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中華民國第十八屆車輛工程學術研討會,屏東科技大學車輛工程系,台灣屏東,2013 年 12 月 13 日。 The 18th National Conference on Vehicle Engineering, Dec. 13, 2013, NPUST., Pingtung, Taiwan. F4 – 089 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
自主駕駛系統路徑規劃之技術研究
王通溫 1、曾柏凱、洪銘鴻
財團法人車輛研究測試中心
1E-mail:ericwang55@artc.org.tw
科專計畫編號: 102-EC-17-A-01-05-0843
摘要
本研究以開發自主無人駕駛車輛之路徑軌跡規劃
為主,設計一無人自主駕駛車輛行駛於停車場域之路徑
規劃。利用即時動態全球定位系統擷取車輛位置,建立
動態行駛與停車情境下影像與雷射雷達擷取當前路徑
障礙物後的數位地圖,有效的將影像與倒車雷達輔助停
車障礙物偵測與估測,在純追蹤演算法追蹤平行與倒車
停車之車身控制,路徑最佳化透過 Matlab 的模擬,並
利用 LabVIEW 設計模糊邏輯控制與計算出車身動態軌
跡,達成無人自主駕駛行駛於停車場域內的目標,對於
台灣狹小停車空間可協助駕駛者完成自動停車功能。
關鍵詞:車輛軌跡、無人駕駛車、純追蹤演算法。
1. 前言 自主無人駕駛技術隨著汽車工業的快速發展與推動下
日趨成熟,例如:自動停車[1~3]、自動跟車系統[4~5]。
然而,現代都市中停車空間不足的問題經常是駕駛者的
困擾,一般駕駛經驗時常遇到繞行目的地週邊許久後找
到的停車空間不足、受駕駛視線的限制、駕駛者估算車
身與障礙物間距與停車後不方便下車等等問題,產生更
多停車碰撞或放棄尋覓許久車位的問題;此外,在自主
駕駛必須考慮的層級在於路徑的規劃,以車輛導航透過
全球定位系統提供車輛位置,透過導航設備所包含的資
料庫來規劃較長距離的路徑,自主駕駛層級而言,需要
的是短距離且即時處理的路徑規劃,例如:車道變換、
障礙物閃避與自動停車的駕駛輔助系統,而大部分系統
涵蓋了環境感知、路徑規劃與駕駛控制三個層級,若可
以結合現代的感知及控制技術,發展一套車子可自動輔
助駕駛者判斷與決策的系統,相信許多駕駛停車的不便
利性議題,即可以在發展自主無人駕駛輔助系統後,獲
得相當的改善。
2. 研究方法 本研究主要開發一自主駕駛系統雛形車,藉由先進
駕駛輔助系統的技術整合,將已開發的車道偏移警示、
前方防撞警示、慣性導航與即時動態全球衛星定位系統
等技術整合,以投入停車輔助技術的開發。主要的內容
包含停車場情境設計、車輛動態模型、停車空間估計、
車輛位置估測與路徑規劃等,以上技術包含停車空間偵
測與定位:結合超音波與影像感測器,進行空間量測定
位;停車路徑規劃與路徑追蹤控制:系統依據該車的起
始位置與迴轉半徑,進行路徑規劃與追蹤動作;車輛慣
性定位與電動轉向控制:主要為車輛相對位置推算與方
向盤轉向控制;人機操作顯示界面:提供系統與駕駛者
方便的互動。
2.1 停車場情境設計 自主駕駛停車場情境如圖 1.示意圖,本研究針對無
人駕駛車輛行駛於停車場域之路線建立數值化地圖,於
自主駕駛車輛規劃到達的路段提供如航點信息,停止標
誌的位置,車道寬度,檢查點的位置和停車點的位置。
圖 1(b)顯示設定的航點有三種型態,退出航點(Exit
waypoint, 標示為紅色圓點)表示為車輛駛離本路段可
進入下一或二路段航點;進入航點(Entry Waypoint, 標
示為藍色圓點)分佈於路段進入點與鄰接路段中(檢查航
點 Checkpoint Waypoint, 標示為綠色圓點)等。為準確維
持車輛行駛路線,研究設計任務路徑結合即時動態全球
衛星定位系統將目前車輛所在位置與航向資訊透過系
