淺析幾種無人駕駛汽車路徑規(guī)劃算法

楊時川　胡曉曉　胡漢橋

摘 要：路徑規(guī)劃是自動駕駛關鍵技術之一，各種路徑規(guī)劃算法現已不斷改進并不斷涌現。本文根據全局和局部路徑規(guī)劃對常用路徑規(guī)劃算法進行分類，對幾種常用的路徑規(guī)劃算法原理進行介紹，并分析其發(fā)展方向。

關鍵詞：無人駕駛 路徑規(guī)劃 算法原理 發(fā)展方向

Analysis of Several Unmanned Vehicle Path Planning Algorithms

Yang Shichuan，Hu Xiaoxiao，Hu Hanqiao

Abstract：Path planning is one of the key technologies of autonomous driving. Various path planning algorithms have been continuously improved and emerging. This article classifies common path planning algorithms based on global and local path planning， introduces the principles of several common path planning algorithms， and analyzes their development direction.

Key words：unmanned driving， path planning， algorithm principle， development direction

1 引言

自動駕駛汽車能夠自動感知周圍環(huán)境、根據環(huán)境信息自動做出運動決策并實施行駛。自動駕駛系統的關鍵技術主要由四個部分組成，分別為：環(huán)境感知、行為決策、路徑規(guī)劃和運動控制。環(huán)境感知即為車輛憑借自身的各傳感器相互配合工作來保證車輛正常行駛，常用的傳感器有圖像傳感器，激光雷達，毫米波雷達，超聲波雷達，生物傳感器。行為決策是根據傳感器獲得的信息對未來一段時間的行車環(huán)境進行預測，如車道保持、轉彎、制動、加速等。運動控制是指根據行為決策和路徑規(guī)劃對車輛本身運動狀態(tài)進行控制，以達到期望的路徑和期望的速度。

路徑規(guī)劃是是指生成一條連接車輛行駛起點位置與終點位置，且不與環(huán)境中障礙物發(fā)生碰撞的幾何路徑[1]。實際上兩個關鍵點分別是車輛從A點到B點，不與環(huán)境中障礙物發(fā)生碰撞。一般前者稱為全局路徑規(guī)劃，根據全局靜態(tài)地圖規(guī)劃出一條從起始點到目標點的可行駛的最優(yōu)路徑。后者則體現了局部路徑規(guī)劃含義，智能車輛的局部路徑規(guī)劃是指基于傳感器等設備感知行駛遇到的空間障礙物，在滿足動力學、運動學約束以及穩(wěn)定性、舒適性等評價指標的條件下預先或者實時地為智能車輛規(guī)劃出從出發(fā)點到目標點的最優(yōu)路徑[2]。自動駕駛技術路線很多是在輪式機器人的技術路線基礎上改進和發(fā)展。

2 全局路徑規(guī)劃算法

對于全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃因為要考慮的內容不一樣，所以在選擇算法時也會有各自傾向。自動駕駛技術路線很多是在輪式機器人的技術路線基礎上改進和發(fā)展，因此很多算法也是在此基礎之上改進以適合自動駕駛的情形，全局路徑規(guī)劃算法主要有A*算法、可視圖法、模擬退火法、遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法等，現在將全局路徑規(guī)劃典型算法進行簡單介紹。

2.1 A*算法

A*算法是一種靜態(tài)路網中求解最短路徑最有效的直接搜索方法，依據代價函數來搜索最優(yōu)路徑，既考慮從初始結點到當前結點的代價值，又考慮了當前結點到目標結點的啟發(fā)值，是一種啟發(fā)式搜索算法[3]。在路徑搜索過程中，A*算法使用代價函數來評估節(jié)點的質量，算法將選擇的代價函數數值最小的節(jié)點作為下一步的節(jié)點，然后它將繼續(xù)從下一個節(jié)點搜索，直到達到目標點。

A*算法的代價函數如下：

f（n）=g（n）+h（n）

其中函數f（n）是結點n的當前代價值，函數g（n）是從初始結點到當前結點 n的實際代價值，h（n）是啟發(fā)函數，為當前結點n 到目標結點最短路徑的估計代價，是一個預測值。g（n）經常都是固定的數值，然而h（n）卻不是固定的，它的改變會影響到f（n）是否為最短路徑。因此在 A*算法中，啟發(fā)函數h（n）的設計非常重要，合理的啟發(fā)函數設計能幫助A*算法在路徑規(guī)劃中快速簡潔，提高尋路效率。啟發(fā)函數一般有四種表達式，但是最常用的是用曼哈頓距離定義。

