一种铰接车辆转向控制方法及装置与流程

1.本发明涉及一种铰接车辆转向控制方法及装置，属于智能驾驶控制技术领域。


背景技术：

2.自动驾驶作为科技前沿领域，一直是国内外科技发展的热门选项，随着人工智能等技术的进步，自动驾驶汽车逐渐变为现实。环境感知作为自动驾驶的第一环节，利用传感器获取道路、车辆位置和障碍物等周围环境信息，并将这些信息提供给车载控制中心，使车辆更好地模拟人类驾驶员的感知能力，理解自身和周边的驾驶态势，做出正确的驾驶行为决策，实现车辆的自动驾驶。
3.在现有环境感知模块中，基于激光雷达的环境感知技术被普遍应用。利用激光雷达扫描周围环境得到大量点云数据，通过对点云数据的处理获取目标障碍物的位置、速度、形状等特征量，实现车辆与周围环境的信息交互，引导车辆做出正确的驾驶行为决策。然而在大量的点云数据中，有很多障碍物数据距离车辆较远，对车辆的行驶并不造成影响，因此为了提高运算速度，需要对车辆的目标区域进行划分，只挑出目标区域内的障碍物点云数据进行计算。
4.现有技术中对车辆目标区域的划分一般都是通过识别道路上的车道线或者其他边界信息，但是这种方法在无车道线或道路边界信息情况下，无法对障碍物信息进行有效过滤。为此，有人提出以车辆的车头为坐标原点，通过计算后划分出车辆的目标区域，进而对障碍物数据进行筛选，但是对于铰接车辆这种大型的车辆而言，在铰接车辆转向的情况下，铰接车辆前、后车体不在同一条直线，这种方法无法兼顾后车体，目标区域划分的误差较大，导致车辆出现判断失误，不能很好地满足车辆的行为决策需求。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种铰接车辆转向控制方法，用以解决现有目标区域划分方法不准确而导致车辆行为决策失误的问题；同时还提出一种铰接车辆转向控制装置，用以解决现有目标区域划分方法不准确而导致车辆行为决策失误的问题。
6.为实现上述目的，本技术提出了一种铰接车辆转向控制方法的技术方案，包括以下步骤：
7.1)铰接车辆转向时，获取前车体和后车体的铰接角、以及障碍物信息；所述障碍物信息为车辆坐标系下的全部障碍物信息；
8.2)确定一个转向坐标系，转向坐标系的坐标原点为前车体中心点横向延长线和后车体中心点横向延长线的交点；
9.3)根据铰接角确定前车体的转向半径和后车体的转向半径；
10.4)根据前车体的转向半径确定最小半径；根据后车体的转向半径确定最大半径，以所述坐标原点为圆心，将最小半径扫过的扇形区域和最大半径扫过的扇形区域之间的扇环区域确定为目标区域；
11.5)将所述障碍物信息转换到所述转向坐标系，从而定位在目标区域中的障碍物或障碍物部分，进而进行铰接车辆的转向控制。
12.另外，本技术还提出一种铰接车辆转向控制装置的技术方案，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现上述铰接车辆转向控制方法的技术方案。
13.本发明的铰接车辆转向控制方法及装置的技术方案的有益效果是：本发明在铰接车辆转向时，根据前车体中心点和后车体中心点建立前车体和后车体的统一坐标系，并将障碍物信息转化在该坐标系下，同时在该坐标系下进行障碍物目标区域的划分，兼顾了障碍物对于不在一条直线上行驶的前车体和后车体的影响，保证了目标区域划分的准确，进而引导铰接车辆做出正确的行为决策，保证铰接车辆转向的安全性。
14.进一步的，上述铰接车辆转向控制方法及装置中，为了提高转向控制的准确性，还包括以下步骤：计算目标区域中的障碍物或障碍物部分的边界点距离铰接车辆的弧长，找出弧长最小值对应的点，并且根据该点的弧长计算出该点距离铰接车辆的实际横向距离、实际纵向距离。
15.进一步的，上述铰接车辆转向控制方法及装置中，若实际纵向距离小于纵向距离下限时，控制铰接车辆停车制动；若实际横向距离大于横向距离下限、且实际纵向距离大于纵向距离下限、且满足本车道行驶时，控制铰接车辆避障返回；若实际横向距离大于横向距离下限、且实际纵向距离大于纵向距离下限、且不满足本车道行驶时，控制铰接车辆避障换道。
