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CN113511205B - 规划车辆的移动的方法和系统 - Google Patents

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CN113511205B
CN113511205B CN202110302763.1A CN202110302763A CN113511205B CN 113511205 B CN113511205 B CN 113511205B CN 202110302763 A CN202110302763 A CN 202110302763A CN 113511205 B CN113511205 B CN 113511205B
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Abstract

本公开涉及规划车辆的移动的方法和系统。一种规划车辆的移动的方法包括：基于要在交通空间中进行的期望操纵、车辆的当前移动状态以及车辆的周围环境检测状态来确定车辆的标称轨迹，以及在不考虑期望操纵的情况下确定从标称轨迹岔开并将车辆引导到安全状况的中止轨迹，其中，使用单个优化过程同时确定标称轨迹和中止轨迹。

Description

规划车辆的移动的方法和系统
技术领域
本公开涉及规划车辆的移动的方法和系统。
背景技术
为了确保自主驾驶车辆或配备有先进驾驶员辅助系统(ADAS)的车辆的安全性，需要规划执行期望操纵(诸如变道、并道或转弯)所需的运动。车辆运动可以通过轨迹以数学方式描述。轨迹是表示移动对象(诸如车辆)随时间变化的状态的函数。车辆状态可以包括车辆位置、车辆偏航率、车辆速度和/或车辆加速度。
关于先进驾驶员辅助系统和自主驾驶车辆的效率和安全性的社会期望极高。在每种情况下都必须保证避免碰撞。因此，可以在考虑其它交通参与者的可能轨迹的情况下执行轨迹的生成。然而，如果轨迹是基于其它交通参与者的行为的最坏情况预测而确定的，则无法执行某些操纵。
因此，需要提供如下系统和方法，所述系统和方法能够以使得能够进行高效且肯定(assertive)的操纵而同时可靠地避免危险情况的方式来规划车辆运动。
发明内容
本公开提供了计算机实现方法、计算机系统和非暂时性计算机可读介质。
在一个方面中，本公开涉及一种规划车辆的移动的计算机实现方法，该方法包括由计算机硬件部件执行的以下步骤：经由控制系统的运动规划模块，基于要在交通空间中进行的期望操纵、车辆的当前移动状态以及车辆的检测到的周围环境状态来确定车辆的标称轨迹；以及经由控制系统的运动规划模块，在不考虑期望操纵的情况下确定从标称轨迹岔开并将车辆引导到安全状况的中止轨迹，其中，使用单个优化过程同时确定标称轨迹和中止轨迹。
标称轨迹满足了期望操纵(例如变道)的主要目标，但可能不安全或变得不安全。在这种情况下，可以输出中止轨迹以供执行。中止轨迹不能满足操纵的目标，但即使在不利状况下也是安全的。例如，当期望变道时，中止轨迹可以表示取消变道或在当前车道上进行安全制动。中止轨迹也可以被称为“故障保护轨迹”。标称轨迹可以基于其它道路使用者的最合理或最可能行为的预测。中止轨迹可以基于其它道路使用者的行为的最坏情况预测。
标称轨迹和中止轨迹可以是将来的轨迹，其中，“将来”可以理解为在轨迹确定之后。
由于使用共同的优化过程同时确定标称轨迹和中止轨迹，因此减少了中止轨迹的强制执行频度。与独立于中止轨迹确定标称轨迹并且随后在单独过程中确定中止轨迹的方法相比，单个优化过程是在中止轨迹的影响下确定标称轨迹的形状的，从而可以避免生成不利的标称轨迹。换句话说，标称轨迹可以被强制执行为易于中止。因此，避免了操纵的频繁中止。然而，出于安全原因，保留了执行操纵的中止的基本能力。
所述方法还可以包括以下特征中的一个或更多个特征：