曼哈頓距離：坐標橫縱方向的距離之和，允許向上、下、左、右移動，啟發(fā)函數表示為：h（n）=D*[abs（xb-xn）+abs（yb-yn）]，（xb，yb）為目標節(jié)點坐標，（xn，yn）為當前結點坐標，其中D表示h（n）的代價系數，一般取為10。但是針對不同的環(huán)境，可以選用不同的代價系數，例如文獻3就根據當前節(jié)點和目標結點的距離不同，嘗試用不同代價系數D，當障礙物環(huán)境地圖不變的情況下減少了搜索時間。文獻4提出了一種融合改進A*算法和動態(tài)窗口法的全局動態(tài)路徑規(guī)劃方法。設計了一種關鍵點選取策略，能夠去除傳統A*算法規(guī)劃路徑序列中的冗余點，從而提高路徑規(guī)劃性能[4]。

2.2 蟻群算法

蟻群算法是一種仿生算法，它是用來尋找優(yōu)化路徑的機率型算法。螞蟻從蟻穴出發(fā)，在尋找食物過程中，在路徑上會釋放信息素來提醒同伴這條路徑是否為一條優(yōu)秀路徑。蟻群算法的尋路模型可以簡化如圖1所示，1號螞蟻選擇{e1}路徑取得食物并返回，2號螞蟻選擇{e2+e3}路徑，信息素會隨著時間的推移而逐漸揮發(fā)，在1號螞蟻返回時，{e1}路徑上會存在兩倍于{e2+e3}路徑上的信息素，剩下的螞蟻在尋找食物時，根據信息素的濃度選擇行走的方向，幾個周期后，大部分螞蟻就會逐漸集中在最短路徑{e1}上。

它最開始被用來解決旅行商問題，即從原點出發(fā)，經過若干個給定的需求點，最終返回原點的最短路徑。后來世界各地研究工作者對蟻群算法進行了研究和應用開發(fā)，該算法現已被大量應用于數據分析，路徑規(guī)劃，機器人協作問題，水利，采礦等領域。在建立模型時，初始化參數會對結果產生較大影響，容易陷入局部最優(yōu)，所以在建立模型時要選擇合適螞蟻數量，信息素常量，迭代次數，信息素揮發(fā)因子等大小。為了加快運算速度并得到最優(yōu)解，有不同學者對蟻群算法進行改進。在路徑規(guī)劃研究領域中，文獻5對于地圖環(huán)境靜態(tài)不變的問題，在路徑規(guī)劃的初始階段，改進算法根據地圖的結構和目標點的位置信息給螞蟻正確的方向引導，并以此來優(yōu)化初始信息素的分布，加快了算法的搜索速度[5]。文獻6從信息素的更新方式及局部搜索策略方面進行了改進，并將虛擬路徑這一概念應用于動態(tài)路徑規(guī)劃中[6]。

3 局部路徑規(guī)劃算法

局部路徑規(guī)劃，也稱為避障路徑規(guī)劃，即考慮本車和障礙物之間的幾何關系尋找出一條避免與障礙物發(fā)生碰撞的路徑，是無人駕駛汽車的重要功能模塊之一。常用的局部路徑規(guī)劃算法有人工勢場法、神經網絡算法、快速搜索隨機樹法、智能水滴算法等。

3.1 人工勢場法

人工勢場法路徑規(guī)劃的基本思想是將汽車在環(huán)境中的運動設計成為一種抽象的人造引力場中的運動。在無人駕駛汽車的運行環(huán)境中，人工勢場模型的引力主要來源于目標點對汽車的引力勢場，與目標點距離越大引力勢能越強，引力方向朝向目標點。障礙物對汽車產生斥力，斥力的大小隨著與障礙物的距離增大而減小，方向指向遠離障礙物方向。最后根據引力和斥力的合力來控制汽車的運動。

