Udacity無人駕駛課程筆記:規劃

路徑規劃需要三個輸入:地圖當前位置目的地

3D軌跡

軌跡生成的目標是生成由一系列路徑點定義的軌跡,每個路徑點分配一個時間戳和速度,然後用一條曲線將這些路徑點進行擬合生成軌跡的幾何表徵,由於移動的障礙物可能會暫時阻擋部分路段,軌跡中的每個路點都有時間戳,可以將時間戳與預測模塊的輸出相結合,以確保計劃通過時軌跡上的每個路徑點均未被佔用,這些時間戳創建了一個三維軌跡,每個路徑點由空間中的兩個維度以及時間上的第三個維度來定義,同時還爲每個路徑點指定一個速度,速度用於確保車輛按時到達每個路徑點。

 

評估一條軌跡

軌跡應能免於碰撞、舒適(路徑點之間的過度以及速度的任何變化都必須平滑)、路徑點對車輛應實際可行、軌跡應該合法。

 

Frenet座標

Frenet座標系描述了汽車相對於道路的位置,s代表沿道路的距離,也稱爲縱座標,d表示與縱向線的位移,也被稱爲橫座標,縱座標表示在道路中行駛距離,橫座標表示汽車偏離中心線的距離。

 

路徑-速度解耦規劃

路徑-速度解耦規劃將軌跡規劃分爲兩步:路徑規劃速度規劃

路徑規劃:生成候選曲線,這是車輛可行駛的路徑,使用代價函數對每條路徑進行評估,該函數包括平滑度、安全性、與車道中心的偏離等等,按代價對路徑進行排名,並選擇代價最低的路徑。

速度規劃:確定沿這條路徑行進的速度,可以使用優化功能爲路徑選擇受到各種限制約束的良好速度曲線。

 

路徑生成與選擇

爲了在路徑-速度解耦規劃生成候選路徑,首先將路段分割成單元格,然後對這些單元格的點進行隨機採樣,通過從每個單元格中取一個點並將點連接,從而創建候選路徑,重複此過程可得到多條候選路徑,再使用代價函數對這些路徑進行評估,挑選出代價最低的路徑,代價函數的考慮可能結合以下因素:車輛偏離車道中心、與障礙物的距離、速度和曲率的變化、對車輛的壓力等等。

 

ST圖

ST圖可以幫助我們設計和選擇速度曲線,“s”表示車輛的縱向位移,“t”表示時間,ST圖上的曲線是對車輛運動的描述,因爲它說明了車輛在不同時間的位置,由於速度是位置變化的速率,,因此可以通過曲線的斜率從ST圖上推斷速度,斜坡越陡說明在短時間內有更大的移動對應更快的速度。

 

速度規劃

在ST圖內可以將障礙物繪製爲在特定時間段內阻擋道路部分的矩形,速度曲線不得與矩形相交。

 

優化

路徑-速度解耦規劃很大程度上取決於離散化,路徑選擇涉及將道路劃分爲單元格,速度曲線構建涉及將ST圖劃分成單元格,儘管離散化使這些問題更容易解決,但該方案生成的軌跡並不平滑,爲了使生成軌跡更加平滑,可以使用“二次規劃”解決,二次固話將平滑的非線性曲線與這些分段式線性段擬合。

 

Lattice規劃

通過Frebet座標可將環境投射到縱軸和橫軸上,目標是生成三維軌跡:縱向維度、橫向維度和時間維度。整個三維問題可以分解成兩個單獨的二維問題,即通過分離軌跡的縱向和橫向分量來解決,一個二維軌跡是指具有時間戳的縱向軌跡(ST軌跡),另一個二維軌跡相對於縱向軌跡的橫向偏移(SL軌跡)。Lattice規劃分爲兩步:先分別建立ST和SL軌跡再將它們合併。爲生成縱向和橫向的二維軌跡,先將初始車輛投射到ST和SL座標系中,通過預選模式中的多個候選最終狀態進行採樣,選擇最終車輛狀態,對於每個車輛最終狀態,須創建一組軌跡,將車輛從初始狀態轉換爲最終狀態,並通過代價函數選擇代價最低的軌跡。

 

ST軌跡的終止狀態

根據情況可以將狀態分爲三組巡航、跟隨與停止。

 

Lattice軌跡生成

一旦同時擁有了ST和SL軌跡,就需要將它們重新轉化爲笛卡爾座標,然後將它們相結合,構建由二維路徑點和一維時間戳組成的三維軌跡,ST軌跡是隨時間變化的縱向位移,SL縱向軌跡上每個點的橫向偏移,兩條軌跡都有縱座標S,可以通過將S值進行匹配來合併軌跡。

 

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