可以经由控制系统的运动规划模块，在单个优化过程中，在不同时间点从标称轨迹岔开的至少两个中止轨迹的集合是连同标称轨迹一起确定的。中止轨迹的集合可以包括在等距时间点从标称轨迹岔开的至少三个中止轨迹。优化过程可以包括将成本函数最小化的步骤，其中，可以将成本项和权重指派给中止轨迹的集合的中止轨迹中的各个中止轨迹，并且其中，成本函数可以包括成本项的加权和。可以将不同权重指派给中止轨迹的集合的中止轨迹中的至少两个中止轨迹。被指派给在第一时间点从标称轨迹岔开的第一中止轨迹的权重可以高于被指派给在晚于第一时间点的第二时间点从标称轨迹岔开的第二中止轨迹的权重。指派给中止轨迹的集合的在时间上随后的中止轨迹的权重可以逐渐减小。除非满足以下条件之一，否则可以将标称轨迹确定为要输出到车辆控制模块的输出轨迹：
(i)标称轨迹被证明是不安全的；以及
(ii)到达时间点，在该时间点，所有随后的中止轨迹中的最后的中止轨迹从标称轨迹岔开，并且标称轨迹未被确认为是安全的。
如果满足条件(i)和(ii)之一，则可以经由控制系统的运动规划模块将中止轨迹的集合的中止轨迹中的一个中止轨迹确定为输出轨迹。如果满足条件(i)，则可以将第一可用的中止轨迹确定为输出轨迹，其中，第一可用的中止轨迹在确认满足条件(i)之后的最早时间点从标称轨迹岔开。如果满足条件(ii)，则可以将所有随后的中止轨迹中的最后的中止轨迹确定为输出轨迹。单个优化过程可以包括约束非线性优化过程。单个优化过程可以被迭代地执行。
根据另一方面，经由控制系统的运动规划模块，在单个优化过程中，确定在不同时间点从标称轨迹岔开的至少两个中止轨迹的集合以及标称轨迹。因此，简化了在部分未知环境中的运动规划。可以规划并执行高风险操纵，如果需要，可以在相对较长的时间跨度(time horizon)内取消高风险操纵。具体地，如果预计在不久的将来确认或否定操纵的安全性，则可以规划可能的危险操纵。例如，如果期望从第一车道更改为第二车道，并且由于另一车辆的遮挡而不能检测到第二车道的占用，则如果较晚的中止轨迹也可以将车辆引导至安全状态，那么无需执行最早的中止轨迹。在到达较晚中止轨迹的起点之前，可能不再存在遮挡，可以确认第二车道是空的，并且可以根据标称轨迹按需完成操纵。
根据另一方面，中止轨迹的集合包括在等距时间点从标称轨迹岔开的至少三个中止轨迹。这简化了计算。已经证明三到五个中止轨迹的集合可以平衡可靠性和计算量。中止轨迹的起点或岔开之间的间隔可以为至少100ms并且最多2s。根据一方面，中止轨迹的起点之间的间隔是500ms。
根据另一方面，单个优化过程包括最小化成本函数的步骤，其中，将成本项和权重指派给中止轨迹的集合的中止轨迹中的各个中止轨迹，并且其中，成本函数包括成本项的加权和。成本项可以基于效率和舒适度度量，诸如加速度值。可以使用以下成本函数f(x)来解决单个优化问题：
其中，x是包括运动状态参数(诸如位置和速度参数)的向量，f(x)是总成本函数，是标称轨迹/>的成本函数，/>是在时间点ti从标称轨迹/>岔开的中止轨迹/>的成本函数，并且wi是在时间点ti从标称轨迹/>岔开的中止轨迹/>的权重。
根据另一方面，经由控制系统的运动规划模块将不同权重指派给中止轨迹的集合的中止轨迹中的至少两个中止轨迹。可以根据客户的需求使用个体权重来调整车辆的控制系统。对随后的中止轨迹的舒适度极限和舒适度权重进行参数化使得可以在部分未知环境中调整预期舒适度与规划轨迹的肯定性之间的阈值。
根据另一方面，被指派给在第一时间点从标称轨迹岔开的第一中止轨迹的权重高于被指派给在晚于第一时间点的第二时间点从标称轨迹岔开的第二中止轨迹的权重。因此，由于较晚中止轨迹的成本的低权重，所以可以允许肯定操纵，而较早中止轨迹由于成本的高权重可以使受控车辆的乘客保持舒适。比较晚中止更可能发生的较早操作中止可能导致相对平顺且舒适的轨迹，不太可能发生的较晚操作中止仍然是可能的，尽管这可能会降低舒适度。例如，在极少发生的较晚操作中止的情况下，可以接受突然的抽动或明显减速。
根据另一方面，被指派给中止轨迹的集合的在时间上随后(temporallysubsequent)的中止轨迹的权重逐渐减小。
根据另一方面，除非满足以下条件之一，否则经由控制系统的运动规划模块将标称轨迹确定为要输出到车辆控制模块的输出轨迹：
