基于虚拟障碍物的智能车导航方法研究

摘要

随着汽车保有辆的增加，城市交通问题日益严重。智能车技术作为解决城市交通安全、效率等问题的有效手段而备受关注。本文以城市环境下的智能车应用为背景，以智能车导航为研究对象。在路径规划和控制方面，针对仅靠一种路径规划方法存在的固有问题（如全局路径规划方法的动态环境适应性差，局部路径规划存在局部最小值点等），以及现有的综合路径规划方法对多任务和不同应用环境的适应性比较差，往往需要随着应用环境和任务的变化而改变，本文提出了基于虚拟障碍物的综合路径规划方法。该方法既能够充分利用已知环境信息生成全局最优路径，而且能够实时处理随机动态障碍物。在此基础上，通过对现有技术及应用环境的分析选取了相应的定位方法，进而形成了基于虚拟障碍物的导航方法。该导航方法能够较好地完成城市环境下的车道巡航，避障以及垂直自动泊车等。本文具体工作如下：
　　本文首先对传感器的配置和标定等进行了简要说明，然后通过对现有技术及应用环境的分析后，进行了导航方案的初步设计。在感知定位方面，选取高精度GPS（RTK-GPS）和航位推算的方法，通过采用扩展卡尔曼滤波的方法进行车辆的位姿估计，这样不仅具有GPS高精度的优点而且弥补了RTK-GPS数据帧率低及其信号易受障碍物干扰的缺点，选用激光雷达作为障碍物探测传感器；在路径规划和控制方面，针对仅靠一种类型的路径规划方法存在的固有问题，以及现有的综合路径规划方法对多任务和应用环境的适应性较差的问题，提出了基于虚拟障碍物的综合路径规划方法。该方法将路网看成节点和线的集合，首先以路口节点作为候选点采用A*算法得到一条全局最优路径，然后根据全局最优路径生成虚拟障碍物，最后将虚拟障碍物与激光雷达探知的实际障碍物融合，采用改进的向量直方图方法（VFH+）进行局部路径规划．该方法不仅能够充分利用已知环境信息生成全局最优路径，而且能够实时处理随机动态障碍物。
　　其次，通过在智能车道路巡航和避障中的应用，详细说明了基于虚拟障碍物的导航方法的运行机制，全面阐述了虚拟障碍物的概念，生成方法，选择方法以及车辆侧边障碍物的记忆方法等。并且针对VFH+方法的阈值敏感问题和评价函数复杂的问题，本文进行了两点改进，取得了较好的进展。同时大量以上海交通大学校园环境为导航场景进行的实验，也验证了本文所提导航方法的有效性，可靠性和实时性。
　　最后，将导航方法应用于智能车垂直自动泊车中，采用圆弧-直线-圆弧的方法进行全局最优路径的规划，针对车辆进入车库后的情形对局部路径规划进行了适当的改进。真实环境下的实验验证了该方法在垂直自动泊车中的有效性。通过上述的运用也充分说明了本文所提方法具有对多任务和应用环境的适应性。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究概况

1.3 本论文的主要研究内容和安排

第二章 基于虚拟障碍物的导航方案设计

2.1 引言

2.2方案整体框架设计

2.3 传感器配置及标定

2.4 车辆的位姿估计

2.5 环境建模—数字地图格式

2.6 全局路径规划方法—A*算法介绍

2.7 局部路径规划方法—VFH+介绍

2.8 本章小结

第三章 基于虚拟障碍物的道路巡航

3.1 引言

3.2 全局最优路径

3.3 虚拟障碍物的提出

3.4 基于虚拟障碍物的道路巡航

3.5 本章小结

第四章 基于虚拟障碍物的避障

4.1 引言

4.2 基于虚拟障碍物的避障

4.3 实验—道路巡航与避障

4.4 本章小结

第五章 基于虚拟障碍物的垂直自动泊车

5.1 引言

5.2泊车理想轨迹规划

5.3泊车轨迹控制

5.4 实验—垂直自动泊车

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表或录用的论文