【文章內(nèi)容簡介】 ][19][20]。 隨著計(jì)算機(jī)、傳感器及控制技術(shù)的發(fā)展，各種不同道路中路徑規(guī)劃已經(jīng)成為智能車研究的新熱點(diǎn) 。本文所研究的方向主要是如城市，高速公路等結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境中 如何使用雷達(dá)傳感器為路徑規(guī)劃獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，以及智能車的局部路徑 規(guī)劃 算法。 本文要解決的 問題 目前， 軍用 智能車路徑規(guī)劃的研究無論在軟件還是硬件上都有很大的發(fā)展空間，軟件方面需要改進(jìn)、完善路徑規(guī)劃的相關(guān)算法，硬件方面需要不斷提高處理器計(jì)算能力、傳感器的性能等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成電路技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理器 （ DSP） 及大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷娘w速發(fā)展，基于雷達(dá)的環(huán)境感知系統(tǒng)更加廣泛的運(yùn)用于 智能車自主 駕駛領(lǐng)域，從而使路徑規(guī)劃能夠更準(zhǔn)確和合理，也是未來 軍 用 智能車輛發(fā)展的趨勢。 但是，由于雷達(dá)本身原理上所固有的以及外部環(huán)境等因素的影響， 通常存在 道路邊界識(shí)別精度差，效率 低 等狀況。同時(shí)在智能車行駛 實(shí)時(shí)規(guī)劃過程中，也經(jīng)常遇到 實(shí)時(shí)性差，計(jì)算量大，控制抖動(dòng)太大等問題。這些問題都是制約智能車環(huán)境識(shí)別與決策的重要因素，也是本文所要解決的主要問題。 課題研究意義 軍用智能車研究的最終目標(biāo)，是要在如越野道路，高速公路中 完成車輛完全自主駕駛的行為。 在以往的研究中，作者所在項(xiàng)目組已經(jīng)掌握了智能車許多關(guān)鍵技術(shù)，在利用攝像頭對(duì)交通標(biāo)志識(shí)別，車道線識(shí)別和車輛控制等方面已經(jīng)達(dá)到國內(nèi) 先進(jìn)水平。最近幾年，隨著自主導(dǎo)航、輔助駕駛等研究與應(yīng)用的日益增多，由于受到光照、角度、實(shí)時(shí)性等局限性因素的制約和某些障第一章 緒論 11 礙物顏色偽裝性的影響，僅僅依靠攝像頭進(jìn)行路面和障礙物識(shí)別 [21][22]已經(jīng)不能滿足項(xiàng)目組智能車輛環(huán)境感知要求。 如何基于雷達(dá)提供的環(huán)境距離信息，規(guī)劃智能車行駛路線，有效躲避障礙物已經(jīng)成為項(xiàng)目組乃至我國智能車研究的新熱點(diǎn)。我國在此方面的研究雖然已經(jīng)取得一定成果，但由于起步較晚，在研究和應(yīng)用領(lǐng)域都落后于一些西方國家，有些方面還沒完全實(shí)用。因此，智能車路徑規(guī)劃的研究仍具有一定的理論意義和工程應(yīng)用 意義。 目前，為增強(qiáng)智能車對(duì)道路環(huán)境的適應(yīng)性，項(xiàng)目組正著手雷達(dá)相關(guān)技術(shù)的研究，本文就是在研究過程中，提出的一種基于激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)智能車路徑規(guī)劃的新方法。它有效的彌補(bǔ)了攝像頭在智能車環(huán)境感知中的 局限性 ， 并解決了道路規(guī)劃過程中計(jì)算量過大的問題， 是智能交通及自主 駕駛技術(shù)的核心技術(shù)之一。 下一步項(xiàng)目組將進(jìn)行越野路面基于多傳感器融合的路徑規(guī)劃算法研究 。 論文研究的主要內(nèi)容 作者所在的項(xiàng)目組目前正致力于 JJUV2 猛士 軍用 智能車的研究當(dāng)中。 