城市交通工况自动驾驶静态参考路径集合的设计方法

技术领域

本发明属于自动驾驶汽车的自主决策技术领域，特别涉及一种城市交通工况自动驾驶静态参考路径集合的设计方法。

背景技术

自动驾驶汽车是人工智能、高精地图等新一代信息技术与汽车产业深度融合的新兴产物，逐渐成为当前交通出行领域智能化发展的主要方向，并逐步从面向单一结构化交通工况向更加复杂的城市交通工况迈进。相比高速公路等结构化交通工况，城市交通工况人车混杂，车辆在行驶过程中需考虑更多的安全约束，特别是广泛分布于城市路网结构中的交叉口、环岛等交通场景交通流量更加密集，不同类型、不同行驶方向的交通参与者在同一时间相互穿插、彼此干扰，极易在路口内产生冲突，从而引发交通拥堵甚至事故。因此，城市交通工况的交互模式较结构化交通工况更加复杂，该场景下的自动驾驶决控难度也更大，着力解决城市交通工况的通行问题不但可以大大缓解城市交通压力，而且还能保障道路通行安全，所以，发展高级别自动驾驶具有战略意义。

在现有自动驾驶解决方案中，路径规划是一重要模块，但现有规划方法的问题在于期望参考轨迹的设计需要同时考虑静态约束(包括道路几何结构、地面标识、交通规则等)和动态约束(包括周围行人、自行车、机动车的运动约束、红绿灯切换约束以及自车动力学约束)，该期望参考轨迹的生成需在线调用规划算法，所需考虑约束多、计算效率低。因此，需提供一种面向城市交通工况自动驾驶静态参考路径集合的设计方法，以满足高级别自动驾驶功能需求。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种面向复杂交通场景通用的城市交通工况自动驾驶静态参考路径集合的设计方法，以解决现有路径规划中生成期望参考轨迹需同时考虑静态约束和动态约束而导致的约束多、在线计算效率低、路径规划难度大等问题。本发明具有交通场景通用、所需考虑约束少、离线计算效率高、路径规划难度小等优点。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种城市交通工况自动驾驶静态参考路径集合的设计方法，包括以下步骤：

S1、外部标识点确定：根据高精地图提供的道路静态信息，确定待设计静态参考路径所在车道的路段信息和车道信息，根据该车道的路段信息和车道信息，选取车道起始端横向中点位置坐标和车道终止端横向中点位置坐标作为生成该车道静态参考路径位置信息的两个外部标识点坐标X

S2、内部标识点确定：根据该车道的车道起始端朝向角、车道终止端朝向角、与该车道联通的两个车道的车道宽度以及步骤S1确定的两个外部标识点坐标，计算生成该车道静态参考路径位置信息的两个内部标识点坐标X

如果车道i的车道起始端朝向角θ

公式1～公式4中，D

S3、位置信息生成：根据步骤S1确定的两个外部标识点坐标和步骤S2确定的两个内部标识点坐标以及三阶贝塞尔曲线生成原理，通过公式5生成该车道静态参考路径位置信息；

公式5中，

S4、朝向角计算：根据步骤S3生成的静态参考路径位置坐标信息，通过公式6计算该车道静态参考路径朝向角；

公式6中，

S5、期望速率规划：根据路段类型和路段限速，规划该车道静态参考路径的期望速率；所述期望速率包括期望通行速率和期望停车速率；

S5.1、期望通行速率规划：

如果该车道所在路段为多车道路段，则通过公式7计算该车道静态参考路径的路径点的期望通行速率；如果该车道所在路段为交叉口路段或环岛路段，则通过公式8计算该车道静态参考路径的路径点的期望通行速率；

公式7和公式8中，

S5.2、期望停车速率规划：

如果该车道所在路段为多车道路段，且与该路段联通的下一路段为交叉口路段或环岛路段，则根据该路段进入交叉口路段或环岛路段的停止线前的固定距离d

如果该车道所在路段为多车道路段，且与该路段联通的下一路段仍为多车道路段，则通过公式9计算该车道静态参考路径的路径点的期望停车速率；

如果该车道所在路段为交叉口路段或环岛路段，则通过公式11计算该车道静态参考路径的路径点的期望停车速率；

公式9～公式11中，

公式12中，v

S6、静态参考路径集生成：通过公式13将步骤S3获得的车道静态参考路径位置信息、步骤S4获得的车道静态参考路径朝向角和步骤S5获得的车道静态参考路径的期望速率依次组合，得到静态参考路径每个路径点的完整信息，通过公式14获得全地图静态参考路径集；

