路径规划方法和装置、车辆和可读存储介质与流程

1.本技术涉及图像技术领域，特别涉及一种路径规划方法、路径规划装置、车辆和计算机可读存储介质。


背景技术：

2.随着人工智能的发展，已经出现无人驾驶车辆，使得驾驶员解放出来。目前的自动驾驶车辆，大多根据道路参考线规划出路线，一般是对道路参考线进行密集采样，然后通过中间插值得到完整路径，最后生成一条沿着道路参考线或者偏离道路参考线一定距离的路径，生成的路径的安全性较低。


技术实现要素：

3.本技术的实施方式提供了一种路径规划方法、路径规划装置、车辆和计算机可读存储介质。
4.本技术实施方式的路径规划方法包括获取基于道路参考线生成的参考路径的多个路径点；根据所述路径点，计算多个初始控制点；基于目标函数、边界约束和曲率约束，调整所述初始控制点，以生成目标控制点；根据所述目标控制点生成最终路径。
5.在某些实施方式中，所述根据所述路径点，计算多个初始控制点，包括：根据所述路径点和对应的多个所述控制点的第一方程、及所述参考路径的导数和对应的多个所述控制所述控制点的第二方程，计算多个所述控制点。
6.在某些实施方式中，所述基于目标函数、边界约束和曲率约束，调整所述初始控制点，以生成目标控制点，包括：输入所述控制点、所述目标函数、所述边界约束和所述曲率约束至预设的优化器，以输出使得所述目标函数的输出值最小的多个目标控制点。
7.在某些实施方式中，所述目标函数包括第一部分、第二部分、第三部分和第四部分，所述第一部分为与所述参考路径的距离最小代价，所述第二部分为道路居中代价，所述第三部分为路径二阶平滑性代价，所述第四部分为路径三阶平滑性代价。
8.在某些实施方式中，所述边界约束包括边界范围，所述边界约束用于使得所述控制点位于对应的边界范围内，所述控制点对应的所述边界范围根据道路边界和障碍物中至少一种生成。
9.在某些实施方式中，所述边界约束还包括起始点约束和/或终止点约束，所述起始点约束用于使得所述最终路径的起点位于预设起点位置，所述终止点约束用于使得所述最终路径的终点位于所述预设终点位置。
10.在某些实施方式中，所述曲率约束包括曲率范围，所述曲率约束用于使得所述路径点的曲率位于所述曲率范围内。
11.在某些实施方式中，所述路径规划方法还包括获取所述路径点在所述道路参考线上对应的参考点的曲率；根据所述参考点的曲率及所述控制点计算上所述路径点的曲率。
12.在某些实施方式中，所述根据目标控制点生成最终路径，包括：根据预设曲线参数
方程和目标控制点生成路径函数，所述预设曲线参数方程包括均匀b样条曲线；及根据所述路径函数生成所述最终路径。
13.本技术实施方式的路径规划装置包括第一获取模块、第一计算模块、调整模块和生成模块。所述获取模块用于获取基于道路参考线生成的参考路径的多个路径点；所述计算模块用于根据所述路径点，计算多个初始控制点；所述调整模块用于基于目标函数、边界约束和曲率约束，调整所述初始控制点，以生成目标控制点；所述生成模块用于根据所述目标控制点生成最终路径。
14.本技术实施方式的车辆包括处理器。所述处理器用于获取基于道路参考线生成的参考路径的多个路径点；根据所述路径点，计算多个初始控制点；基于目标函数、边界约束和曲率约束，调整所述初始控制点，以生成目标控制点；根据所述目标控制点生成最终路径。
15.本技术的一种包含计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序被一个或多个处理器执行时，使得所述处理器执行路径规划方法。所述路径规划方法包括获取基于道路参考线生成的参考路径的多个路径点；根据所述路径点，计算多个初始控制点；基于目标函数、边界约束和曲率约束，调整所述初始控制点，以生成目标控制点；根据所述目标控制点生成最终路径。
16.本技术实施方式的路径规划方法、路径规划装置、车辆和计算机可读存储介质，通过获取基于道路参考线生成的参考路径的多个路径点，并根据路径点生成多个控制点，然后再根据目标函数、边界约束和曲率约束来调整控制点，最后根据目标控制点生成最终路径，由于最终路径根据路径点的控制点生成，且满足边界约束和曲率约束，使得最终路径更为平滑，且更为远离障碍物，最终路径的安全性较好。