并以參加 ―2022 中國智能車未來挑戰(zhàn)賽 ‖為具體應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)一套滿足實(shí)際應(yīng)用需 求的硬件和軟件系統(tǒng)。 目前該車已經(jīng)能夠基本完成如高速，城市道路等結(jié)構(gòu)化道路直行、避障、轉(zhuǎn)彎行駛和停車入庫等任務(wù)。 本文研究的是結(jié)構(gòu)化道路中，基于 SICK 激光雷達(dá)的道路信息路徑規(guī)劃算法，是本項(xiàng)目組智能車研究的一部分。本文重點(diǎn)研究了 以下 內(nèi)容：如何運(yùn)用雷達(dá)提供的距離信息為路徑規(guī)劃提供可行使區(qū)域，提出了改進(jìn)投票法對(duì)道路可行使區(qū)域的識(shí)別方法；如何建立路徑規(guī)劃環(huán)境地圖，提出了可變尺度柵格圖環(huán)境建模 方法；如何搜索車輛 行駛路徑，提出了 A*算法在柵格圖中的運(yùn)用方法。 本文基于穩(wěn)定性的思想，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化道路上信息的實(shí)時(shí)、魯棒檢測與 分析。針對(duì)具體問題，本文分以下幾個(gè)章節(jié)進(jìn)行研究： 第一章 緒論。論述了智能 車 路徑規(guī)劃算法的概念，內(nèi)容 、研究意義及 國內(nèi)外研究情況等，并針對(duì)目前存在的問題介紹本文研究的主要內(nèi)容和框架。 第一章 緒論 12 第二章 基于激光雷達(dá)的 車載平臺(tái)設(shè)計(jì) 。介紹了 SICK 雷達(dá)識(shí)別平臺(tái)和安裝方法，確定了路面及障礙物識(shí)別 的方法 ，最后重點(diǎn)介紹了用 改進(jìn) 投票法來識(shí)別道路可行使區(qū)域并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 ，為后文路徑規(guī)劃算法提供了有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ) 。 第三章 道路 環(huán)境建模 方法 研究 。 依據(jù)駕駛員視覺認(rèn)知程度的特點(diǎn)，對(duì) 傳統(tǒng)柵格法 加 以改進(jìn) ， 提出了 變尺度柵格法 并分析了它 的內(nèi)容和特點(diǎn) ，重點(diǎn)對(duì)比 了 兩者的時(shí)間復(fù)雜 程度 ， 此處為本文創(chuàng)新點(diǎn) 。 第四章 路徑搜索 算法 分析 。介紹了 A*算法的內(nèi)容 和原理 ，提出了估價(jià)函數(shù) 的概念 ，詳細(xì)論述了 A*算法在變尺度柵格圖中路徑 搜索 的運(yùn)用。 第五章 試驗(yàn)與分析。編制算法軟件，進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，分析試驗(yàn)結(jié)果，得出試驗(yàn)結(jié)論。 第六章 總結(jié)與展望?？偨Y(jié)本文工作，指出本文工作的局限性，存在的問題以及未來改進(jìn)的方向。第二章 基于激光雷達(dá)的車載平臺(tái)設(shè)計(jì) 13 第二章 基于激光雷達(dá)的 車載 平臺(tái)設(shè)計(jì) 工作在紅外和可見光波段的雷達(dá)稱為 激光 雷達(dá) [23]。 本章是以 JJUV2 軍用猛士越野汽車作為雷達(dá)承載移動(dòng)平臺(tái)，研究基于 SICK 公司生產(chǎn)的 LMS291二維激光雷 達(dá) （以下簡稱 SICK 雷達(dá)） 掃描數(shù)據(jù)的 結(jié)構(gòu)化道路 路徑規(guī)劃 平臺(tái)設(shè)計(jì) 。 車載激光雷達(dá)主要參數(shù)及基本數(shù)據(jù) 軍用 智能車車載平臺(tái)介紹 本文所研究的 軍用 智能車平臺(tái)為如圖所示的 JJUV2 軍用猛士越野車改裝而成，車長 米 ，車寬 米 ，該車具有十分強(qiáng)勁的驅(qū)動(dòng)力和越障能力，如圖 。 