用于躲避转向操作的路径规划方法
【技术领域】
[0001] 本发明大体涉及一种用于在手动驾驶车辆中提供路径规划和产生的系统和方法， 并且更特别地，涉及一种用于在手动驾驶车辆中提供路径规划和路径产生的系统和方法， 包括响应于车辆前方检测到的移动物体而改变车辆转向路径，其中物体可以相对于车辆运 动沿横向或纵向方向移动。
【背景技术】
[0002] 当今车辆的操作变得更加自主化，即，车辆能够以越来越少的驾驶员干预来提供 驾驶控制。巡航控制系统已经用在车辆上很多年，其中车辆操作者能设定车辆特定的速度， 而车辆将会维持在该速度而不需要驾驶员操作油门。自适应巡航控制系统最近已经在该领 域中得以发展，其中，不仅仅是系统维持设定速度，而且将会在采用各种传感器检测到较慢 移动的前方车辆的情况下自动使车辆减速，各种传感器例如是雷达和摄像机。某些现代车 辆还提供自主泊车，其中车辆会自动地提供转向控制来停泊车辆。如果驾驶员做出可能影 响车辆稳定的快速的转向改变，那么某些车辆系统进行干预。某些车辆系统试图将车辆保 持在道路上车道的中心附近。此外，完全自主的车辆已经被证实能够在模拟的城市交通中 达到30mph的行驶，从而观察道路的所有规则。
[0003] 随着车辆系统的改善，他们会变得更自主化，目标是成为完全自主驾驶的车辆。例 如，未来的车辆可能会利用自主系统来进行车道改变、通过、避开交通或进入交通等等。平 滑操纵和自动车道定中以及车道改变控制对于自主驾驶车辆中的驾驶员和乘客的舒适性 是重要的。然而，由于传感器和致动器的等待时间，测量的车辆状态可能与实际车辆状态不 同。这种不同会引起不正确的路径产生，这将会影响车道改变的粗糙度。
[0004] 美国专利号8170739(于2012年5月1日公布的，名称为用于自动车道定中和车道改 变控制系统的路径产生算法，转让给本申请的受让人，并且通过参考并入本文），公开了一 种用于提供自动车道定中心和/或车道改变目的的路径产生的系统。该系统使用了一个或 多个前视摄像机，前视摄像机检测车辆前方的车道标记以识别车辆在其上行驶的行驶车 道。期望的路径产生处理器接收来自摄像机的信号，车辆状态信息和车辆的转向角，以及车 辆车道改变的请求。该系统还包括路径预测处理器，路径预测处理器基于车辆状态信息来 预测车辆路径，车辆状态信息包括车辆纵向速度，车辆横向速度，车辆横摆率以及车辆转向 角。将期望路径信息和预测路径信息相比较以产生误差信号，误差信号被发送到车道改变 控制器，车道改变控制器提供转向角信号以使车辆转变方向并且减少误差信号，其中路径 产生处理器利用五阶多项式方程来基于输入信号确定车辆的期望路径。
[0005] Lee等人的美国专利申请公开号2010/0082195(名称为采用自主车辆控制系统自 适应地控制车辆操作的方法，转让给本申请的受让人并且通过参考并入本文）公开了在 '739专利中披露的路径产生算法的改进，其包括基于预测的行驶路径和估计的道路位置确 定优选的车辆行驶路径。
[0006] ' 739专利和' 195申请没有在半自主或自主驾驶的车辆中提供用于避免碰撞目的 期望路径产生和自动车辆转向（如果在车辆前方检测到移动物体）。
【发明内容】
[0007] 本公开描述了用于在手动驾驶车辆中提供路径规划和产生的系统和方法，其提供 避免碰撞目的的转向校正。该方法包括基于车辆运动感测数据和车辆参数确定车辆的预测 路径。该方法还包括检测车辆前方的移动物体，并且确定如果车辆沿着预测路径以当前车 辆速度行驶，在车辆和物体之间是否将会发生碰撞。该方法确定：如果确定碰撞将会发生， 那么单独车辆制动是否将会阻止与物体的碰撞，并且如果不能，则确定物体周围的转向路 径。该方法确定移动物体是否在沿相对于车辆路径的横向或纵向文向行驶，并且如果物体 在沿横向方向移动，那么该方法求解五阶多项式方程以限定从当前车辆位置到离物体安全 距离的路点的碰撞避免路径和从该路点到车道中心的返回路径(车辆自动沿其转向）。如果 物体在沿纵向方向移动，那么该方法确定到路点的碰撞避免路径，随后确定邻近物体的巡 航路径，以及随后确定回到车道中心的返回路径。
[0008] 本发明包括以下方案：
[0009] 1. 一种用于提供车辆自动转向路径的方法，所述方法包括：
[0010] 确定车辆是由车辆驾驶员手动驾驶；
[0011] 基于车辆运动感测数据和车辆参数确定车辆的预测路径；
[0012] 检测车辆前方的移动物体；
[0013] 确定如果车辆沿着预测路径以当前车辆速度行驶，在车辆和物体之间是否将要发 生碰撞；
[0014] 如果确定碰撞将要发生，那么确定单独的制动是否将阻止与物体的碰撞；
[0015] 如果确定车辆制动将不会阻止与物体的碰撞，那么确定物体周围的转向路径；
[0016]沿转向路径自动转向车辆；以及
[0017] 从自动转向将转向控制让渡回给驾驶员。
[0018] 2.根据方案1的方法，其中确定预测路径包括使用车辆方向角、车辆纵向速度、车 辆横向速度、车辆横摆率、车辆转向角、车辆质量、车辆惯量、车辆前部和后部侧偏刚度以及 车辆车轴与车辆重心之间的距离。
[0019] 3.根据方案1的方法，其中以时间序列确定预测路径包括求解差分方程：
[0020]
