎn)向和啟停。

4、實(shí)驗(yàn)

4.1實(shí)驗(yàn)建立

    本文采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分全球定位系統(tǒng)(Novatel DGPS)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,由接收機(jī)、天線、無線調(diào)制解調(diào)器和電池組成,具體如圖 7(a)、(b)所示。其中,最大采樣率為 10 Hz,定位精度為 5 cm。

設(shè)備分為基站與移動(dòng)站,基站覆蓋半徑為 20 km 的區(qū)域,可以建立單一基站對(duì)多移動(dòng)站的使用方式。實(shí)驗(yàn)將基站搭建在樓頂,移動(dòng)站搭建在車內(nèi),通過 4G 信號(hào)(中國移動(dòng))實(shí)現(xiàn)基站與移動(dòng)站之間的數(shù)據(jù)傳輸,從而實(shí)現(xiàn)較好的數(shù)據(jù)接收效果。

    實(shí)驗(yàn)過程中,首先搭建差分 GPS 導(dǎo)航定位平臺(tái),進(jìn)行錄制園區(qū)內(nèi)無人車行駛路徑,然后建立差分 GPS 和 MATLAB 接口,將地圖導(dǎo)入MATLAB 中,進(jìn)行算法編寫。圖 7(c)為園區(qū)路徑在谷歌地球上呈現(xiàn)的效果圖,圖 7(d)為未處理的矢量地圖。由圖 7 可以看出,與普通 GPS 相比,Novatel DGPS 具備較高的抗干擾性與準(zhǔn)確性,適合基于其進(jìn)行路徑追蹤與避障。

    本文采用禾賽科技 Pandar40 四十線激光雷達(dá)和 Hokuyo 單線激光雷達(dá)對(duì)障礙物進(jìn)行檢測(cè)與避障。其中,二者位于車前保險(xiǎn)杠中央,Pandar40 安裝在下方,Hokuyo 在上方,安裝位置如圖 8 所示。實(shí)驗(yàn)車輛為開沃新能源汽車,前置前輪驅(qū)動(dòng),裝有電子助力轉(zhuǎn)向(EPS)和整車控制單元(VCU),通過 CAN 總線可以控制車輛的運(yùn)行狀態(tài)。采用創(chuàng)芯科技的 CANalyst-II 分析儀對(duì)上位機(jī)和底層 CAN 總線進(jìn)行連接。從而搭建MATLAB 與 CAN 總線的信息交互平臺(tái),將上位機(jī)計(jì)算的角度和速度信息通過分析儀發(fā)送到底層控制器。

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 路徑追蹤測(cè)試

    圖 9 為錄制某地區(qū)的矢量地圖,其中紅色和綠色線條表示路徑。該地圖以 20 km/h 勻速行駛進(jìn)行錄制,waypoint 采樣頻率為 10 Hz。在矢量地圖中確定起點(diǎn)和終點(diǎn),如圖中的 Start 點(diǎn)和 End 點(diǎn)。路徑規(guī)劃算法依據(jù)起點(diǎn)和終點(diǎn)規(guī)劃出一條最優(yōu)路徑,從起點(diǎn)到終點(diǎn),車輛經(jīng)過的路徑依次為1-2-3-4-5-6,用紅色實(shí)線標(biāo)識(shí),其他路徑用綠色虛線標(biāo)識(shí),通過路口用 A、B、C、D、E 表示。