智能汽車受到的勢場是單個引力勢場和斥力勢場之和，可表示為：

Utotal（X）=Uatt（X）+Urep（X）

汽車所受合力為：Ftotal（X）=Fatt（X）+Frep（X）

汽車在實際環(huán)境中自主駕駛時，外部環(huán)境是動態(tài)的和變化的，并沒有考慮車輛行駛動力學和運動學，因此在實際使用時需要增加約束條件。人工勢場法也有自己的局限性，如當車輛離目標點很遠時，引力特別大，相對較小的斥力在甚至可以忽略的情況下，物體路徑上可能會碰到障礙物，又如在某個點，引力斥力剛好大小相等，方向相反，則車輛容易陷入局部最優(yōu)解或震蕩。

3.2 快速搜索隨機樹算法

快速搜索隨機樹算法（RRT）RRT是一種在完全已知的環(huán)境中通過采樣擴展搜索的算法，它以一個初始點作為根節(jié)點，通過隨機采樣增加葉子節(jié)點的方式，生成一個隨機擴展樹，當隨機樹中的葉子節(jié)點包含了目標點或進入了目標區(qū)域，便可以在隨機樹中找到一條由從初始點到目標點的路徑。采用RRT算法進行無人駕駛車輛路徑規(guī)劃步驟如下：

3.2.1 初始化

需要提供已知環(huán)境地圖，包括障礙物位置以及終點位置。然后將車輛的起點作為隨機樹的根節(jié)點。

3.2.2 隨機采樣

隨機樹在生長時理論上是朝著終點進行生長，但是由于有障礙物的存在，所以在每次選擇生長方向時，有一定的概率會向著目標點延伸，也有一定的概率會隨機在地圖內選擇一個方向延伸一段距離。

3.2.3 樹節(jié)點擴展

在選取采樣點之后，如何判斷采樣點是否為隨機樹節(jié)點？這里采用的策略是尋找距離采樣點最近的樹中的節(jié)點，將其作為新擴展的節(jié)點的父節(jié)點，然后以該父節(jié)點為基礎，向采樣點的方向延申一定距離，將延伸后的節(jié)點作為新節(jié)點并加入樹中。這個步驟的前提條件是新節(jié)點以及父節(jié)點到新節(jié)點的路徑不發(fā)生碰撞，如果發(fā)生碰撞，則放棄該采樣點和新節(jié)點。

3.2.4 終止條件

一般情況下，在樹節(jié)點擴展的方法基礎上，可以將擴展的新節(jié)點是終點作為終止條件，為了避免不存在路徑導致的死循環(huán)問題，增加最大迭代次數作為另一個終止條件。

該算法也有自己的局限性，作為一種隨機性算法，在同樣的環(huán)境中可能得到不同的路徑，而且隨機采樣的特性會導致路徑不平滑。

4 總結與展望

無人駕駛中的路徑規(guī)劃算法有很多，但是都有自己的局限性，可以結合各自算法優(yōu)缺點使多種算法相融合。在路徑規(guī)劃中要考慮動態(tài)障礙物、道路安全法規(guī)、車輛行駛動力學和運動學等問題。車輛運動速度快，也需要考慮算法的復雜程度，減少計算的時間，更快的做出決策。

課題來源：湖北省武漢軟件工程職業(yè)學院“一專一項”教學改革項目。

參考文獻：

[1]袁師召，李軍.無人駕駛汽車路徑規(guī)劃研究綜述[J].汽車工程師，2019，05：11-13.

[2]張朋飛，何克忠，歐陽正柱等.多功能室外智能移動機器人實驗平臺-THMR-V[J].機器人，2002，06：88-95.

[3]關泉珍，鮑泓，史志堅.基于A*算法的駕駛地圖路徑規(guī)劃實現[J].北京聯合大學學報（自然科學版），2016，30（02）：31-39.

[4]程傳奇，郝向陽，李建勝等.融合改進A*算法和動態(tài)窗口法的全局動態(tài)路徑規(guī)劃[J].西安交通大學學報，2017，51（11）：137-142.

[5]喻環(huán).改進蟻群算法在機器人路徑規(guī)劃上的應用研究.[D].安徽：安徽大學，2017：11-20.

[6]譚寶成，宋潔.蟻群算法在無人駕駛智能車中的應用及改進[J].理論與方法，2012，31（9）：15-17.