圖 猛士 智能車 及車身傳感器 （ 1攝像頭 ， 2激 光雷達(dá) ， 3 GPS及慣導(dǎo) ， 4速度傳感器 ） 猛士汽車車身是整個(gè)智能車運(yùn)動(dòng)控制的核心承載平臺(tái)，其內(nèi)部裝有各種傳感器和控制設(shè)備，包括電源電池、中控電腦、慣導(dǎo)、 GPS 裝置、攝像頭，雷達(dá)，速度傳感器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及通訊網(wǎng)絡(luò)。 SICK 激光雷達(dá)作為其主要的環(huán)境識(shí)別傳感器，用來識(shí)別車輛前方道路可行使路面及障礙物的分布情況 ，為路徑規(guī)劃的研究提供有效的數(shù)據(jù)條件 。在以往的研究中激光雷達(dá)主要用于輔1 3 2 4 第二章 基于激光雷達(dá)的車載平臺(tái)設(shè)計(jì) 14 助駕駛和車身姿態(tài)感知，得到的環(huán)境信息有限。本文嘗試提出了一種基于 SICK激光雷達(dá)距離數(shù)據(jù)的新的 路徑規(guī)劃方法 。 激光雷達(dá)的選用 圖 SICK 激光雷達(dá) 為使智能車快速而準(zhǔn)確地獲得未知環(huán)境中障礙物的距離，選擇 SICK 激光雷達(dá)中型號(hào)為 LMS291 二維激光雷達(dá)作為主要感知傳感器，如圖 所示 。它由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)和 信息處理系統(tǒng) 等部分組成，激光器將電 脈沖 變成光脈沖發(fā)射出去，光接收機(jī)再把從目標(biāo)反射回來的光脈沖還原成電脈沖，信息處理系統(tǒng)將電脈沖解碼并輸出。該雷達(dá)具有測速快、 精度高、不易受環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)，它采用飛行時(shí)間測距原理來測量前方障礙物的距離。其計(jì)算公式為： 2/cd ??? ? () 其中 d 為障礙物到激光雷達(dá)的距離， ?? 為發(fā)射光束與從障礙物表面反射回來的反射光束之間的時(shí)間差， c 為光速，參考值為 smc / 8?? 。 車載激光雷 達(dá)系統(tǒng)的參數(shù)要求主要包括探測距離范圍要求、探測角度范圍要求、測量精度要求及溫度適用范圍、抗振、抗干擾等可靠性方面的要求。經(jīng)過具體環(huán)境實(shí)測，一般城市結(jié)構(gòu)化道路寬度不超過 m30 ，根據(jù)車輛大小、速度要求，要完成結(jié)構(gòu)化道路避障行駛，智能車所必須探測的最小區(qū)域必須滿足如下兩式： mLm 801 ?? () mD 300 ?? () 第二章 基于激光雷達(dá)的車載平臺(tái)設(shè)計(jì) 15 其中 L 為前方道路縱向長度， D 為橫向一側(cè)的寬度，本實(shí)驗(yàn)所選用的LMS291 二維激光雷達(dá)完全滿足以上要求。該雷達(dá)水平分辨率達(dá) mm10 ，掃描范圍 ?90??? ， 掃描間隔 為 ? ， 對(duì)應(yīng)掃描頻率最快 HZ75 ，最遠(yuǎn)探測距離可達(dá) m80 。它 利用電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，完成一周的掃描，其識(shí)別范圍能夠覆蓋整個(gè)區(qū)域，如 圖 所示。 圖 雷達(dá)的掃描范圍 激光雷達(dá)的安裝 二維激光雷達(dá)作為智能車主要感知系統(tǒng)之一，它的一個(gè)重要運(yùn)用就是感知車輛前方道路信息。然而通過自身掃描僅僅只能檢測與安裝平面相垂直的平面上的障礙物信息，這些信息對(duì)智能車 路徑規(guī)劃 來說還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，在這樣的情況下本章 利用加裝云臺(tái)的方法來實(shí)現(xiàn)面掃描。 激光 雷達(dá)掃描方式設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)化道路是指地面平坦，坡度較小，具有較明顯分道線或道路邊界的公路 [24]， 如高速公路，城市中的主要干道等。