17.本技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本技术某些实施方式的路径规划方法的流程示意图；
20.图2是本技术某些实施方式的路径规划装置的模块示意图；
21.图3是本技术某些实施方式的车辆平面示意图；
22.图4是本技术某些实施方式的路径规划方法的流程示意图；
23.图5是本技术某些实施方式的路径规划方法的原理示意图；
24.图6至图8是本技术某些实施方式的路径规划方法的流程示意图；
25.图9和图10是本技术某些实施方式的路径规划方法的场景示意图；
26.图11是本技术某些实施方式的最终路径和参考路径的曲率分布图；和
27.图12本技术某些实施方式的处理器和计算机可读存储介质的连接示意图。
具体实施方式
28.以下结合附图对本技术的实施方式作进一步说明。附图中相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。另外，下面结合附图描述的本技术的实施方式是示例性的，仅用于解释本技术的实施方式，而不能理解为对本技术的限制。
29.在进行路径规划时，一般都是采集道路参考线进行密集采样，然后通过中间插值等方式得到完整路径，若道路参考线上存在障碍物或者道路较为曲折，则生成的路径不能很好的规避障碍物，且路径的平滑性较差，不利于驾驶安全。
30.请参阅图1至图3，本技术实施方式的路径规划方法包括以下步骤：
31.011：获取基于道路参考线生成的参考路径的多个路径点；
32.012：根据路径点，计算多个初始控制点；
33.013：基于目标函数、边界约束和曲率约束，调整初始控制点，以生成目标控制点；
34.014：根据目标控制点生成最终路径。
35.本技术实施方式的路径规划装置10包括第一获取模块11、第一计算模块12、调整模块13和生成模块14。第一获取模块11、第一计算模块12和生成模块14分别用于执行步骤011、步骤012、步骤013和步骤014。即，第一获取模块11用于获取基于道路参考线生成的参考路径的多个路径点；第一计算模块12用于根据路径点，计算多个初始控制点；调整模块13用于基于目标函数、边界约束和曲率约束，调整初始控制点，以生成目标控制点；生成模块14用于根据目标控制点生成最终路径。
36.本技术实施方式的车辆100包括处理器20。处理器20用于获取基于道路参考线生成的参考路径的多个路径点；根据路径点，计算多个初始控制点；基于目标函数、边界约束和曲率约束，调整初始控制点，以生成目标控制点；根据目标控制点生成最终路径。也即是说，步骤011、步骤012、步骤013和步骤014可以由处理器20实现。在其他实施方式中，车辆100与云端(图未示)连接，步骤011、步骤012、步骤013和步骤014可以由云端实现。
37.具体地，车辆100可内置当前区域的高精度地图，通过高精度地图获取道路参考线(如道路中心线)，车辆100可基于预设的路径生成算法，生成一条在frenet坐标系下的粗略的参考路径，然后获取参考路径上多个路径点，路径点包括第一距离和第二距离(分别表示(s,l))，第一距离s为车辆100位置向道路参考线作投影时的垂足点距道路参考线的起始点的弧长距离，第二距离l为车辆100位置和垂足点的法向距离。
38.然后处理器20根据多个路径点，可计算出多个控制点，每个路径点可由多个控制点确定。在本实施方式可通过均匀b样条曲线的参数方程和控制点生成路径，每个路径点可由2个控制点、3个控制点、4个控制点、5个控制点等确定。例如，参数方程为均匀3阶b样条曲线时，每个路径点由4个控制点确定，参数方程为均匀4阶b样条曲线时，每个路径点由5个控制点确定。如此，根据路径点和控制点之间的函数关系，能够根据路径点计算得到多个控制点。本技术实施方式以参数方程为均匀3阶b样条曲线为例进行说明，参数方程为均匀4阶b样条曲线、均匀5阶b样条曲线等时基本类似，在此不再赘述。
39.然后，处理器20基于目标函数、边界约束和曲率约束，来调整控制点。目标函数基于控制点生成，目标函数包括第一部分、第二部分、第三部分和第四部分，第一部分为与参考路径的距离最小代价，第二部分为道路居中代价，第三部分为路径二阶平滑性代价，第四