(i)标称轨迹被证明是不安全的；以及
(ii)到达一时间点，在该时间点，所有随后的中止轨迹中的最后的中止轨迹从标称轨迹岔开，并且标称轨迹未被确认为是安全的；
并且其中，如果满足条件(i)和(ii)之一，则将中止轨迹的集合中的中止轨迹中的一个中止轨迹确定为输出轨迹。由此，可靠地排除了不安全状况。与标称轨迹当前是安全的还是不安全的问题有关的信息可以由从车辆传感器接收到的安全信号来表示。
根据另一方面，如果满足条件(i)，则经由控制系统的运动规划模块将第一可用的中止轨迹确定为输出轨迹，其中，第一可用的中止轨迹在确认满足条件(i)之后的最早时间点从标称轨迹岔开。最早可能的中止轨迹通常是中止操纵的最舒适的解决方案，因为由标称轨迹和中止轨迹组成的运动可以保持相对平稳。
根据另一方面，如果满足条件(ii)，则经由控制系统的运动规划模块将所有随后的中止轨迹中的最后的中止轨迹确定为输出轨迹。因此，采取了达到安全状况的最后可能措施。
根据另一方面，单个优化过程包括约束非线性优化过程。
根据另一方面，单个优化过程经由控制系统的运动规划模块被迭代地执行。单个优化过程可以基于序列二次规划法(sequential quadratic programming)。
在另一方面中，本公开涉及一种计算机系统，该计算机系统包括多个计算机硬件部件，所述多个计算机硬件部件被配置为执行本文描述的计算机实现方法的若干或全部步骤。
计算机系统可以包括处理设备、至少一个存储器设备和至少一个非暂时性数据存储部。非暂时性数据存储和/或存储设备可以包括计算机程序，该计算机程序用于指示计算机执行本文描述的计算机实现方法的若干或全部步骤或方面。
在另一方面中，本公开涉及一种包括如上所述的计算机系统的车辆。
在另一方面中，本公开涉及一种非暂时性计算机可读介质，该非暂时性计算机可读介质包括用于执行本文描述的计算机实现方法的若干或全部步骤或方面的指令。计算机可读介质可以被配置为：光学介质，诸如光盘(CD)或数字通用盘(DVD)；磁性介质，诸如硬盘驱动器(HDD)；固态驱动器(SSD)；只读存储器(ROM)，诸如闪存存储器等。此外，计算机可读介质可以被配置为可经由诸如互联网连接之类的数据连接访问的数据存储部。计算机可读介质可以例如是在线数据存储库或云存储部。
本公开还涉及一种计算机程序，该计算机程序用于指示计算机执行本文描述的计算机实现方法的若干或全部步骤或方面。
附图说明
本文结合以下附图描述本公开的示例性实施方式和功能，附图示意性地示出了：
图1是根据各种实施方式的在交通空间中的主车辆以及表示该主车辆的移动规划的轨迹的例示；
图2是示出了在一时间跨度内中止操纵的可能性以及允许不适水平的图；以及
图3是例示了根据各种实施方式的规划主车辆的移动的方法的流程图。
具体实施方式
在图1中，描绘了在具有连续车道14和终止车道15的道路13上移动的主车辆11。如图所示，主车辆11在终止车道15上移动。主车辆11设有包括计算机系统的电子控制系统(未示出)。该控制系统可以提供变道辅助功能，或者可以被配置为自动驾驶系统。用于监测环境的环境传感器(未示出)(诸如摄像头、雷达系统和/或激光雷达系统)被安装在主车辆11中并且被连接至控制系统。
控制系统可以包括例如集成电路形式的行为规划模块和运动规划模块。行为规划模块被配置为向运动规划模块发送与主车辆11的期望操纵(诸如车道追踪操纵、变道操纵或并道操纵)有关的请求。请求可以是驾驶员发起的，或者可以是由自主驾驶逻辑生成的。
根据各种实施方式，通过基于期望操纵、主车辆11的当前移动状态以及由环境传感器检测到的主车辆11的周围环境确定标称轨迹来规划主车辆11的运动。在图1中，期望操纵是从终止车道15并道至连续车道14。
为了生成标称轨迹可以限定一时间跨度，该时间跨度对应于环境传感器的感知能力范围。将时间跨度划分为在时间点t0、t1、t2、……之间延伸的相等时间增量，以提供用于轨迹规划的节点19。各个节点19可以包括主车辆11在时间点ti的纵向位置、横向位置和偏航角。