統讀取其任務路徑與檢查航點追蹤,以維持目前航向正
確性,任務路徑透過系統將車輛控制命令傳送至車輛控
制元件,其命令格式如圖 1(b)圖顯示停車系統路徑設計
相關航點,右方附表顯示,每一道路路段區塊設定,其
格式涵蓋車輛行駛的軌跡資訊與停車場道路速限資
訊,設定為每一路段皆必須執行一次設定。
圖 1 (a)自主駕駛停車場情境示意圖
mailto:ericwang55@artc.org.tw
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中華民國第十八屆車輛工程學術研討會,屏東科技大學車輛工程系,台灣屏東,2013 年 12 月 13 日。 The 18th National Conference on Vehicle Engineering, Dec. 13, 2013, NPUST., Pingtung, Taiwan. F4 – 089 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
圖 1 (b)自主駕駛軌跡航點示意圖
考量一般停車場速度限制,本研究之系統停車速度為每
小時 5 公里,一般障礙物閃避時速為 5~10 公里,因此,
系統轉向控制可忽略輪胎的側向力,在低速時可滿足阿
克曼幾何轉向(Ackerman condition)理論值。
2.2 停車場域路徑規劃 本研究主要以即時動態全球衛星定位系統,如圖 2
所示架構,使用者可上網預約停車場目前可停位置狀
態,透過使用者介面選擇所需要之停車位置,停車系統
回應停車位置資訊,建立出車輛行駛路徑,以提供無人
駕駛車輛追蹤路徑。圖 3 顯示自主駕駛車輛控制流程,
自主駕駛車輛配置車輛位置估測與停車位置估測演算
法,以個人行動電腦為基礎計算所需要之行車路徑,此
外,系統中需要環境偵測資訊,透過 LM291 雷射雷達
與車載攝影機蒐集行駛路徑障礙物與可行駛的空間,系
統會建立一張數位地圖顯示車輛與環境中觀測的人車
物相對應的距離與角度關係,車輛透過車身網路將方向
與輪速提供慣性導航電路計算目前車身姿態,系統建立
當前速度下最佳行駛路徑,駕駛者可於停車場入口下
車,駕駛者參考最佳路徑與停車格建議後透過智慧裝置
命令車輛以自主駕駛車輛行駛至停車格,車載系統將執
行系統規劃之路徑,透過純追蹤演算法與模糊邏輯控制
自主駕駛車輛至停放位置。圖 4 說明使用者與車載系統
透過網路獲得車輛目前行駛位置顯示,告知駕駛者當前
車輛狀態與位置,完成停車動作。
圖 2 自主駕駛架構示意圖
圖 3 自主駕駛車輛控制流程圖
圖 4 自主駕駛車輛行駛路徑圖,左圖顯示市售 GPS
量測停車軌跡路徑;右圖顯示 Google Map呈
現停車軌跡圖。
2.3 車輛動態模型 本研究以車輛運動模型建立車輛與停車環境的相
對關係,結合車體的行進特性以規劃最佳行駛路徑。圖
5說明車輛動態模型主要是以阿克曼轉向幾何關係進行
建立移動路徑,因其理論假設車輛速度是非常小的條件
時成立,此時車輛的側向力是可忽略[6]。因而車輛的運
動受到 Non-Holonomic 限制,要控制車輛倒車至停車定
點,就必須跟隨車輛的運動特性(Car-Like Motion)去設
計控制系統,而為了能準確的預測倒車時的行進路徑,
車輛實際的運動軌跡必須加以數學模式化。其中(xf , yf)
為前軸中心點的座標,(xr ,yr)為後軸中心點座標,v 為
前軸中心點的速度,l 為軸距,w 為後輪距,ψ (等於
圖 5 之ψ)為前軸中心點轉向角,θ為車輛中心軸與水
平方向的夾角。基於後輪無滑移現象,亦即後輪軌跡的
徑向速度為零,其表示如下:
0sincos
rr xy (1) 由圖 2 可得到前、後軸中心點的座標關係為:
coslxx fr (2)