    為了檢驗(yàn)路徑跟蹤算法的準(zhǔn)確性,本實(shí)驗(yàn)采用人為駕駛和自動(dòng)駕駛來驗(yàn)證。因?yàn)樗俣鹊牟煌瑫?huì)對(duì)路徑追蹤的效果有較大影響,所以實(shí)驗(yàn)選擇在平均車速為 15 km/h、20 km/h 兩種車速下測(cè)試。圖 10(a)是當(dāng)車輛以平均車速 15 km/ h 行駛時(shí),車輪轉(zhuǎn)角隨路徑變換的關(guān)系。其中,紅色為車輛沿規(guī)劃路徑自動(dòng)駕駛時(shí)車輪轉(zhuǎn)角的變化曲線;藍(lán)色為人為駕駛的轉(zhuǎn)向角變化曲線;綠色直方圖是以上兩個(gè)角度之差,用來衡量自動(dòng)駕駛的準(zhǔn)確性。由圖10(a)可以看到,當(dāng)車輛直線行駛時(shí),角度誤差較小,保持在 2°以內(nèi);當(dāng)轉(zhuǎn)彎時(shí),角度誤差有增大趨勢(shì),但基本達(dá)到轉(zhuǎn)向所需轉(zhuǎn)角。圖 10(b)為平均車速 20 km/h 時(shí)車輪轉(zhuǎn)向角與行駛路徑的關(guān)系。由圖可以看到,車速增大后,直線行駛時(shí)角度誤差較之前變化不大,轉(zhuǎn)彎時(shí)誤差較之前稍有增大,自動(dòng)駕駛轉(zhuǎn)向角比人為駕駛轉(zhuǎn)向角出現(xiàn)輕微的角度滯后。

    以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著車速的增大角度誤差會(huì)增大并出現(xiàn)角度滯后。分析其原因有以下幾點(diǎn):首先,差分 GPS 在進(jìn)行精準(zhǔn)定位時(shí)會(huì)有約0.2 s 的定位延時(shí),造成轉(zhuǎn)向角滯后;其次,雖然差分 GPS 達(dá)到了很高的定位精度,但依然會(huì)有因噪聲產(chǎn)生定位誤差,這對(duì)轉(zhuǎn)向角的計(jì)算非常敏感;最后,速度調(diào)節(jié)器不能完全維持車速的恒定,尤其在有坡度的道路測(cè)試中。為了減小以上因素的影響,要求車速限制在 20 km/h 以內(nèi)。

    在圖 5 車輛和路徑的幾何關(guān)系中,地圖中預(yù)瞄點(diǎn) E 和車輛在地圖上投影點(diǎn) D 的距離大小對(duì)路徑跟蹤也有較大影響。實(shí)驗(yàn)中選取距投影點(diǎn)20~60 個(gè) waypoint 的地圖坐標(biāo)作為預(yù)瞄點(diǎn) E。因?yàn)轭A(yù)瞄點(diǎn) E 對(duì)路徑追蹤的影響只發(fā)生在轉(zhuǎn)彎情形中,故在圖 9 中沿路徑 1-A-2-B-3 測(cè)試角度誤差和 waypoint 個(gè)數(shù)的關(guān)系,滿足了左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎兩種情形。圖 11 為預(yù)瞄點(diǎn)與車輛轉(zhuǎn)向角誤差變化關(guān)系。因?yàn)榻嵌日`差存在正負(fù),故采取角度誤差的絕對(duì)值之和來衡量誤差的大小。由圖 11 可以看出,當(dāng)距離從 20 到 50 時(shí),角度誤差之和呈減小趨勢(shì);當(dāng)距離達(dá)到 60 時(shí),誤差開始增大。這是因?yàn)楫?dāng)預(yù)瞄點(diǎn)距離過近時(shí),算法中計(jì)算向量的夾角變化過于頻繁,造成轉(zhuǎn)向角不斷增大,車輛轉(zhuǎn)向過度。而預(yù)瞄點(diǎn)距離太遠(yuǎn)時(shí),向量夾角變化過于遲鈍,造成車輛轉(zhuǎn)向不足。綜上所述,投影點(diǎn)與預(yù)瞄點(diǎn)之間點(diǎn)的個(gè)數(shù)應(yīng)在 50 左右,以保證轉(zhuǎn)角誤差最小。

4.2.2動(dòng)態(tài)路徑調(diào)整測(cè)試

    實(shí)驗(yàn)一:在行駛過程中放入障礙物來檢測(cè)動(dòng)態(tài)路徑調(diào)整模塊,如圖 12(a)所示。實(shí)驗(yàn)采用假人作為障礙物進(jìn)行實(shí)車測(cè)試。當(dāng)激光雷達(dá)檢測(cè)到前方有障礙物時(shí),動(dòng)態(tài)路徑調(diào)整模塊作出反應(yīng), 將參考 waypoint 從當(dāng)前車道切換到另一并行車道,計(jì)算與并行車道 waypoint 的航向角實(shí)現(xiàn)車道切換,當(dāng)繞過障礙物后車輛切換到原有車道繼續(xù)行駛。

