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無人車的避障系統(tǒng)介紹：障礙物的檢測、軌跡預(yù)測和避障路徑生成

2020-06-20 15:32:52·  來源：算法集市  
　
無人駕駛車輛的避障系統(tǒng)主要包括三個過程： 障礙物的檢測和跟蹤，獲取障礙物的運動信息；障礙物的運動軌跡預(yù)測，以及與無人車的碰撞預(yù)測；避障路徑的生成，即決


無人駕駛車輛的避障系統(tǒng)主要包括三個過程：

·  障礙物的檢測和跟蹤，獲取障礙物的運動信息；

·  障礙物的運動軌跡預(yù)測，以及與無人車的碰撞預(yù)測；

·  避障路徑的生成，即決策規(guī)劃給出合理行駛路徑以避讓障礙物。

障礙物的檢測

根據(jù)障礙物的運動狀態(tài)可分為靜態(tài)障礙物和動態(tài)障礙物。其中，靜態(tài)障礙物可以從高精度地圖里讀取，也可以通過傳感器（激光雷達、攝像頭等）實時感知。



動態(tài)障礙物與靜態(tài)障礙物有所不同，只靠傳感器在單個周期獲得的數(shù)據(jù)無法知道其運動信息，必須對一個序列的數(shù)據(jù)進行分析。一般用激光雷達來進行運動障礙物的檢測方法有：地圖差分法、聚類法。

·  地圖差分法：根據(jù)在高精度地圖上的障礙物在不同時刻與本車的相對位置關(guān)系，來求解障礙物的運動信息。即在全局坐標(biāo)系中，靜態(tài)障礙物的位置不會隨時間變化，而動態(tài)障礙物則會隨時間變化，發(fā)生變化的部分即認為是運動障礙物。

·  聚類法：將同一個障礙物的點云數(shù)據(jù)聚成一類，一般采用長方體或多邊形體來描述車輛、自行車、行人等。



得到單幀的障礙物位置、大小的信息還不夠，還需要對障礙物的運動軌跡進行跟蹤，即目標(biāo)跟蹤問題。其中，多目標(biāo)環(huán)境下的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)是多目標(biāo)跟蹤的關(guān)鍵問題。

障礙物的軌跡預(yù)測

對于障礙物的運動軌跡進行預(yù)測的方法可以分為三種：靜態(tài)處理、假設(shè)狀態(tài)保持不變、概率軌跡模型法。

靜態(tài)處理是最簡單的方法，它將所有障礙物都當(dāng)做靜態(tài)障礙物來處理，不考慮其運動特性，所以整個避障的效果也比較差。

假設(shè)狀態(tài)保持不變的方法，即認為障礙物會一直保持當(dāng)前的運動狀態(tài)，是一種比較常用的軌跡預(yù)測方法，但由于實際障礙物的運動狀態(tài)是會發(fā)生變化的，所以適用于一些直道勻速的場景，對于轉(zhuǎn)彎、換道、停車，或在環(huán)島、路口等場景的效果不理想。

概率軌跡模型法，是對假設(shè)狀態(tài)保持不變方法的一種改進，在軌跡預(yù)測中加入了不確定性，對障礙物未來可能的行駛軌跡做了預(yù)測，為保持穩(wěn)定，會偏向于保持原有狀態(tài)的預(yù)測結(jié)果。使用高精度地圖或結(jié)構(gòu)化道路的先驗信息可使這種方法獲得更好的預(yù)測結(jié)果。



避讓路徑的生成

在過去的幾十年里，研究者提出了很多關(guān)于無人車的避障路徑生成方法，典型的有人工勢場法、反應(yīng)式避障法和區(qū)域劃分法，這些方法在特定環(huán)境中都取得了不錯的效果，但也存在著不足。

人工勢場法是一種對電場模擬的方法。即構(gòu)造一個勢場函數(shù)，函數(shù)值 與 無人車和障礙物之間的距離存在對應(yīng)關(guān)系，距離障礙物越遠，勢場越小。根據(jù)實際場景確定閾值，將勢場小于閾值的區(qū)域標(biāo)記為可行駛區(qū)域，從而完成避障。這種方法能夠使無人車在復(fù)雜的靜態(tài)環(huán)境中安全行駛，但在動態(tài)環(huán)境中，運動障礙物的運行軌跡會對勢場造成動態(tài)的影響，從而使避讓軌跡難以穩(wěn)定，另外計算復(fù)雜度非常高，難以滿足實時性的要求。



反應(yīng)式避障法是一種模擬動物感知-行動過程的方法。即當(dāng)無人車感知到前方路徑上有障礙物是就重新規(guī)劃一條路徑避讓障礙物。反應(yīng)式避障法同樣在靜態(tài)環(huán)境中表現(xiàn)不錯，但在動態(tài)環(huán)境中存在規(guī)劃路徑不穩(wěn)定的問題。


區(qū)域劃分法是一種新的方法，即將無人車附件環(huán)境劃分為安全區(qū)域和可能碰撞區(qū)域，區(qū)域的大小和無人車本身的運動狀態(tài)相關(guān)，速度越快，可能碰撞區(qū)域就越大。這種方法理論是對靜態(tài)環(huán)境和動態(tài)環(huán)境都適用，但也存在無法很好地定義運動障礙物所對應(yīng)的可能碰撞區(qū)域的問題。

 
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