為了實(shí)現(xiàn) SICK 激光雷達(dá)對(duì)結(jié)構(gòu)化道路可行使區(qū)域和路面障礙物的識(shí)別要求，本文設(shè)計(jì)了兩套方案，固定雷達(dá)角度掃描與安裝云臺(tái)支架擺動(dòng)掃描。前者是把雷達(dá)固定角度安裝在車輛正前方，雷達(dá)只能掃描與車頭縱向距離固定的路面情況，對(duì)路面是線掃描，如圖 。后者是對(duì)其安裝云臺(tái)支架，加裝俯仰掃描裝置，通過俯仰角度的變化來實(shí)現(xiàn)不同平面上的掃描，從而完成對(duì)前方路面的面掃描，如圖 。 第二章 基于激光雷達(dá)的車載平臺(tái)設(shè)計(jì) 16 圖 固定雷 達(dá)角度掃描 圖 安裝云臺(tái)擺動(dòng)掃描 雷達(dá)固定角度安裝時(shí)，只能掃描車前指定距離 路面可行駛區(qū)域，當(dāng)車輛向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，雷達(dá)掃描點(diǎn)也同時(shí)向前運(yùn)動(dòng)，本章 在算法中利用雷達(dá)掃描線向前運(yùn)動(dòng)及車輛自身向前運(yùn)動(dòng)，分析雷達(dá)掃描軌跡數(shù)據(jù)，構(gòu)建車輛前方道路數(shù)據(jù)，最終判斷路面可行駛區(qū)域。 選擇該方案時(shí)，雷達(dá)安裝較簡單，掃描實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，雷達(dá)自身掃描時(shí)的動(dòng)態(tài)誤差僅受車輛運(yùn)動(dòng)影響，誤差較小。但是該方法也有很大缺陷，一是該方法需要結(jié)合車輛自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)記錄道路識(shí)別數(shù)據(jù)，由于雷達(dá)檢測距離較遠(yuǎn)，車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)不穩(wěn)定因素較多，而在 記錄數(shù)據(jù)的過程中這些誤差會(huì)不斷積累，數(shù)據(jù)持續(xù)漂移導(dǎo)致最終誤差較大；二是車輛在直角轉(zhuǎn)彎后，由于雷達(dá)視角問題會(huì)產(chǎn)生掃描盲區(qū)，如圖 所示。因此該方法不可取。 圖 轉(zhuǎn)彎時(shí)雷達(dá)掃描盲區(qū) 安裝云臺(tái)支架擺動(dòng)掃描時(shí)，通過云臺(tái) 垂直方向擺動(dòng)和雷達(dá)自身水平方向掃描，識(shí)別范圍可以覆蓋整個(gè) 路面 ，再通過雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)分析識(shí)別可行使區(qū)域。該方法不會(huì)造成誤差積累，可以隨時(shí)檢測路面動(dòng)態(tài)。但也有缺點(diǎn)，云臺(tái)縱向擺動(dòng) 會(huì)使 雷達(dá)數(shù)據(jù) 產(chǎn)生抖動(dòng) ，且 云臺(tái)擺動(dòng)速度直接影響環(huán)境數(shù)據(jù)獲取頻率，從而制約 車輛速度，這些問題需要在算法上進(jìn)一步處理。綜上所述 ，本第二章 基于激光雷達(dá)的車載平臺(tái)設(shè)計(jì) 17 實(shí)驗(yàn)采用第二種方法。 圖 云臺(tái)俯仰掃描裝置 圖 。該裝置長 mm184 ，寬 mm135 ，厚mm10 ，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)雷達(dá)做縱向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。云臺(tái)的前端是二維激光雷達(dá)的安裝架，主要作用是通過凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)雷達(dá)上下掃描，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的俯仰角變化。