    實(shí)驗(yàn)二:在兩條并行車道上分別放有假人和箱子作為障礙物,如圖 12(b)所示。當(dāng)車輛行駛過程中檢測(cè)到前方有障礙物 1(假人),從當(dāng)前車道切換到另一并行車道,緊接著又檢測(cè)到該并行車道有障礙物 2(箱子),動(dòng)態(tài)路徑調(diào)整模塊作出反應(yīng),制動(dòng)停車并等待障礙物清空后繼續(xù)行駛。為了檢驗(yàn)動(dòng)態(tài)路徑調(diào)整算法的準(zhǔn)確性和有效性,本實(shí)驗(yàn)依然采用人為駕駛和自動(dòng)駕駛來對(duì)比驗(yàn)證。圖 13(a)、(b)分別為雙車道中單個(gè)和兩個(gè)障礙物情況下車輛轉(zhuǎn)向角與行駛路徑的關(guān)系。由圖可以看出,自動(dòng)駕駛的轉(zhuǎn)向角和人為駕駛的轉(zhuǎn)向角基本吻合,最大角度為 15°左右,滿足正常切換車道所需角度。但為保證行駛安全,激光雷達(dá)探測(cè)到障礙物距離 5 m 時(shí)觸發(fā)動(dòng)態(tài)路徑調(diào)整模塊,相比正常人為駕駛距離略遠(yuǎn),如圖 13 中 M 點(diǎn)。自動(dòng)駕駛轉(zhuǎn)向角變化要提前于人為駕駛,同樣角度峰值點(diǎn)也提前到達(dá)。

5、結(jié) 論

    本文提出了一種基于矢量地圖的無人車導(dǎo)航方法。首先,建立無人車導(dǎo)航矢量地圖,然后利用矢量地圖和激光雷達(dá)完成路徑跟蹤及動(dòng)態(tài)路徑調(diào)整的避障,并實(shí)車測(cè)試其實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。該策略不依賴于激光雷達(dá)的高精度地圖創(chuàng)建,因?yàn)榧す恻c(diǎn)云的實(shí)時(shí)匹配受到動(dòng)態(tài)環(huán)境的影響較大, 在復(fù)雜環(huán)境中降低了車輛定位的準(zhǔn)確性。在實(shí)時(shí)避障方面,激光雷達(dá)無法對(duì)周圍環(huán)境中的語義信息進(jìn)行提取(如路標(biāo)、紅綠燈等),導(dǎo)致其對(duì)復(fù)雜路況的理解能力存在局限性。本文基于差分 GPS 創(chuàng)建的地圖通過對(duì)關(guān)鍵信息的標(biāo)記(如車道、標(biāo)志、速度、紅綠燈等),增加了無人車對(duì)環(huán)境語義的理解能力,通過分段標(biāo)記的方法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)形式路線的變化。與此同時(shí),結(jié)合激光雷達(dá)的實(shí)時(shí)障礙物檢測(cè)能力,通過改變矢量地圖中參考路徑,實(shí)現(xiàn)了避障、車道線切換等功能,在實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)駕駛決策的同時(shí)提高了駕駛安全性。另外, 在準(zhǔn)確導(dǎo)航的同時(shí)極大地降低了對(duì)存儲(chǔ)空間的要求,每公里道路僅產(chǎn)生 100 kB 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ),且定位精度可達(dá)到厘米級(jí)。實(shí)車測(cè)試結(jié)果表明,本文提出的車輛轉(zhuǎn)向角算法和避障策略效果良好, 基本完成規(guī)劃路線的行駛。但在隧道或有遮蔽的道路,差分 GPS 定位精度受到較大影響,未來可考慮加入慣性測(cè)量單元進(jìn)行輔助定位。在實(shí)時(shí)避障方面,其對(duì)車速和障礙物動(dòng)靜態(tài)也有一定的要求,未來將對(duì)這一問題作進(jìn)一步研究。

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