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中華民國第十八屆車輛工程學術研討會,屏東科技大學車輛工程系,台灣屏東,2013 年 12 月 13 日。 The 18th National Conference on Vehicle Engineering, Dec. 13, 2013, NPUST., Pingtung, Taiwan. F4 – 089 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
sinlyy fr (3) 將(2)~(3)代入(1)式可以獲得
0sincos
lxy ff (4) 為獲得方向角度與車速間的關係,可由圖 2 獲得前軸中
心點的 x、y方向速度
)cos(
vx f (5)
)sin(
vy f (6)
將(5)~(6)代入(4)式可以獲得車輛迴轉角速度
l
v
s i n
(7)
將(2)~(3)微分後可得其速度關係
sinlxx fr
(8)
coslyyfr
(9)
由(5)~(7)代入(8)~(9)可求得後軸中心點 X、Y 方向速度
為
sincosvx r
(10)
cossinvy r
(11)
其次將(7)積分後代入(10)~(11),再對時間積分即可獲得
後軸中心點的軌跡
tl
vldtvtxr
sinsincotcoscos)( (12)
dtvtyr cossin)(
cotsin
coscot ltl
vl (13)
然而,(12)與(13)式主要由前輪轉向所獲得的轉向角,
需要藉由方向盤轉角的量測,來預測倒車時後輪的行進
軌跡,經由圖 3 輪速幾何轉向可以獲得左、右後輪所行
走的距離為SR與SL,Rwheel 為輪子半徑,NR與NL為輪速的轉數。
RwheelR NRS (14)
LwheelL NRS (15)
圖 5 車輛運動學模型示意圖
由(14)與(15)式可以獲得速度與時間和左右後輪移動距
離的關係
T
SSv LRr
1
2 (16)
rear
LR
l
SS (17)
藉由所得到的後輪速與轉向角建立汽車的座標系統如
下:
Tvxx rrr cos (18)
Tvyy rrr sin (19)
圖 6.輪速幾何轉向示意圖
透過(12)與(13)方程式計算後可以獲得車輛後軸心軌跡
可藉圖 6 之幾何關係延伸描繪左右後輪的軌跡點,因積
分時的時間需要較小的間隔,本研究以每 0.1 秒及輪胎
轉向角 30 度代入方程式計算,可獲得圖 7 之左右後輪
軌跡描繪點。
圖 7 模擬倒車軌跡路徑圖
2.4 行駛空間估測法與路徑決策機制 自主駕駛停車導引系統的停車空間偵測,需要準確
判斷道路兩旁車輛之位置,以計算停車空間是否足夠,
並預估停車格的二維座標。本研究在路徑規劃演算執行
前,透過車載影像、雷射雷達蒐集即時的道路障礙位
置,依據雷射雷達產生的距離與角度與行駛車輛速度上
的關係,經過影像辨識確認障礙物的類別後,建立一張
模糊控制的電子地圖,如圖8所示。地圖中以車輛為中
心並區分8個方向監控四周的靜態或動態物體,車輛行
進時由動態方程式與方向轉角的關係建立當前速度的
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中華民國第十八屆車輛工程學術研討會,屏東科技大學車輛工程系,台灣屏東,2013 年 12 月 13 日。 The 18th National Conference on Vehicle Engineering, Dec. 13, 2013, NPUST., Pingtung, Taiwan. F4 – 089 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
曲率與可行駛路徑估測,其中行駛方向與方向轉角的關
係透過阿克曼轉向角獲得,計算核心估測出行駛時左右
轉向合理的轉向曲率,產生車輛當前速度下難易轉向角
度,如圖中藍色線接近LF(難轉向)與接近F(易轉向)的估
測曲線。
圖 8. 模糊控制演算法情境示意圖
圖 9(a)模糊邏輯控制車輛前進演算的歸屬函數