除了主车辆11之外，诸如客车20和卡车22之类的其它交通参与者也在道路13上移动。如视线25所示，客车20被卡车22遮挡。由于客车20的速度可能足够高以至于可能与变道的主车辆11发生碰撞，因此不能保证根据标称轨迹的操纵是安全的。因此，确定了在不考虑期望操纵的情况下从标称轨迹/>岔开并将主车辆11引导到安全状况的中止轨迹(故障保护轨迹)/>的集合。在图1中，示出了两个中止轨迹/>然而，针对标称轨迹/>可以生成超过两个的中止轨迹。如图所示，中止轨迹/>在随后的节点19处(即，在不同时间点ti处)从标称轨迹/>岔开。各个中止轨迹/>的开始状态与标称轨迹/>在中止轨迹/>的开始时刻的状态相同，即，/>根据所示示例，中止轨迹/>引导主车辆11回到终止车道15。换句话说，中止轨迹/>对应于变道操纵的中止。
根据各种实施方式，使用单个非线性优化过程同时确定标称轨迹和中止轨迹非线性优化过程包括将成本函数(例如以下成本函数f(x))最小化的步骤：
其中，x是包括运动状态参数(诸如位置和速度参数)的向量，f(x)是总成本函数，是标称轨迹/>的成本函数，/>是在时间点ti处从标称轨迹/>岔开的中止轨迹的成本函数，并且wi是在时间点ti处从标称轨迹/>岔开的中止轨迹/>的权重。
根据标称轨迹开始并以中止轨迹/>继续的运动的连续性和平顺性可以通过针对各个中止轨迹/>限定的等式约束来强制执行。等式约束可以包括：
对于i＝1……N中的i：
被指派给在时间上随后的中止轨迹的权重wi逐渐减小。因此，较晚中止轨迹的允许不适水平(allowed discomfort level)高于较早中止轨迹的允许不适水平。在时间跨度内通过权重wi调整的示例性定性允许不适水平被示出在图2的下部板块中。图2的上部板块示出了在时间跨度内中止操纵的可能性不断降低。对于很少发生的较晚中止，可以接受更高的不适水平(例如抽动)。
执行标称轨迹即，该标称轨迹/>被确定为要输出到控制模块的输出轨迹，直到满足以下条件之一：
(i)标称轨迹被证明是不安全的(例如由于检测到客车20高速接近)；以及
(ii)到达时间点t2，在该时间点t2，最后可用的中止轨迹从标称轨迹/>岔开，而标称轨迹/>既不被确认为是安全的也不被确认为是不安全的。
如果满足条件(i)，则在到达ti之后执行第一可用的中止轨迹(即，针对最小ti>tc规划的中止轨迹)，其中，tc是确认标称轨迹不安全的时间点。
如果满足条件(ii)，则执行最后可用的中止轨迹。
如果在到达t2之前确认情况是安全的(例如由于检测到目标车道14是空的)，则执行整个标称轨迹
图3示出了流程图，该流程图例示了根据各种实施方式的规划主车辆11(图1)的运动的方法。在步骤51，使用如上所述的单个非线性优化过程同时确定标称轨迹和中止轨迹/>在步骤52，执行标称轨迹/>在步骤53，检查标称轨迹/>是否被确认为是安全的。如果确认是安全的，则过程返回到步骤52。如果未确认标称轨迹/>是安全的，则在步骤54检查标称轨迹/>是否被确认为是不安全的。如果确认为是不安全的，则在步骤55执行第一可用的中止轨迹/>否则，在步骤56检查是否到达或接近最后可用的中止轨迹/>从标称轨迹/>岔开的时间点。如果到达或接近该时间点，则在步骤57执行最后可用的中止轨迹/>否则，执行标称轨迹/>直到操纵完成。图3所示的方法可以由主车辆11(图1)的计算机系统的硬件部件执行。
与标称轨迹和中止轨迹/>的独立规划相反(其中，标称轨迹/>是在中止轨迹之前规划的)，单个优化过程中的共同规划使得能够以避免没有任何安全中止轨迹的状态的方式确定标称轨迹/>的形状。因此简化了在部分未知的环境中的规划。由于可以保证存在安全中止轨迹，因此可以在不具有关于静态和动态环境的完整信息情况下进行复杂操纵。将不同舒适度成本乘数(multiplier)和约束指派给利用标称轨迹规划的随后的中止轨迹允许通过以下方式调整系统：允许肯定操纵，同时利用最合理的较早中止轨迹来使主车辆11的乘客保持舒适状态。
附图标记列表
11 主车辆
13 道路
14 连续车道
15 终止车道
19 节点
20 客车
22 卡车
25 视线
