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动态场景下基于人工势场算法的智能车路径—速度一体化规划

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动态场景下基于人工势场算法的智能车路径—速度一体化规划

作者：叶忠旭南昌大学

学位级别：硕士

智能汽车的轨迹规划模块包含路径规划和速度规划,通常分为路径与速度解耦、路径与速度一体化规划两类方法。其中,解耦方法具有实时性好的优点,但规划为非最优解,一体化轨迹规划方法则与之相反,具有最优解但缺点在于计算消耗大,故有必要... 详细信息

智能汽车的轨迹规划模块包含路径规划和速度规划,通常分为路径与速度解耦、路径与速度一体化规划两类方法。其中,解耦方法具有实时性好的优点,但规划为非最优解,一体化轨迹规划方法则与之相反,具有最优解但缺点在于计算消耗大,故有必要发展更高效的三维度时空耦合一体化轨迹规划算法。人工势场(APF)算法作为常用的路径规划方法,物理意义明确、计算效率高,但传统人工势场算法在规划周期内未能考虑动态障碍物潜在运动状态,以及只能进行路径规划而不能实现变速轨迹规划等局限。针对此,本文提出一种基于改进人工势场算法的路径-速度时空耦合一体化轨迹规划框架。主要研究内容如下:(1)构建考虑移动障碍物潜在行驶轨迹的改进人工势场路径规划。首先考虑道路边界约束,构建人工势场算法的引力场及斥力场模型;而后在规划周期内将环境车辆预测轨迹在势场迭代步中更新并计算势场负梯度值,以规划车辆行驶航向,实现考虑障碍物潜在运动状态的路径规划。(2)采用五次多项式生成纵向轨迹的方法实现纵向速度规划。搭建基于五次多项式生成纵向轨迹,基于S-T图分别对超车/跟车场景的轨迹末状态采样,生成满足相应场景行驶条件的纵向轨迹集合,然后设计代价函数从纵向轨迹集合中选取最优纵向轨迹及速度曲线。(3)基于改进人工势场算法的路径-速度一体化规划。将人工势场算法与ST速度规划相结合,在规划周期内,根据速度规划相邻迭代步计算的位移增量动态调整人工势场路径规划步长,进行规划速度与规划路径同时解算,使人工势场算法具有路径-速度一体化轨迹规划功能;针对人工势场规划的路径存在震荡现象,采用B样条曲线对规划路径做平滑处理。(4)设计轨迹跟踪控制器,在Simlink-Car Sim联合环境下,对所提出的改进人工势场路径-速度一体化轨迹规划算法进行仿真验证,结果表明所提出的改进人工势场路径-速度一体化轨迹规划方法能够使智能车辆获得更合理的规划结果。(5)将所提的路径-速度一体化轨迹规划算法移植到智能车进行实车验证,以南昌大学园区作为真实道路场景并结合实验智能车的总线、定位、感知、预测等其他模块采集实车行驶数据并验证一体化规划方法的有效性。

关键词：智能驾驶汽车动态避障人工势场算法轨迹规划轨迹跟踪

基于人工势场算法和RRT算法的多无人机路径规划

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自动化应用 2024年第5期65卷 1-4页

作者：朱新宇李宜桐中国民用航空飞行学院航空电子电气学院四川德阳618307

为了解决在城市和山区复杂环境中的多无人机任务分配及路径规划问题,提出了一种基于人工势场算法和RRT融合算法的多无人机协同路径规划方法。基于人工势场算法基础优化斥力函数,加入机间斥力因子,实现了协同避撞。引入RRT算法进行拓展搜... 详细信息

为了解决在城市和山区复杂环境中的多无人机任务分配及路径规划问题,提出了一种基于人工势场算法和RRT融合算法的多无人机协同路径规划方法。基于人工势场算法基础优化斥力函数,加入机间斥力因子,实现了协同避撞。引入RRT算法进行拓展搜索,解决了无人机陷入局部极值点时单一人工势场算法目标不可达的问题。通过三维路径规划仿真实验和算法对比实验验证该方法的可行性,结果表明,融合路径规划算法可以在约束条件下找到全局最优路径。