[0021] 其中ypre3d是车辆的横向位置，是车辆的方向角，Vx是车辆纵向速度，Vy是车辆 横向速度，r是车辆的横摆率，δ是转向角，m是车辆质量，I是车辆惯量，Cf和Cr分别是车辆前 部和后部侧偏刚度，以及a和b分别是从重心（112)到车辆前车轴和后车轴的距离。
[0022] 4.根据方案3的方法，其中确定预测路径包括限定时间序列预测路径为参数的三 阶多项式方程。
[0023] 5.根据方案4的方法，其中确定参数的预测路径包括通过最小化成本函数求解多 项式方程中的未知参数。
[0024] 6.根据方案1的方法，其中确定单独的车辆制动是否将会阻止碰撞包括计算用于 碰撞避免的需要的减速并且将需要的减速与车辆的最大可能减速进行比较。
[0025] 7.根据方案1的方法，其中确定车辆和物体之间的碰撞是否将要发生包括限定移 动物体周围的碰撞边界，基于移动物体的速度、物体的移动方向、移动物体的大小以及碰撞 时间值，并且确定车道定中路径是否与碰撞边界相交。
[0026] 8 .根据方案7的方法，其中确定物体周围的转向路径包括确定从当前车辆位置到 碰撞边界上的路点的碰撞避免路径，所述方法进一步包括向碰撞避免路径上的路点转向车 辆。
[0027] 9.根据方案8的方法，其中确定碰撞避免路径包括选择到碰撞边界上的多个路点 的多个可能的碰撞避免路径中的一个，其中在道路边界内的到当前车辆位置的最近的路点 被选择为算法避免路径。
[0028] 10.根据方案8的方法，其中确定碰撞避免路径包括基于初始车辆条件和道路边界 条件求解五阶多项式方程。
[0029] 11.根据方案10的方法，其中五阶多项式方程为：
[0030] yAp(x) =as, Apx5+a4, Apx4+a3, Apx3+a2, Apx2+ai, Apx+ao, ap ?
[0031 ]对于时间0<t<tTTC，其中初始条件限定为：
[0032] yAp(O) =0,
[0033] y7 ap(0) =0,
[0034] 3/'冲(〇) = 2。2，
[0035] 并且边界条件限定为：
[0036 ] yAP ( VxtTTC ) - y lane ( VxtTTC ) +DlX，
[0037] y Ap( VxtTTc) -y lane (VxtTTC)，
[0038] y〃 AP( VxtTTC) =y〃 lane (VxtTTC )，
[0039 ]其中yAP是碰撞避免路径上的车辆横向位置，ylane是车道定中路径上的车辆横向位 置，3()，，31，，32』卩，33』卩，34，和35^是未知系数并且使用初始条件和边界条件来确定，1：? 是碰撞时间值，V X是车辆纵向速度，而DLC是与车道中心的横向偏移。
[0040] 12.根据方案8的方法，其中检测车辆前方的移动物体包括确定移动物体是否在沿 相对车道定中路径的横向方向或侧向方向移动。
[0041 ] 13.根据方案12的方法，其中确定物体周围的转向路径包括如果物体在沿横向方 向移动，则确定从路点到车道中心的返回路径。
[0042] 14.根据方案13的方法，其中确定返回路径包括通过基于初始条件和道路边界条 件求解五阶多项式方程确定返回路径。
[0043] 15.根据方案14的方法，其中五阶多项式方程为：
[0044] yRp(x) = a5,RPX5+a4,RPX4+a3,Rpx3+a2,RPX 2+ai,Rpx+ao,Rp?
[0045] 对于时间tTTC<t<t?，其中初始条件限定为：
[0046] yRp (vxtrrc)= yAP (Vxtrrc)，
[0047] y7 rp (VxtTTc) = y7 ap (νχ?ττο) ?
[0048] y〃rp (vxtrrc) =y〃AP( Vxtrrc)，
[0049] 以及边界条件限定为：
[0050] yRP(VxtTTR) =yiane(VxtTTR)，
[0051 ] y' RP(VxtTTR) lane(VxtTTR)，
[0052] y〃RP(VxtTTR) =y〃lane(VxtTTR)，
[0053] 其中yAP是碰撞避免路径上的车辆横向位置，yRP是返回路径上的车辆横向位置， 丫13116是车道定中路径上的车辆横向位置，&(),[^，&1,[^，&2,[^，&3,[? 3，&4,[?3和&5,[^5是未知系数并 且使用初始条件和边界条件来确定，tTTC是碰撞时间值，tTTR是返回时间值，而Vx是车辆纵向 速度。
[0054] 16.根据方案13的方法，其中确定车辆转向路径包括:如果物体在沿相对于车辆的 纵向方向移动或如果物体太长而仅能通过碰撞避免路径和返回路径避免，那么确定碰撞避 免路径和返回路径之间的巡航路径。
[0055] 17.根据方案16的方法，其中确定巡航路径包括基于初始条件和道路边界条件求 解五阶多项式方程。
[0056] 18.根据方案17的方法，其中所述五阶多项式方程为：
[0057] yep (X) =a5, cpx5+a4, cpx4+a3, cpx3+a2, cpx2+ai, cpx+ao, cp，
[0058] 对时间tTTC < t < tTTS，其中初始条件限定为：
[0059] ycp(VxtTTC) =yAP(VxtTTC)，
[0060] y7 cp(vxtTTc) =y7 Αρ(νχ?ττο),
[0061