部分为路径三阶平滑性代价，在基于目标函数调整控制点后，会使得目标函数输出值最小，从而使得距离最小代价、道路居中代价、路径二阶平滑性代价和路径三阶平滑性代价综合达到最小。在基于边界约束和曲率约束调整控制点后，会使得控制点确定的路径点始终位于边界约束对应的边界范围内，且控制点确定的路径点的曲率位于曲率约束对应的曲率范围内。
40.处理器20根据目标控制点及均匀b样条曲线的参数方程，即可生成最终路径，最终路径满足边界约束和曲率约束，使得最终路径更为平滑，且更为远离障碍物，最终路径的安全性较好。
41.本技术实施方式的路径规划方法、路径规划装置10和车辆100，通过获取参考路径的多个路径点，并根据路径点生成多个控制点，然后再根据目标函数、边界约束和曲率约束来调整控制点，最后根据目标控制点生成最终路径，由于最终路径根据路径点的控制点生成，且满足边界约束和曲率约束，使得最终路径更为平滑，且更为远离障碍物，最终路径的安全性较好。
42.请参阅图2、图3和图4，在某些实施方式中，步骤012包括：
43.0121：根据路径点和对应的多个控制点的第一方程、及参考路径的导数和对应的多个控制点的第二方程，计算多个控制点。
44.在某些实施方式中，第一计算模块12还用于执行步骤0121。即，第一计算模块12还用于根据路径点和对应的多个控制点的第一方程、及参考路径的导数和对应的多个控制点的第二方程，计算多个控制点。
45.在某些实施方式中，处理器20还用于根据路径点和对应的多个控制点的第一方程、及参考路径的导数和对应的多个控制点的第二方程，计算多个控制点。也即是说，步骤0121可以由处理器20实现。
46.具体地，路径点为n个，在根据路径点计算多个控制点时，可根据每个路径点和用于确定该路径点的多个控制点之间的函数关系，建立n个第一方程：于确定该路径点的多个控制点之间的函数关系，建立n个第一方程：
47.其中，l0表示参考路径的起始点对应的路径点，l
i
表示参考路径中的路径点，l
n
‑1表示参考路径的终止点对应的路径点，q
i
表示控制点，i为自然数。
48.在均匀3阶b样条曲线中，控制点的个数比路径点的个数多2，因此，n个第一方程联立是无法解得n 2个控制点的，此时可根据参考路径的导数与对应的多个控制点的函数关系，再次建立第二方程，例如起始点的导数满足以下函数关系：系，再次建立第二方程，例如起始点的导数满足以下函数关系：其中，请参阅图5，δs为相邻两个路径点之间的距离，为预定数值。
49.路径点和用于确定该路径点的多个控制点之间的函数关系可根据均匀3阶b样条曲线的参数方程确定。b样条曲线的参数方程为：
50.51.其中，可得到b样条曲线的参数方程的q阶微分表达形式如下：
[0052][0053]
其中，如图5所示的在frenet坐标系下的路径图像，横坐标s为frenet坐标系下车辆100在路径上的投影时的垂足点距离路径的起点的弧长距离(即第一距离)，l为车辆100和垂足点的法向距离(即第二距离)；s位于上述参数方程确定的每一段曲线(如图5中l0l1、l1l2等)的起点和终点之间(如图5所示，s∈[s
i
，s
i 1
])，在确定s
i
对应的l
i
和s
i 1
对应的l
i 1
后，通过s在[s
i
，s
i 1
]内取值，即可得到曲线l
i
l
i 1
。
[0054]
m
k 1
矩阵中任意元素均可通过公式：计算得到；m
i，j
表示m
k 1
矩阵((k 1)
×
(k 1)的方阵)的第i，j个元素。因此，可以得到均匀三次b样条曲线的基础矩阵m4：
[0055][0056]
此外，
[0057]
b
(0)
＝[1 u u2u3ꢀ…ꢀ
u
k
]
t
；
[0058]
b
(1)
＝[0 1 2u 3u2ꢀ…ꢀ
ku
k
‑1]
t
；
[0059]
b
(2)
＝[0 0 2 6u
ꢀ…ꢀ
k(k
‑
1)u
k
‑2]
t
；
[0060]
b
(3)
＝[0 0 0 6
ꢀ…
k(k
‑
1)(k
‑
2)u
k
‑3]
t
；
[0061]