关键词：路径规划无人机人工势场算法随机树算法

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基于人工势场算法的智能车辆路径规划仿真

汽车工程 2017年第12期39卷 1451-1456页

作者：安林芳陈涛成艾国方威湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室长沙410082

将人工势场算法运用到智能车辆路径规划中,提出按照正弦避障换道方式以最小安全距离作为对称距离构建障碍点模型的方法,保证局部目标点处于对称轴线上,通过智能车辆行驶速度和转弯半径对转向角进行约束控制。最后,通过Prescan和Matlab... 详细信息

将人工势场算法运用到智能车辆路径规划中,提出按照正弦避障换道方式以最小安全距离作为对称距离构建障碍点模型的方法,保证局部目标点处于对称轴线上,通过智能车辆行驶速度和转弯半径对转向角进行约束控制。最后,通过Prescan和Matlab软件联合仿真,验证算法的可行性和准确性,仿真结果表明算法能规划出平滑的目标路径,实现智能车辆平稳安全的路径规划与跟踪控制。

关键词：人工势场算法避障换道局部路径规划

基于改进A*和人工势场算法的无轨胶轮车井下无人驾驶路径规划

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煤炭学报 2022年第3期47卷 1347-1360页

作者：鲍久圣张牧野葛世荣刘琴袁晓明王茂森阴妍赵亮中国矿业大学机电工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院北京100083 中国煤炭科工集团太原研究院有限公司山西太原030006

经过多年发展无人驾驶技术逐渐成熟,已经开始在地面车辆得到了广泛应用,同时也将成为解决无轨胶轮车在井下实现高效、安全、智能运输的重要途径,但与地面车辆成熟的无人驾驶技术不同,无人驾驶技术应用到井下仍存在许多问题亟待解决。针... 详细信息

经过多年发展无人驾驶技术逐渐成熟,已经开始在地面车辆得到了广泛应用,同时也将成为解决无轨胶轮车在井下实现高效、安全、智能运输的重要途径,但与地面车辆成熟的无人驾驶技术不同,无人驾驶技术应用到井下仍存在许多问题亟待解决。针对井下人工驾驶的无轨胶轮车效率低且事故频发等问题,以无人驾驶无轨胶轮车为研究对象,通过仿真和试验开展井下路径规划方法研究。首先,通过分析比较常见路径规划算法的优缺点,分别选择采用最优性A*算法和人工势场算法作为无人驾驶无轨胶轮车全局和局部路径规划的基本算法;其次,针对全局路径规划传统A*算法搜索节点多和路径不平滑问题,分别使用指数函数加权和三次样条插值的方法对其进行改进,将改进前后算法在井下巷道内进行全局路径规划仿真,结果发现:改进后的算法搜索节点数减少了50%,在同一场景下规划路径所需时间仅为传统A*算法的20%,路径规划的效率得到了大幅度提升,生成的路径更加平滑且连续性也较好;同时,针对人工势场算法存在目标不可达、局部最优解等问题,分别引入斥力势场修正因子和出逃力并建立相对速度势场对其进行改进,对比改进前后算法在井下巷道内的局部路径规划仿真结果发现:改进后的人工势场算法可以在各种场景规划出更为合理的行车路径,安全性得到了保障;最后,利用微型无人车试验平台,按照8∶1的缩比搭建模拟井下巷道环境,对无人驾驶无轨胶轮车改进前后的路径规划算法分别进行了无障碍物和有障碍物的路径跟踪试验,结果表明:基于改进A*-人工势场联合算法规划出来的路径更加合理,在8∶1的缩比搭建模拟井下巷道环境中进行的无障碍物规划路径最大跟踪误差仅为0.0312 m,在巷道内会车和避障时能够规划合理的行驶路径,最大偏差仅为0.0353 m,能够满足无轨胶轮车井下无人驾驶要求。

关键词：无轨胶轮车井下无人驾驶路径规划 A*算法优化人工势场算法

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基于人工势场算法的改航路径规划

交通运输工程学报 2009年第6期9卷 64-68页

作者：徐肖豪李成功赵嶷飞李雄中国民航大学空中交通管理研究基地天津300300 南京航空航天大学民航学院江苏南京210016

在恶劣天气或流量受限条件下,建立了基于人工势场算法的改航路径规划模型。考虑空中交通管制程序和飞行性能等约束条件,采用线性拟合的方法对初始改航航路径进行分段拟合,消除振荡点和误差较大的离散点;对拟合后的航段通过截弯取直的方... 详细信息