16.进一步的，上述铰接车辆转向控制方法及装置中，为了更加精确的得到前车体的转向半径和后车体的转向半径，车体的转向半径和后车体的转向半径的计算过程为：
17.r_f＝(l_f*cosγ l_r)/(sinγ)；
18.r_r＝(l_f l_r*cosγ)/(sinγ)；
19.其中，r_f为前车体的转向半径；r_r为后车体的转向半径；l_f为前车体中心点到铰接点的距离；l_r为后车体中心点到铰接点的距离；γ为铰接角。
20.进一步的，上述铰接车辆转向控制方法及装置中，为了准确的获得障碍物的信息，通过激光雷达获取障碍物信息。
21.进一步的，上述铰接车辆转向控制方法及装置中，为了简单、准确的确定最小半径，最小半径＝前车体的转向半径－前车体宽度/2。
22.进一步的，上述铰接车辆转向控制方法及装置中，为了简单、准确的确定最大半径，最大半径＝后车体的转向半径 后车体宽度/2。
附图说明
23.图1是本发明铰接车辆转向控制方法流程图；
24.图2是本发明铰接车辆基于转向坐标系的示意图；
25.图3是本发明目标区域示意图；
26.图4是本发明目标区域切割障碍物前的示意图；
27.图5是本发明目标区域切割障碍物后的示意图；
28.图6是本发明铰接车辆转向控制装置的结构示意图。
具体实施方式
29.铰接车辆转向控制方法实施例：
30.铰接车辆转向控制方法的主要构思在于，对于铰接车辆转向时，出现前车体和后车体不在一条直线上的情况，通过建立前车体和后车体统一的坐标系，可以准确的对整车的目标区域进行划分，提高了铰接车辆转向控制的安全性。
31.具体的，铰接车辆转向控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
32.1)铰接车辆转向时，获取前车体和后车体的铰接角、以及障碍物信息。
33.本步骤中，障碍物信息为通过激光雷达扫描周围的环境得到点云数据，对点云数据进行处理得到障碍物的位置、速度、形状等信息，并且这里的信息为车辆坐标系下(这里的车辆坐标系可以为前车体坐标系，也可以为后车体坐标系，由铰接车辆设定而定)的激光雷达能扫描到的全部障碍物信息；
34.前车体和后车体的铰接角γ可以通过转角传感器获得，或者为了铰接角γ更加准确可以通过实时计算得出，铰接角γ的获取为现有技术，这里不做过多赘述。
35.2)在实施步骤1)的同时，确定一个转向坐标系。
36.转向坐标系即为前车体和后车体统一的坐标系，如图2所示，根据前车体的坐标系和后车体的坐标系得到，前车体的坐标系o-x-y以前车体中心点为坐标原点o，前车体纵向行驶的方向为y轴，前车体横向行驶的方向为x轴；后车体的坐标系以后车体中心点为坐标原点，后车体的纵向行驶方向为y轴，后车体的横向行驶方向为x轴；转向坐标系o1-x1-y1的坐标原点o1为前车体中心点横向延长线和后车体中心点横向延长线的交点；后车体中心点与坐标原点o1连线形成横坐标x1，与横坐标x1垂直且朝向铰接车辆行驶方向的形成纵坐标y1。
37.3)根据步骤1)中得到的铰接角确定前车体的转向半径和后车体的转向半径。
38.图2中，γ为前车体和后车体的铰接角，n为铰接点，l_f为前车体到铰接点的距离，l_r为后车体到铰接点的距离，γ_f为前车体航向角，γ_r为后车体航向角，通过几何关系计算出前车体的转向半径r_f和后车体的转向半径r_r：
39.r_f＝(l_f*cosγ l_r)/(sinγ)；
40.r_r＝(l_f l_r*cosγ)/(sinγ)；
41.同时可以计算得到前车体中心点在转向坐标系下的坐标(f_cx，f_cy)和后车体中心点在转向坐标系下的坐标(r_cx，r_cy)：
42.f_cx＝r_f*cos(γ)；
