基于轨迹片段的运动规划方法及其在自主车辆中的应用

论文摘要

本人攻读博士学位期间先后参加了两项与地面无人作战平台密切相关的“十五”国防预研项目,并且承担了其中一个项目的车辆运动控制和另一个项目的运动规划工作。上述项目都已顺利通过项目验收。“十一五”期间将会有后续项目对部分关键技术展开深入研究。其中,越野环境下的运动规划是发展无人作战平台的一项关键技术,运动规划算法对复杂环境的适应性有待进一步提高。车辆运动控制的主要任务是利用车辆速度和方向的控制实现车辆位姿对规划轨迹的快速跟踪。传统运动规划算法仅仅考虑了位形空间的几何约束,忽略了车辆的运动学和动力学特性,因而规划结果不一定是可行的,运动控制系统无法使得车辆准确跟踪规划轨迹。由于传统运动规划算法是以位形空间的分解为出发点,因而传统方法框架下面很难引入车辆运动学和动力学。通常解决的办法是不断修正规划路径的最大曲率和最大曲率变化率等参数,直到车辆顺利通过大部分障碍物。这种“试错”的方法严重降低了自主车辆在复杂越野环境下的通过性,并且系统无法给出规划结果可行性的保证,也很难利用系统动力学特性来改善规划结果。参加上述项目的经历给本人的研究工作带来了启发,运动规划需要与运动控制紧密联系起来,应该在两者的结合点处寻求解决越野环境下运动规划问题的方法。本文针对现有运动规划算法所存在的问题开展了探索性的研究,放弃了传统方法中以空间分解为出发点的思路,改为以车辆的运动学和动力学为主设计车辆的运动轨迹。研究表明,车辆轨迹片段蕴含着车辆的运动学和动力学特性,期望运动轨迹可以借助轨迹片段的连接实现。究竟什么样的轨迹片段可以作为代表,以及怎样连接才能保证最终轨迹依然符合运动学和动力学约束是论文的研究重点,而传统方法如何解决工程问题不再作为重点,只是用来与新方法进行对比说明。本文已经取得的研究成果和创新点概括如下:第一,提出了一种新的运动规划方法——基于轨迹片段的运动规划方法,结合自主车平台设计实现了实时越野运动规划系统。第二,论文首次用形式化语言描述了轨迹片段的定义和连接,并且证明了形式化系统可控性的必要条件,用以指导轨迹片段的设计。论文在李群框架下审视机械系统的动力学方程,普通机械系统所具有的对称性和相对平衡性质为新方法提供了理论依据。轨迹片段包含配平轨迹和机动轨迹,其中配平轨迹是系统处于相对平衡时所经历的轨迹,而机动轨迹则是系统从一个相对平衡跃入另外一个相对平衡所经历的轨迹。第三,从工程实际出发,首先解决了配平轨迹的选择问题,随后给出了车辆动力学模型的二阶动力学简化描述,在此基础上提出了基于BangBang最优控制原理的机动轨迹的设计方法,从而实现了配平轨迹之间的连接;第四,利用动态规划方法,实现了基于轨迹片段连接的最优运动规划;利用随机采样规划方法,实现了基于轨迹片段连接的快速运动规划;通过“十五”国防预研重点项目中的野外场地试验,充分验证了上述方法在各种复杂环境下的适应性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 运动规划的昨天、今天和明天
• 1.1.1 运动规划是什么
• 1.1.2 历史回顾
• 1.2 车辆运动规划问题
• 1.2.1 车辆自主驾驶系统
• 1.2.2 自主车辆的体系结构
• 1.2.3 车辆运动规划和运动控制的关系
• 1.3 论文主要工作和贡献
• 1.3.1 论文主要工作
• 1.3.2 论文主要成果和贡献
• 第二章 系统建模的数学基础
• 2.1 力学控制系统
• 2.2 力学控制系统的李群表示
• 2.2.1 对称性（不变性）
• 2.2.2 相对平衡
• 2.3 车辆系统建模及其李群表示
• 2.3.1 平面运动的车辆SE（2）
• 2.3.2 SE（2）车辆的李群表示
• 2.4 非线性系统分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 配平轨迹和机动轨迹构造方法
• 3.1 基于轨迹片段的运动规划框架
• 3.1.1 轨迹片段基元
• 3.1.2 规划框架的形式化描述
• 3.2 系统分析
• 3.2.1 李群下的配平轨迹和机动轨迹
• 3.2.2 系统可控性
• 3.3 配平轨迹的设计
• 3.4 机动轨迹的设计
• 3.4.1 机动轨迹设计方法概论
• 3.4.2 BangBang 机动轨迹设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 配平轨迹和机动轨迹连接方法
• 4.1 问题表述
• 4.2 研究现状
• 4.3 动态规划算法
• 4.3.1 动态规划的思想
• 4.3.2 动态规划的数值实现
• 4.4 随机采样的规划算法
• 4.4.1 随机采样的规划思想
• 4.4.2 RRT 的算法实现
• 4.4.3 RRT 算法的性能分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 车辆运动规划中的典型问题研究
• 5.1 仿真环境的建立
• 5.2 泊车问题
• 5.2.1 泊车问题描述
• 5.2.2 泊车解决策略
• 5.2.3 泊车仿真结果与分析
• 5.3 车身转向问题
• 5.3.1 转向问题描述
• 5.3.2 转向仿真结果与分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 越野环境下的场地试验
• 6.1 试验背景
• 6.1.1 试验平台
• 6.1.2 试验场景
• 6.2 问题分析
• 6.3 试验过程
• 6.3.1 规划地图的构建
• 6.3.2 分层解耦的运动规划方法
• 6.3.3 基于轨迹片段的运动规划方法
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果