在恶劣天气或流量受限条件下,建立了基于人工势场算法的改航路径规划模型。考虑空中交通管制程序和飞行性能等约束条件,采用线性拟合的方法对初始改航航路径进行分段拟合,消除振荡点和误差较大的离散点;对拟合后的航段通过截弯取直的方法,去除多余的转弯点,生成最终的改航路径。仿真结果表明:现行的沿扩展受限区边界绕飞的改航路径长度为532.299km,而采用新改航规划模型生成的改航路径长度为455.924km,在没有增加额外转弯点的条件下,航线长度减少了14.35%,因此,采用该规划方法可安全有效地避开飞行受限区域。

关键词：空中交通规划改航路径人工势场算法分段线性拟合

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基于改进人工势场算法的AUV路径规划

中国航海 2021年第2期44卷 134-141页

作者：张强刘晓宇张南庆何鸣遵义师范学院工学院贵州遵义563006

针对传统人工势场算法运用于AUV路径规划时存在易死锁、实时性差、结果欠优等问题,提出一种改进型人工势场算法。在障碍物周围新增滑移区以替换原有斥力场的作用效果,同时构建相应的滑移准则以实现对AUV的滑移运动控制,具体包括滑移区... 详细信息

针对传统人工势场算法运用于AUV路径规划时存在易死锁、实时性差、结果欠优等问题,提出一种改进型人工势场算法。在障碍物周围新增滑移区以替换原有斥力场的作用效果,同时构建相应的滑移准则以实现对AUV的滑移运动控制,具体包括滑移区判别、滑移参数选择和滑移方向判别准则。最后,在MATLAB中进行仿真实验。在静态环境下,分别利用传统人工势场算法和所述改进算法进行AUV的运动路径规划,仿真结果验证了改进算法的有效性和优越性。同时,在考虑固定海流的动态环境下,通过对引力方向、滑移条件、滑移方向和滑移轨迹进行修正,成功将所述算法运用于AUV的动态路径规划中。

关键词：人工势场算法 AUV 路径规划滑移区

智能草坪修剪机器人路径规划研究——基于模糊改进人工势场算法

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农机化研究 2023年第12期45卷 40-44页

作者：王娜石晨河南工业职业技术学院河南南阳473000

针对人工势场算法应用于智能草坪修剪机器人路径规划的问题,引入了模糊控制算法,建立了斥力势场的等级,可调节机器人及时有效地避开障碍物,实现路径规划功能。MatLab仿真实验表明:模糊改进人工势场算法可以实时、有效地控制智能草坪修... 详细信息

针对人工势场算法应用于智能草坪修剪机器人路径规划的问题,引入了模糊控制算法,建立了斥力势场的等级,可调节机器人及时有效地避开障碍物,实现路径规划功能。MatLab仿真实验表明:模糊改进人工势场算法可以实时、有效地控制智能草坪修剪机器人及时避开障碍物,准确从起点开始修剪草坪作业,并作业至目标终点,规划的路径也比较平滑,证实了算法的有效性和可行性。

关键词：草坪修剪机器人路径规划人工势场算法避障 MatLab

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基于改进的A^(*)和人工势场算法的火灾路径规划

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消防科学与技术 2021年第2期40卷 204-208页

作者：曹祥红黄梦溪李栋童硕杜薇魏晓鸽郑州轻工业大学建筑环境工程学院河南郑州450002 重庆长厦安基建筑设计有限公司郑州分公司河南郑州450000

传统火灾疏散过程中疏散指示灯指示方向固定,无法根据火灾情况改变疏散方向,为了解决这种情况,提出改进的A^(*)算法和人工势场算法,对火灾发生时的人群疏散路径进行规划。通过优化g值、改进OPEN列表存储结构的方法改进A^(*)算法,通过改... 详细信息

传统火灾疏散过程中疏散指示灯指示方向固定,无法根据火灾情况改变疏散方向,为了解决这种情况,提出改进的A^(*)算法和人工势场算法,对火灾发生时的人群疏散路径进行规划。通过优化g值、改进OPEN列表存储结构的方法改进A^(*)算法,通过改进引力函数、加入虚拟侧向力的方法改进人工势场算法,以达到火灾应急疏散的要求,即快速找到疏散路径的同时远离着火区域。通过实验仿真验证了两种改进算法的可行性,可以在时间和环境双重约束情况下成功避开障碍、远离起火位置、找到安全出口。