43.f_cy＝r_f*sin(γ)；
44.r_cx＝r_r；
45.r_cy＝0。
46.4)根据步骤3)中得到的前车体的转向半径确定最小半径；根据步骤3)中得到的后车体的转向半径确定最大半径，根据最小半径和最大半径确定目标区域。
47.目标区域即为影响铰接车辆转向行驶的障碍物所在的区域，也可以说是一个范围，那么需要找出这个范围的边界以准确的划分出目标区域；
48.边界对应的即为铰接车辆转向时，以转向坐标系的坐标原点为原点的最小半径和最大半径扫过的区域边界，将最小半径扫过的扇形区域和最大半径扫过的扇形区域之间的
扇环区域确定为目标区域。
49.最大半径和最小半径可以通过计算得出，如图3所示，图中w_f为前车体宽度，w_r为后车体宽度，则目标区域对应的最小半径r_in和最大半径r_out为：
50.r_in＝r_f-w_f/2；
51.r_out＝r_r w_r/2；
52.实际计算过程中可根据实际场景通过最大半径、最小半径调整扇环区域的大小。
53.5)将步骤1)中获取的障碍物信息转换到转向坐标系，从而定位在目标区域中的障碍物或障碍物部分。
54.为了准确的进行后续的步骤，将障碍物信息进行坐标转换，从车辆坐标系转换为转向坐标系，通常是将障碍物的位置信息进行坐标转换，例如：车辆坐标系下障碍物的坐标为(x，y)，按照运动学关系转化为转向坐标系下的坐标为(x_o，y_o)，转换关系如下：
55.当γ＞0时，x_o＝-x*sin(γ)-y*cos(γ) f_cx；
56.y_o＝x*cos(γ)-y*sin(γ) f_cy；
57.当γ＜0时，x_o＝-(-x*sin(γ) y*cos(γ) f_cx；
58.y_o＝x*cos(γ) y*sin(γ) f_cy。
59.为了对步骤1)中得到的全部障碍物信息进行过滤，定位目标区域中的障碍物和障碍物部分，将转向坐标系下的障碍物信息进行分割，分割的思路为，求出目标区域的曲线方程和障碍物的直线方程的交点，这些交点即为切割的分界线，具体如下：
60.利用上述得出的最小半径r_in和最大半径r_out得到目标区域以转向坐标的坐标原点为圆心的内圈和外圈的曲线方程；
61.x2 y2＝r_in2；
62.x2 y2＝r_out2；
63.内圈对应附图4、图5的a曲线，外圈对应附图4、图5的b曲线，图中obs1、obs2、obs3、obs4、obs5是激光雷达获取的不同形状的障碍物信息，每个障碍物对应有4个顶点，通过四个顶点信息求出障碍物的4条边的直线方程，两点确定一条直线，例如：点(x1,y1)，点(x2,y2)确定的直线方程为：
64.(y-y2)/(y1-y2)＝(x-x2)/(x1-x2)；
65.求得内、外圈的曲线和直线方程的交点，将得到的交点替换目标区域外的点，进而定位目标区域中的障碍物和障碍物部分。例如：障碍物obs1在转向坐标系下四个顶点坐标为m1(-24,4)，m2(-24,6)，m3(-17,6)，m4(-17,4)，则目标区域中的障碍物obs1部分的顶点坐标为n1(-21.63,4)，n2(-21.17,6)，n3(-19.08,6)，n4(-19.6,4)。
66.6)根据步骤5)中的目标区域中的障碍物或障碍物部分进行铰接车辆转向的控制。
67.从附图4和附图5看出，障碍物的形状各不相同并且有一定的大小，因此需要找出障碍物中离铰接车辆最近的点，以最近的点的位置信息为判断车辆转向控制的依据，具体为：
68.a.计算目标区域中的障碍物或障碍物部分的边界点距离铰接车辆的弧长，由于障碍物一般在铰接车辆的前方，那么距离铰接车辆的弧长也即距离前车体的弧长。以转向坐标系下的某个点的坐标为(x_o，y_o)，半径为为例说明弧长的求解过程，某个点(x_o，y_o)到与前车体的夹角θ＝cos-1
((x_o*r y_o*0)/(r*r))，则
该点到前车体的弧长d＝r*θ；