公式13和公式14中，P

所述道路静态信息包括路段信息和车道信息；

所述路段信息包括路段ID、路段类型和路段限速；所述路段类型包括多车道路段、交叉口路段和环岛路段；其中，环岛路段分割为三类子路段：环岛入口子路段、环岛出口子路段和环岛内部子路段；

所述车道信息包括车道ID、车道类型、车道宽度、车道起始端横向中点位置坐标、车道终止端横向中点位置坐标、车道起始端朝向角、车道终止端朝向角和道路联通关系；

所述车道类型包括多车道路段和环岛路段内具有车道标识线的真实车道，以及交叉口路段内可通行但没有车道标识线的虚拟车道；

所述朝向角为车道朝向与大地坐标系x轴的正向夹角；

所述道路联通关系为与当前车道联通的下一个联通路段ID和车道ID。

路段进入交叉口路段或环岛路段的停止线前的固定距离d

车道i静态参考路径的两个相邻的路径点之间的距离Δs为0.05m。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过外部标识点确定、内部标识点确定、位置信息生成、朝向角计算、期望速率规划以及静态参考路径集生成六个步骤实现城市交通工况自动驾驶静态参考路径集合生成，其仅依赖地图提供的道路静态信息，实现可提前规划、预存的全地图静态参考路径集合，有效保障自动驾驶汽车决控功能实现。

附图说明

图1为本发明实施例的总体结构示意图；

图2为本发明实施例的整体流程示意图；

图3为本发明实施例的典型场景部分静态参考路径位置信息示意图；

图4为本发明实施例的期望速率规划示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图1和图2所示，一种城市交通工况自动驾驶静态参考路径集合的设计方法，包括以下步骤：

S1、外部标识点确定：根据高精地图提供的道路静态信息，确定待设计静态参考路径所在车道的路段信息和车道信息，根据该车道的路段信息和车道信息，选取车道起始端横向中点位置坐标和车道终止端横向中点位置坐标作为生成该车道静态参考路径位置信息的两个外部标识点坐标X

所述道路静态信息包括路段信息和车道信息；

所述路段信息包括路段ID、路段类型和路段限速；所述路段类型包括多车道路段、交叉口路段和环岛路段；其中，环岛路段分割为三类子路段：环岛入口子路段、环岛出口子路段和环岛内部子路段。

所述车道信息包括车道ID、车道类型、车道宽度、车道起始端横向中点位置坐标、车道终止端横向中点位置坐标、车道起始端朝向角、车道终止端朝向角和道路联通关系；

所述车道类型包括多车道路段和环岛路段内具有车道标识线的真实车道，以及交叉口路段内可通行但没有车道标识线的虚拟车道；

所述朝向角为车道朝向与大地坐标系x轴的正向夹角；

所述道路联通关系为与当前车道联通的下一个联通路段ID和车道ID。

在本发明的实施例中，图3中以确定生成多车道路段中的一条车道、交叉口路段中的一条左转虚拟车道和一条掉头虚拟车道以及环岛路段中的一条环岛入口子路段车道、一条环岛出口子路段车道和一条环岛内部子路段车道所对应的静态参考路径位置信息所需的外部标识点为例进行了展示。其中，在多车道路段M中，对于直行向右转并线车道，分别选取该车道的起始端横向中点M

交叉口路段中，对于交叉口内一条左转虚拟车道，分别选取该虚拟车道的起始端横向中点J

交叉口路段中，对于交叉口内一条掉头虚拟车道，分别选取该虚拟车道的起始端横向中点U

对于一段由线段OA和OB所截取的环岛入口子路段，对于该子路段中一条直行向右转的车道，分别选取该车道的起始端横向中点E

对于一段由线段OB和OC所截取的环岛内部子路段，对于该子路段中的一条车道，分别选取该车道的起始端横向中点F

对于一段由线段OC和OD所截取的环岛出口子路段，对于该子路段中的一条车道，分别选取该车道的起始端横向中点G

生成地图上其它车道静态参考路径位置信息所需的外部标识点的确定与该示例所展示的确定外部标识点的方法相同。

S2、内部标识点确定：根据该车道的车道起始端朝向角、车道终止端朝向角、与该车道联通的两个车道的车道宽度以及步骤S1确定的两个外部标识点坐标，计算生成该车道静态参考路径位置信息的两个内部标识点坐标X