参考路径由多段曲线组成，采集的路径点为参考路径中的节点，即每段曲线的起点或终点，路径点可通过等距离采样得到，如每隔δs(为预定值，可根据采集的路径点的数量和参考路径的长度确定)在参考路径上采集一个路径点，对于节点而言，u＝0，因此，根据上述公式可计算得到3次b样条曲线的路径点和控制点的函数关系：
[0062][0063][0064][0065][0066]
请参阅图2、图3和图6，在某些实施方式中，步骤013包括以下步骤：
[0067]
0131：输入控制点、目标函数、边界约束和曲率约束至预设的优化器，以输出使得目标函数的输出值最小的多个目标控制点。
[0068]
在某些实施方式中，调整模块13还用于执行步骤0131。即，调整模块13还用于输入控制点、目标函数、边界约束和曲率约束至预设的优化器，以输出使得目标函数的输出值最小的多个目标控制点。
[0069]
在某些实施方式中，处理器20还用于输入控制点、目标函数、边界约束和曲率约束至预设的优化器，以输出使得目标函数的输出值最小的多个目标控制点。也即是说，步骤0131可以由处理器20实现。
[0070]
具体地，可通过优化器，通过设定优化条件，实现控制点的优化。优化器可以是例如非线性优化软件，如ipopt、nlopt、snpot等。
[0071]
将目标函数、控制点、边界约束和曲率约束都输入到优化器后，优化器会自动计算，输出使得目标函数输出值最小，且满足边界约束和曲率约束的优化后的控制点。
[0072]
目标函数为：目标函数为：其中，第一部分其中，第一部分为与参考路径的距离最小代价，第二部分i＝0n
‑
3qi 2
‑
qi2δs2为道路居中代价，第三部分为路径二阶平滑性代价；第四部分为路径三阶平滑性代价。ω
ref
、ω
dl
、ω
ddl
、ω
dddl
分别表示各项的权重系数，车辆100在不同场景下，ω
ref
、ω
dl
、ω
ddl
、ω
dddl
不同，例如对平滑性要求较高的场景，将ω
ddl
、ω
dddl
的权重设置的较高，又例如在居中要求较高的场景中，ω
dl
的权重设置的较高，从而提升不同场景下的路径优化效果。
[0073]
边界约束包括边界范围，边界约束用于使得控制点位于对应的边界范围内，控制点对应的边界范围根据道路边界生成。边界范围还可考虑更多的因素，如障碍物，从而根据道路边界和障碍物生成更准确的边界范围。
[0074]
例如，每个控制点的边界范围为：l
i，min
≤q
i
≤l
i，max
，l
i，min
和l
i，max
由控制点对应的道路边界、控制点附近的障碍物等信息计算得到，从而保证控制点始终位于道路边界内，且后续根据控制点生成的最终路径能够很好的绕开障碍物，从而保证驾驶安全。
[0075]
此外，边界约束还可包括起始点约束和/或终止点约束，通过起始点约束，可使得最终路径的起点位于预设起点位置；通过终止点约束，可使得最终路径的终点位于预设终点位置，从而使得最终路径的起点和终点分别为车辆100的行程起点和终点。
[0076]
例如，起始点约束可以是将最终路径的起点位于参考路径的起始点，可通过路径点和控制点的函数关系进行起始点约束：再例如，可不设置终止点约束，或者设置终止点约束，以使得最终路径的终点位于参考路径的终点，可通过路径点和控制点的函数关系进行终止点约束：
[0077]
曲率约束包括曲率范围，每个路径点对应的曲率k(i)位于曲率范围内：κ
min
≤k(i)
≤k
max
，例如κ
min
＝
‑
0.2，κ
max
＝0.2，从而使得最终路径的曲率始终位于曲率范围内，最终路径较为平滑。
[0078]
请再次参阅图2、图3和图7，在某些实施方式中，路径规划方法还包括：
[0079]
015：获取路径点在道路参考线上对应的参考点的曲率；
[0080]
016：根据参考点的曲率及控制点计算路径点的曲率。
[0081]
在某些实施方式中，路径规划装置还包括第二获取模块15和第二计算模块16，第二获取模块15和第二计算模块16分别用于执行步骤015和步骤016。即，第二获取模块15用于获取路径点在道路参考线上对应的参考点的曲率；第二计算模块16用于根据参考点的曲率及控制点计算路径点的曲率。
[0082]
