本文基于 lattice 搜索和凸优化,提出了一个适用于结构化道路自动驾驶
车辆的解耦轨迹规划框架,对于一个包含时间信息的三维轨迹规划问题,由
于多种硬约束和软约束的存在,规划空间的可行域通常是非凸的,所以对于
轨迹规划算法来说很容易陷入局部最优,并且对于非完备的算法来说很可能
不能找到一个可行解。并且轨迹规划问题的解空间,不管是连续的还是离散
的,解空间都是巨大的,所以一个算法很难在满足实时性的同时生成一个最
优解。为了应对状态空间的非凸问题,以及改善轨迹优化的收敛速度,本文
考虑到 lattice 搜索能够离散行驶环境和减小解空间,选择了 lattice 搜索作为
轨迹规划的前端算法。Lattice 搜索生成的路径或者轨迹会位于全局最优解的
领域内,所以它生成的解是接近全局最优的,可以成为次优解。然而这个次
优解无论在空间上还是时间上往往都不够平滑,经常会包含曲率、曲率导数、
加速度以及加加速度的跳变点,因为这个原因,一个随后的非线性优化方法
被引入来改善这个次优解的性质。通常将这个随后的非线性优化步叫做轨迹
规划的后端,后端算法的目的就是使得轨迹更加的光滑和安全,满足车辆运
动的内部约束和外部约束,并且轨迹规划前端生成的次优解被作为后端算法
的初始解,通过后端算法的迭代,这个初始解逐渐变得完美。这个提出的框
架,分别开发了 Python3 语言版本和 ROS 平台下 C++语言版本,仿真结果显
示该框架能够实时地生成满足运动学、动力学约束地能够躲避障碍物的轨迹。
关键词: 轨迹规划,路径规划,速度规划,非线性优化,图搜索,自动驾驶
目录
致 谢 ...................................................................................................................... I
摘 要 .................................................................................................................... III
Abstract ................................................................................................................... V
1 绪论 ...................................................................................................................... 1
1.1 课题背景与研究意义 ................................................................................ 1
1.1.1 背景 .................................................................................................. 1
1.1.2 研究意义 .......................................................................................... 2
1.2 相关工作 .................................................................................................... 3
1.2.1 图搜索 .............................................................................................. 6
1.2.2 采样类算法 ...................................................................................... 8
1.2.3 最优化类算法 ................................................................................ 14
1.2.4 采样与优化的结合 ........................................................................ 17
1.3 研究内容 .................................................................................................. 22
1.4 章节安排 .................................................................................................. 24
2 规划基础 ............................................................................................................ 26
2.1 道路模型 .................................................................................................. 26
2.1.1 OpenDRIVE 道路模型 ................................................................... 26
2.1.2 Lanelets 道路模型 .......................................................................... 28
2.1.3 改进的 OpenDRIVE 格式 ............................................................. 30
2.2 笛卡尔坐标与 Frenet 坐标的相互投影.................................................. 34
2.2.1 笛卡尔坐标映射到 Frenet 坐标 ................................................... 34
2.2.2 Frenet 坐标到笛卡尔坐标的转换 ................................................. 37
2.3 碰撞检测 .................................................................................................. 39
2.3.1 基于代价地图的碰撞检测 ............................................................ 39
2.3.2 基于车体圆的碰撞检测 ................................................................ 41
2.4 运动基元 .................................................................................................. 43
2.4.1 螺旋曲线 ........................................................................................ 44
2.4.2 多项式曲线 .................................................................................... 48
3 路径规划 ............................................................................................................ 51
3.1 路径搜索 .................................................................................................. 52
3.1.1 路径 lattice 图 ................................................................................ 52
3.1.2 路径 lattice 权重 ............................................................................ 55
3.1.3 Lattice 图的搜索算法 .................................................................... 61
3.2 路径优化 ................................................................................................. 63
3.2.1 目标函数 ....................................................................................... 64
3.2.2 约束函数 ....................................................................................... 65
3.2.3 非线性优化求解器 ....................................................................... 68
4 速度规划 ........................................................................................................... 71
4.1 速度曲线搜索 ......................................................................................... 71
4.1.1 里程-速度空间采样 ...................................................................... 71
4.1.2 里程-时间空间采样 ...................................................................... 74
4.1.3 速度 lattice 权重设计与速度搜索 ............................................... 76
4.2 速度曲线优化 ......................................................................................... 78
4.2.1 目标函数 ....................................................................................... 79
4.2.2 约束函数 ....................................................................................... 82
4.2.3 二次规划求解器 ........................................................................... 86
5 仿真与实验 ....................................................................................................... 88
5.1 案例研究 ................................................................................................. 88
5.1.1 案例一: 静态障碍物避免 ............................................................ 90
5.1.2 案例二: 自主换道场景 ................................................................ 92
5.1.3 案例三: 停车场景 ........................................................................ 94
5.1.4 案例四: 超车场景 ........................................................................ 95
5.2 自动驾驶平台中的仿真测试 ................................................................. 98
5.2.1 基于 ROS 的仿真测试 ................................................................. 98
5.2.2 基于 autoware 的仿真测试 .......................................................... 99
5.3 算法性能分析与比较 ........................................................................... 100
6 结论 ................................................................................................................. 103
6.1 全文总结 ............................................................................................... 103
6.2 论文的贡献 ........................................................................................... 103
6.3 研究展望 ............................................................................................... 104
参考文献 ............................................................................................................. 107
作者简历及在学研究成果 ................................................................................. 112
独创性说明 ......................................................................................................... 113
关于论文使用授权的说明 ................................................................................. 113
学位论文数据集 ................................................................................................. 115