结构化道路车辆避障路径规划方法研究开题报告

全文总字数：4759字

1. 研究目的与意义（文献综述）

世界经济的快速发展，以及人们需求的逐步提升，使得世界汽车保有量不断升高，带给全世界最显而易见的是交通事故的频繁发生。研究表明，所有的交通事故中。汽车碰撞事故（包括车车碰撞与固定物碰撞）是主要形式。约占交通事故的60%~70%， 而汽车碰撞事故大多是因为驾驶员判断失误，行车速度过快， 行车间距过小， 刹车不及时等因素造成^[1]。为了有效地降低此类事故发生的概率，就需要车辆能够自主代替驾驶员更快更准确的识别障碍并且自主完成避障过程。因此拥有高级的学习，理解能力和处理新的困难处境的能力的智能车辆成为整个汽车行业共同追逐的一个目标^[2]。而结构化道路由于道路规则且有很强的几何特征，因此其对障碍物的处理显得更为重要，一旦障碍物识别完成，如何决策车辆的避障路径成为了人们研究的重点。

国外的相关人士很早便开展了避障路径规划方面的研究，1994年khatib提出的一种虚拟力法----人工势场法路径规划^[3]。基本思想是设计抽象的人造引力场，将目标的引力和障碍物的斥力进行合成来生成运动轨迹。但是这种算法在当时还存在局部最优点和目标不可达的缺点。由hamed shah hosseini提出的智能水滴算法（intelligentwater drops algorithm, iwd）是一种群智能算法^[4]，它模拟水流对河床冲刷过程中水滴的路径选择原理，具有自组织能力好、鲁棒性强等诸多优点。由marco dorigo等于1992年提出的蚁群算法^[5]，其灵感来自于对蚂蚁觅食行为的探索，每个蚂蚁觅食时都会在走过的道路上留下一定浓度的信息素，相同时间内最短的路径上由于蚂蚁遍历的次数多而信息素浓度高，后来的蚂蚁在选择路径时会以信息素浓度为依据，信息素浓度越高的路径被选择的概率也就越大，起到正反馈作用。20世纪60年代hart等提出的启发式的a* 搜索算法其基本公式为f(n)=g(n) h(n) ^[6], 式中:f(n)为初始状态到目标状态的估计代价；g(n)为初始状态到状态n的实际代价；h(n)为状态n到目标状态的估计代价。与基于搜索的路径规划算法不同，基于采样的路径规划算法通过均匀随机采样的方法来探索高维状态空间的连通性。此类算法的最大特点有两个：1）无需对状态空间的自由区域进行建模；2）由于其随机采样的特点，搜索速度快，规划效率高，缺陷在于不能处理非完整约束动力学问题。

2. 研究的基本内容与方案

针对传统人工势场法路径规划存在的不足，提出自己的理解和看法，对其加以改进，研究基于在障碍物的准确识别以及障碍物信息的融合的基础上，为了更好的对障碍物的位置以及车辆本身和目的地位置的描述，建立虚拟坐标系，并且不断更新虚拟坐标系中障碍物和车辆本身的位置，一旦虚拟地图构建完成，针对不同的障碍物情况，对障碍物进行改进的人工势场法的路径规划算法实现，生成众多离散点，并运用三次样条插值法对离散点进行拟合，从而使得路径更加平顺光滑。

本文的基本内容共分为七部分。第一部分是绪论，讲述结构化道路车辆避障路径规划的重要性以及国内外学者对车辆避障路径规划算法研究的历史和现状。第二部分讲述整个车辆避障路径规划的整体框架，粗略讲述障碍物检测技术，障碍物的信息融合，虚拟坐标系建立，人工势场法，三次样条插值法如何共同作用实现车辆的避障功能。第三部分讲述虚拟坐标系的如何建立。第四部分讲述改进的人工势场法算法的实现，包括针对局部最优点，目标不可达，无法规划动态避障过程的缺点进行算法改进。第五部分讲述利用三次样条插值法对人工势场法得出的离散点进行拟合。第六部分是进行仿真和调试，并对结果进行分析。第七部分是总结。

本文的技术路线为：将车辆检测到的障碍物的信息进行融合并构建在虚拟坐标系中，针对不同的障碍物情况进行人工势力场算法的编写，得出从出发点能够正确躲避障碍物从而到达目标点的众多离散点，利用三次样条插值法对离散点进行拟合，希望得到光滑的曲线，最终进行仿真验证。

3. 研究计划与安排

3.1（8 学期第1周） 方案构思、文献检索、完成开题报告

3.2（8学期第2-3周） 外文翻译、资料再收集

3.3（8学期第4-6周） 设计计算、算法编写（3.19开题答辩）

4. 参考文献（12篇以上）

[1]张 甜,陈德海.一种车辆防碰撞预警及自动刹车系统. 江西理工大学学报,2016,u463.65,tb559

[2] azim eskandarian.智能车辆手册[m].李克强.北京：机械工业出版社，2016：7-8

[3]khatib o. real-time obstacle avoidance for manipulators and mobile robots[c].ieee international conference on robotics and automation. proceedings. ieee,2015: 396—404.