关键词：火灾疏散路径优化 A^(*)算法人工势场算法

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基于人工势场算法的车辆避障路径规划研究

基于人工势场算法的车辆避障路径规划研究

作者：马湿洪重庆交通大学

学位级别：硕士

自动驾驶技术已经是全球范围内汽车领域的聚焦点所在。决策规划作为自动驾驶汽车关键技术之一,是自动驾驶汽车能安全地向目的地行驶的前提条件,自动驾驶汽车只有按照决策命令所规划出的路径行驶才能保证自动驾驶汽车的行驶安全性。路径... 详细信息

自动驾驶技术已经是全球范围内汽车领域的聚焦点所在。决策规划作为自动驾驶汽车关键技术之一,是自动驾驶汽车能安全地向目的地行驶的前提条件,自动驾驶汽车只有按照决策命令所规划出的路径行驶才能保证自动驾驶汽车的行驶安全性。路径规划所得路径在能满足车辆在复杂动态环境行驶的目的性和安全性的同时,还需要满足车辆的实时性要求,尽可能完善突发情况的应对能力。本文研究的内容在于研究人工势场算法用于自动驾驶车辆道路行驶的可行性和安全性,主要内容如下:（1）介绍了传统人工势场算法的原理和存在的问题,针对传统人工势场算法局部最优问题和动态路径规划能力较弱的问题,采用虚拟水流法和引入由车辆和目标点距离构建的斥力势场影响因子以解决传统人工势场算法局部最优问题,并引入速度势场改善传统人工势场算法动态路径规划能力。研究结果表明,改进后的人工势场算法不仅解决了局部最优问题,还能有效避开动态障碍物完成路径规划。（2）依据人工势场算法优秀的局部避障能力,将人工势场算法应用于车辆-道路场景实现车辆的局部路径规划。参照国家道路技术标准《JTG D20-2017公路路线设计规范》和《JTG B01-2003公路工程技术标准》,在道路引力势场中引入停车视距,作为车辆与当前引力势场中心点的距离,并提出了由道路边界线、道路分界线和道路中心线为斥力势场中心的多行车道道路斥力势场模型,同时采用矩形障碍物斥力模型作为在道路上行驶的障碍物车辆的斥力势场模型,最后采用基于车辆-道路的人工势场算法对车辆换道超车工况进行路径规划。研究结果表明,车辆在道路引力势场、障碍物斥力势场和道路斥力势场的共同作用下,可以在限定的行车道内正常行驶,并能躲避障碍物完成换道超车路径规划。（3）对车辆行驶路径进行跟踪控制。将路径跟踪分为两部分:对于侧向路径跟踪控制,首先建立了基于三自由度单车动力学模型、“魔术公式”轮胎模型和、三角函数的小角度理论优化的线性离散化预测模型,将预测模型与目标函数在约束条件下进行状态量和控制量的最优求解。并结合车速和预测时域近似关系函数,建立变时域模型预测控制器,且以前轮转角作为输出。纵向速度跟踪控制器则设计为分层式的结构。上层PID控制器以速度信心误差为输入,输出期望加速度给下层控制器。下层驱动/制动模式控制器则以期望加速度执行驱动/制动模式切换,输出节气门开度控制量和制动压力输出量,实现对期望速度的跟踪控制。（4）对跟踪控制器的合理性和人工势场算法所得路径的可行性进行验证,在匀加减速工况和连续斜坡式变速工况对纵向速度控制器进行纵向车速跟踪控制验证。同时以换道路径测试侧向跟踪控制器对于路径的跟踪性能,最对人工势场算法所得的换道超车路径进行跟踪仿真试验,试验结果表明,在两次换道过程中跟踪误差较为明显,侧位移误差在0.25m以内,前轮转角也在±1.5°内,满足侧向跟踪控制精度和车辆约束,超车换道路径具备可行性。

关键词：自动驾驶车辆路径规划人工势场算法道路路径规划路径跟踪控制