在某些实施方式中，处理器20还用于获取路径点在道路参考线上对应的参考点的曲率；根据参考点的曲率、路径点、及控制点计算上路径点的曲率。也即是说，步骤015和步骤016可以由处理器20实现。
[0083]
具体地，为了实现曲率约束，处理器20需要计算每个路径点的曲率，并使得路径点的曲率位于曲率范围内。由控制点确定的每个路径点的曲率看k(i)计算公式如下：
[0084][0085]
其中，k
ri
为路径点在道路参考线上匹配的点的曲率，道路参考线上的参考点及其曲率均为预设值，处理器20可直接获取。然后将前述计算得到的3次b样条曲线的路径点和控制点的函数关系：代入上式即可确定路径点处的曲率。路径点处的曲率根据控制点组成的公式确定，由于路径点处的曲率处于曲率范围内，因此使得控制点同样受到曲率范围的约束，从而通过曲率约束实现对控制点的调整。
[0086]
请参阅图2、图3和图8，在某些实施方式中，步骤014包括以下步骤：
[0087]
0141：根据预设曲线参数方程和目标控制点生成路径函数，预设曲线参数方程包括均匀b样条曲线；及
[0088]
0142：根据路径函数生成最终路径。
[0089]
在某些实施方式中，生成模块14还用于执行步骤0141和步骤0142。即，生成模块14还用于根据预设曲线参数方程和目标控制点生成路径函数，预设曲线参数方程包括均匀b样条曲线；及根据路径函数生成最终路径。
[0090]
在某些实施方式中，处理器20你还用于根据预设曲线参数方程和目标控制点生成路径函数，预设曲线参数方程包括均匀b样条曲线；及根据路径函数生成最终路径。也即是说，步骤0141和步骤0142可以由处理器20实现。
[0091]
具体地，预设的曲线参数方程可以是均匀b样条曲线的参数方程：在确定目标控制点后，根据控制点即可确定均匀b样条曲线的参数方程，从而通过对s在[s
i
，s
i 1
]内取值，即可得到曲线l
i
l
i 1
，从而生成每两个路径点之间的b样条曲线，以形成最终路径。
[0092]
根据经过目标函数、边界约束及曲率约束调整的控制点生成的最终路径m3、参考路径m2和道路参考线m1的对比图如图9和图10所示，其中，图10为图9中m区域的细节放大图，可以看出，相较于参考路径m2而言，最终路径m3的平滑性更好，且更为远离障碍物z。如此，最终路径m1的安全性较好。
[0093]
另外，请参阅图11，根据最终路径m3和参考路径m2的曲率分布图，可以看出，最终路径m3的曲率均位于区间[
‑
0.2,0.2]之间，满足曲率约束，平滑性较好。
[0094]
请参阅图12，本技术实施方式的一种存储有计算机程序302的计算机可读存储介质300，当计算机程序302被一个或多个处理器20执行时，使得处理器20可执行上述任一实施方式的路径规划方法。
[0095]
例如，请结合图1，当计算机程序302被一个或多个处理器20执行时，使得处理器20执行以下步骤：
[0096]
011：获取基于道路参考线生成的参考路径的多个路径点；
[0097]
012：根据路径点，计算多个初始控制点；
[0098]
013：基于目标函数、边界约束和曲率约束，调整初始控制点，以生成目标控制点；
[0099]
014：根据目标控制点生成最终路径。
[0100]
再例如，请结合图4，当计算机程序302被一个或多个处理器20执行时，处理器20还可以执行以下步骤：
[0101]
0121：根据路径点和对应的多个控制点的第一方程、及参考路径的导数和对应的多个控制点的第二方程，计算多个控制点。
[0102]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0103]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的程序的代码的模块、片段或部分，并且本技术的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本技术的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0104]
尽管上面已经示出和描述了本技术的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。