車輛行駛控制策略以模糊邏輯控制為主,圖 8 顯示
依據 2.2 小節所建立之人車物位置電子地圖,利用人機
介面呈現影像範圍內可辨識的相關位置於地圖中,依據
辨識後障礙物角度與距離關係,設計模糊控制,此圖為
一張 100100 公尺的數值圖,受限於 LM291 可辨識距
離約為 80 公尺設計,並考量影像辨識距離約有 25 公
尺,設計出模糊控制系統,在可行駛的範圍內操作車輛
行駛至目標位置,圖 9(a)顯示模糊邏輯控制前進控制的
歸屬函數,圖 9(b) 模糊邏輯控制倒車控制的歸屬函
數,輸入的變數有二,考慮行駛的位置與方向為主;輸
圖 9(b)模糊邏輯控制車輛倒車演算的歸屬函數
圖 10(a)模糊邏輯控制車輛前進關係函數
圖 10(b)模糊邏輯控制車輛倒車關係函數
出變數為方向盤控制角度,車輛之停車速度為 5 公
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中華民國第十八屆車輛工程學術研討會,屏東科技大學車輛工程系,台灣屏東,2013 年 12 月 13 日。 The 18th National Conference on Vehicle Engineering, Dec. 13, 2013, NPUST., Pingtung, Taiwan. F4 – 089 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
里不控制油門的操作設計停車狀態。圖 10(a)模糊邏輯
控制車輛前進關係函數圖,圖 10(b)模糊邏輯控制車輛
倒車關係函數圖,目前系統以模擬測試是否可執行,配
合其他系統演算技術整合後,將裝車測試可行性。
2.5 路徑控制演算法 車輛路徑規劃採用Pure Pursuit algorithm [7]進行路
徑追蹤。Pure Pursuit algorithm為一成功被應用於目標追
蹤的演算法。Pure Pursuit algorithm主要目的在於使得自
主車輛可以正確地行駛於規劃的路徑上,其主要作用為
分段控制自主車輛的轉向曲率,讓自動駕駛車輛行駛於
規劃之路徑上。由於是室外停車場,且利用RTK-GPS
精準定位出停車場的行車路徑,因此我們利用Pure
Pursuit algorithm追蹤停車場的行車路徑將可讓自動駕
駛車輛控制於規劃的停車場行車路徑。
Pure Pursuit 之原理如圖 11 所示,自動駕駛車輛以自身
後軸中心點為原點(0,0),視追蹤路徑上的某一點(x,y)為
當前追蹤目標點,兩點直線距離為 l, 輛旋轉半徑為 r,
因此我們可以得到下列兩個式子: 222 lyx (20)
rdx (21) 由(21)得到,
xrd (22) 由圖 XX 再得到關係式,
222 ryd (23)
圖 11. Pure Pursuit 追蹤方法 [7]
將(22)帶入(23),得到
222 ryxr (24) 簡單整理後得到,
x
lr
2
2
(25)
因此,利用(25)將可得到以自身後軸中心點為原點(0,0)
到追蹤路徑上的某一點(x,y)的曲率,
2
2
l
x (26)
當知道迴轉曲率即可知道車輛方向盤轉角。因此,自動
駕駛車輛便可行駛於規劃之路徑上。如圖 12, 為一 Pure
Pursuit 路徑追蹤示意圖。圖中自動駕駛車輛以 A 點為
起始點,開始追蹤紅色已規劃路徑,藍色路徑為自動駕
駛車輛行經路徑。最後自動駕駛車輛於 B 點成功行駛於
已規劃路徑上。
A B
圖 12 Pure Pursuit 路徑追蹤示意圖。
2.6 車輛系統架構與功能實做 車輛有效率的停入空間可分解三個程序,首先是依
據車輛目前的位置,計算出程式初始值以推導出目標空
間座標,接續第二個動作是要計算出何處是反轉方向盤
之位置,以便後續操作順利進入停車空間,此時的車輛
行進方向是往後進行的;最後的動作即操控車輛向前移
動至停車空間之中央位置。
圖13自主駕駛車輛感測系統