69.b.得到所有边界点距离铰接车辆的弧长后，找出弧长最小值对应的点，并且根据该点的弧长计算出该点距离铰接车辆的实际横向距离l
lat
、实际纵向距离l
lon
：
70.l
lon
＝min(d)
71.l
lat
＝r
min(d)-r
veh
72.其中：l
lat
有正有负，为正表示障碍物最近点在车辆左侧，为负表示障碍物最近点在车辆右侧。
73.c.根据得到的实际横向距离l
lat
和实际纵向距离l
lon
进行铰接车辆转向的控制，铰接车辆转向的控制包括停车制动、避障换道和避障返回；
74.设定最小横向距离(即横向距离下限)为lat_min，最小纵向距离(即纵向距离下限)为lon_min，若l
lon
<lon_min，控制铰接车辆停车制动；若l
lon
>lon
min
、且l
lat
>lat_min、且满足在本车道行驶时，控制铰接车辆避障返回；若l
lon
>lon_min、且l
lat
>lat_min、且不满足本车道行驶时，控制铰接车辆避障换道。
75.上述实施例中，步骤1)中通过激光雷达获取障碍物的第一信息，作为其他实施方式，也可以采用超声波传感器、红外传感器获取障碍物的第一信息，本发明对此不做限制。
76.上述实施例中，对于步骤4)中目标区域的最小半径和最大半径是根据前车体宽度和后车体宽度计算得到的，可以更好的满足车辆的需求，作为其他实施方式，也可以根据需要进行设定，比如为了避免移动的障碍物对车辆控制的影响，将目标区域进行扩大等。
77.上述实施例中，步骤6)中为了控制的准确性，将障碍物信息距离铰接车辆最近的点找出，作为其他实施方式，在障碍物非常小的情况下，也可以任选障碍物的其中一个点作为车辆控制的依据，本发明对此不做限制。
78.本发明通过统一前车体和后车体的坐标系，解决了车辆不在一条直线上行驶时的准确的目标区域的划分，从而引导车辆做出正确的行为决策，提高车辆转向控制的安全性。
79.铰接车辆转向控制装置实施例：
80.铰接车辆转向控制装置，如图6所示，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现铰接车辆转向控制方法。
81.铰接车辆转向控制方法的具体实施过程以及效果在上述铰接车辆转向控制方法实施例中介绍，这里不做赘述。
82.也就是说，以上铰接车辆转向控制方法实施例中的方法应理解可由计算机程序指令实现方法的流程。可提供这些计算机程序指令到处理器(如通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备等)，使得通过处理器执行这些指令产生用于实现上述方法流程所指定的功能。
83.本实施例所指的处理器是指微处理器mcu或可编程逻辑器件fpga等的处理装置；
84.本实施例所指的存储器用于存储实现铰接车辆转向控制方法而形成的计算机程序指令，包括用于存储信息的物理装置，通常是将信息数字化后再以利用电、磁或者光学等方式的媒体加以存储。例如：利用电能方式存储信息的各式存储器，ram、rom等；利用磁能方式存储信息的的各式存储器，硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、u盘；利用光学方式存储信息的各式存储器，cd或dvd。当然，还有其他方式的存储器，例如量子存储器、石墨
烯存储器等等。
85.通过上述存储有实现铰接车辆转向控制方法而形成的计算机程序指令的存储器、处理器构成的铰接车辆转向控制装置，在计算机中由处理器执行相应的程序指令来实现，计算机可使用windows操作系统、linux系统、或其他，例如使用android、ios系统程序设计语言在智能终端实现，以及基于量子计算机的处理逻辑实现等。
86.作为其他实施方式，铰接车辆转向控制装置还可以包括其他的处理硬件，如数据库或多级缓存、gpu等，本发明并不对铰接车辆转向控制装置的结构做具体的限定。