云臺(tái)后端的安裝支架使得 激光雷達(dá)在掃描的時(shí)候能夠保持相對(duì)比較固定的姿態(tài)，從而按要求完成 二 維環(huán)境的掃描。該裝置可以實(shí)現(xiàn) 縱向 ?45 范圍的擺動(dòng) 掃描， 且 頻率可調(diào)，最大掃描頻率 HZ5 。 凸輪 轉(zhuǎn)動(dòng)?360 ， 云臺(tái)完成一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)。此系統(tǒng)靜態(tài)時(shí)掃描得到 的 數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，但在非平整地面上動(dòng)態(tài)掃描時(shí)，由于 云臺(tái)擺動(dòng)和地面 環(huán)境比較復(fù)雜等因素 影響，掃描結(jié)果將存在很大的差異，在 本章 后面的 論述 中本文 將對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)處理。 SICK 激光雷達(dá)的安裝 在城市結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境中，障礙物定義為車輛不能通過的區(qū)域，本實(shí)驗(yàn)中 采用 軍用 猛士越野車 ，該車可以輕易越過 cm20 左右的臺(tái)階。因此，雷達(dá)的安裝必須要滿足如下兩個(gè)條件： 必須能夠穩(wěn)定掃描到 cm20 以上的障礙物體。 所掃描的有效區(qū)域必須滿足或大于 () ()兩式的約束范圍。 經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，雷達(dá)安裝位于車頭正前方，據(jù)地面 cm30 處，云臺(tái)擺動(dòng)角度為 ?30 ，頻率為 HZ5 ，雷達(dá)頻率設(shè)定為 HZ75 ，如圖 。 第二章 基于激光雷達(dá)的車載平臺(tái)設(shè)計(jì) 18 圖 SICK 雷達(dá)安裝示意圖 安裝此位置有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 能夠最大限度的看到車輛前方障礙物信息，能 夠 識(shí)別 最低 距離地面cm20 ， 最遠(yuǎn)距離車身 m80 的障礙物，且受車身晃動(dòng)的影響較小。 雷達(dá)所檢測的障礙物位置坐標(biāo)系同無人駕駛車所在的世界坐標(biāo)系重合，減少坐標(biāo)位置計(jì)算的復(fù)雜程度。 道路 環(huán)境信息 的 獲取 環(huán)境信息獲取概述 路徑規(guī)劃的前提條件就是獲得可靠的環(huán)境信息。 環(huán)境信息的 獲取就是環(huán)境的感知 ， 它主要是利用有關(guān)的環(huán)境傳感器和定位定向傳感器來確定車輛與道路、障礙物的相互關(guān)系，以及車輛相對(duì)于全局導(dǎo)航坐標(biāo)系的位置、速度、方向等信息。這些信息是自主駕駛系統(tǒng)進(jìn)行路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在車載傳感器主要有 CCD攝像機(jī)，雷達(dá)， GPS，車速傳感器，姿態(tài)傳感器等。 智能車的研究 主要 是依靠攝像機(jī) 、雷達(dá) 和 GPS。近年來由于激光雷達(dá)技術(shù)的成熟，它測量速度快，發(fā)散小，對(duì)大多數(shù)物體基本沒有鏡面反射等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)逐步被人們所 重視 ，許多研究機(jī)構(gòu)及公司競相研制雷達(dá)的相關(guān)技術(shù)。在今后的研究中激光雷達(dá)將成為智能車環(huán)境感知的主 要手段。 激光雷達(dá)在環(huán)境感知中的應(yīng)用主要有 3個(gè)方面，即障礙物檢測 [25]，道路檢測及地圖匹配 [26]、越野行駛時(shí)建立地形圖 [27]。 為有效的實(shí)現(xiàn)雷達(dá)環(huán)境感知的能力，科研人員提出了許多應(yīng)用方法。清華大學(xué)李云種等人提出了一種應(yīng)用第二章 基于