如果车道i的车道起始端朝向角θ

公式1～公式4中，D

S3、位置信息生成：根据步骤S1确定的两个外部标识点坐标和步骤S2确定的两个内部标识点坐标以及三阶贝塞尔曲线生成原理，通过公式5生成该车道静态参考路径位置信息；

公式5中，

S4、朝向角计算：根据步骤S3生成的静态参考路径位置坐标信息，通过公式6计算该车道静态参考路径朝向角；

公式6中，

S5、期望速率规划：根据路段类型和路段限速，规划该车道静态参考路径的期望速率；所述期望速率包括期望通行速率和期望停车速率；

S5.1、期望通行速率规划：

如果该车道所在路段为多车道路段，则通过公式7计算该车道静态参考路径的路径点的期望通行速率；如果该车道所在路段为交叉口路段或环岛路段，则通过公式8计算该车道静态参考路径的路径点的期望通行速率；

公式7和公式8中，

S5.2、期望停车速率规划：

如果该车道所在路段为多车道路段，且与该路段联通的下一路段为交叉口路段或环岛路段，则根据该路段进入交叉口路段或环岛路段的停止线前的固定距离d

如果该车道所在路段为多车道路段，且与该路段联通的下一路段仍为多车道路段，则通过公式9计算该车道静态参考路径的路径点的期望停车速率；

如果该车道所在路段为交叉口路段或环岛路段，则通过公式11计算该车道静态参考路径的路径点的期望停车速率；

公式9～公式11中，

公式12中，v

S6、静态参考路径集生成：通过公式13将步骤S3获得的车道静态参考路径位置信息、步骤S4获得的车道静态参考路径朝向角和步骤S5获得的车道静态参考路径的期望速率依次组合，得到静态参考路径每个路径点的完整信息，通过公式14获得全地图静态参考路径集；

公式13和公式14中，P

如图3所示的实施例中以生成的多车道中的一条车道、交叉口中的一条左转虚拟车道和一条掉头虚拟车道以及环岛中的一条环岛入口子路段车道、一条环岛出口子路段车道和一条环岛内部子路段车道所对应的静态参考路径位置信息为例进行了展示，生成的地图上其它车道的静态参考路径位置信息与该例所展示的类似。

其中，在多车道路段M中，对于直行向右转并线车道，已知生成该车道上静态参考路径位置信息的两个外部标识点M

交叉口路段中，对于交叉口内一条左转虚拟车道，已知生成该虚拟车道上静态参考路径位置信息的两个外部标识点J

交叉口路段中，对于交叉口内一条掉头虚拟车道，已知生成该虚拟车道上静态参考路径位置信息的两个外部标识点U

环岛路段中，对于一段由线段OA和OB所截取的环岛入口子路段，对于该子路段中一条直行向右转的车道，已知生成该车道上静态参考路径位置信息的两个外部标识点E

对于一段由线段OB和OC所截取的环岛内部子路段，对于该子路段中的一条车道，已知生成该车道上静态参考路径位置信息的两个外部标识点F

对于一段由线段OC和OD所截取的环岛出口子路段，对于该子路段中的一条车道，已知生成该车道上静态参考路径位置信息的两个外部标识点G

图4结合图3，以规划多车道中的一条车道、交叉口中的一条左转虚拟车道和一条掉头虚拟车道以及环岛中的一条环岛入口子路段车道所对应的静态参考路径的期望速率为例进行了展示，规划地图上其它车道的静态参考路径的期望速率与该例所展示的类似。

其中，对于多车道中的一条车道，由图3可见，点M

对于交叉口中的一条左转虚拟车道，由图3可见，点J

对于交叉口中的一条掉头虚拟车道，由图3可见，点U

对于环岛中的一条环岛入口子路段车道，由图3可见，点E