51 使用单个非线性优化过程同时确定标称轨迹和中止轨迹/>的步骤
52 执行标称轨迹的步骤
53 检查标称轨迹是否被确认是安全的步骤
54 检查标称轨迹是否被确认是不安全的步骤
55 执行第一可用的中止轨迹的步骤
56 检查是否到达或接近最后可用的中止轨迹从标称轨迹/>岔开的时间点的步骤
57 执行最后可用的中止轨迹的步骤

Claims (15)

1.一种规划车辆(11)的移动的计算机实现方法，所述计算机实现方法包括由计算机硬件部件执行的以下步骤：
基于要在交通空间中进行的期望操纵、所述车辆(11)的当前移动状态以及所述车辆(11)的检测到的周围环境状态来确定所述车辆(11)的标称轨迹以及
确定从所述标称轨迹岔开并将所述车辆(11)引导到安全状况的中止轨迹/>而不考虑所述期望操纵，
其中，使用单个优化过程同时确定所述标称轨迹和所述中止轨迹/>所述单个优化过程在所述中止轨迹/>的影响下确定所述标称轨迹/>
2.根据权利要求1所述的计算机实现方法，
其中，在所述单个优化过程中，在不同时间点ti从所述标称轨迹岔开的至少两个中止轨迹/>的集合是连同所述标称轨迹/>一起确定的。
3.根据权利要求2所述的计算机实现方法，
其中，中止轨迹的所述集合包括在等距时间点ti从所述标称轨迹/>岔开的至少三个中止轨迹。
4.根据权利要求2或3所述的计算机实现方法，
其中，所述单个优化过程包括将成本函数f(x)最小化的步骤，其中，将成本项和权重wi指派给中止轨迹的所述集合的中止轨迹/>中的各个中止轨迹，并且其中，所述成本函数f(x)包括所述成本项/>的加权和。
5.根据权利要求4所述的计算机实现方法，
其中，将不同权重wi指派给中止轨迹的所述集合的中止轨迹中的至少两个中止轨迹。
6.根据权利要求5所述的计算机实现方法，
其中，被指派给在第一时间点t1从所述标称轨迹岔开的第一中止轨迹/>的权重w1高于被指派给在晚于所述第一时间点t1的第二时间点t2从所述标称轨迹/>岔开的第二中止轨迹/>的权重w2。
7.根据权利要求6所述的计算机实现方法，
其中，被指派给中止轨迹的所述集合的在时间上随后的中止轨迹的权重wi逐渐减小。
8.根据权利要求2或3所述的计算机实现方法，
其中，除非满足以下条件之一，否则将所述标称轨迹确定为要输出到车辆控制模块的输出轨迹：
(i)所述标称轨迹被证明是不安全的；以及
(ii)到达时间点ti，在该时间点ti，所有随后的中止轨迹中的最后的中止轨迹从所述标称轨迹/>岔开，并且所述标称轨迹/>未被确认为是安全的；
并且其中，如果满足条件(i)和(ii)之一，则将中止轨迹的所述集合的中止轨迹中的一个中止轨迹确定为所述输出轨迹。
9.根据权利要求8所述的计算机实现方法，
其中，如果满足条件(i)，则将第一可用的中止轨迹确定为所述输出轨迹，其中，所述第一可用的中止轨迹在确认满足条件(i)之后的最早时间点从所述标称轨迹岔开。
10.根据权利要求8所述的计算机实现方法，
其中，如果满足条件(ii)，则将所有随后的中止轨迹中的最后中止轨迹确定为所述输出轨迹。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的计算机实现方法，
其中，所述单个优化过程包括约束非线性优化过程。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的计算机实现方法，
其中，所述单个优化过程被迭代地执行。
13.一种计算机系统，所述计算机系统包括多个计算机硬件部件，所述多个计算机硬件部件被配置为执行根据权利要求1至12中任一项所述的计算机实现方法的步骤。
14.一种车辆(11)，所述车辆(11)包括根据权利要求13所述的计算机系统。
15.一种非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质包括用于执行根据权利要求1至12中任一项所述的计算机实现方法的指令。
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