研究所使用的系統環境感測空間說明如圖13所
示,系統包含雷射雷達、機器視覺、盲點偵測技術與後
方倒車與後方倒車影像等功能運用於自主駕駛車輛環
境感知系統。圖14(a) RTK-GPS與一般市售GPS同時擷
取訊號圖匹配在Google Map呈現即時位置,自主駕駛車
實作上採用兩顆即時全球定位系統(RTK-GPS)分別置
於車輛重心與後輪軸中心的車頂上,以即時獲得車輛航
向數據。圖14(b)說明一般市售GPS在轉彎處與橫向行駛
時容易出現漂移,其軌跡點並非在實際道路上。14(c)
顯示出兩顆即時全球定位系統航跡圖,藉由此圖可說明
定位的準確度,同時擷取出軌跡與航向等資訊提供自主
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中華民國第十八屆車輛工程學術研討會,屏東科技大學車輛工程系,台灣屏東,2013 年 12 月 13 日。 The 18th National Conference on Vehicle Engineering, Dec. 13, 2013, NPUST., Pingtung, Taiwan. F4 – 089 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
車輛控制。
圖14(a) RTK-GPS與一般市售GPS同時擷取訊號圖。
圖14(b) RTK-GPS與一般市售GPS訊號圖。
圖14(c)同時接收兩顆RTK-GPS訊號圖。
另一方面,論文的路徑追蹤是先利用模擬的方式計
算出系統最佳行駛路徑,有些重要的參數,包含有車輛
的寬度與車輛最小迴轉半徑,與停車格空間資訊等,圖
15為倒車停車模式模擬,路徑透過Matlab的模擬倒車軌
跡,紅色與藍色為障礙物,黃色標示為行駛車輛,以倒
車方式行駛進入狹小空間,因此模擬時並未參考現有停
車空間設計,未來應用於實際停車空間設計時,可朝向
較高密度的停車空間來設計停車場停放位置。
圖 15 倒車入庫模式停車軌跡示意圖
3. 結論 利用即時動態全球定位系統擷取車輛位置,建立動
態行駛與停車情境下影像與雷射雷達擷取當前路徑障
礙物後的數位地圖,有效的將影像與倒車雷達輔助停車
障礙物偵測與估測,在純追蹤演算法追蹤平行與倒車停
車之車身控制,路徑最佳化透過Matlab的模擬,並利用
LabVIEW設計模糊邏輯控制與計算出車身動態軌跡,達
成無人自主駕駛行駛於停車場域內的目標,對於台灣狹
小停車空間可協助駕駛者完成自動停車功能。
4. 致謝 本研究特別感謝經濟部技術處創新前瞻技術研究計畫
編號:102-EC-17-A-01-05-0843 給予的支持。此外,特
別感謝本中心許展維博士給予論文上的協助。
5. 參考文獻 [1] J. Timpner, L. Wolf, “A Back-end System for an
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中華民國第十八屆車輛工程學術研討會,屏東科技大學車輛工程系,台灣屏東,2013 年 12 月 13 日。 The 18th National Conference on Vehicle Engineering, Dec. 13, 2013, NPUST., Pingtung, Taiwan. F4 – 089 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
[5] Y. Kageyama, Look, no hand! New Toyota parks itself. http://www.cnn.com, 14 January (2004)
[6] R. N. Jazar, Vehicle Dynamics : Theory and Application, Springer, 2008.
[7] R. C. Coulter, “Implementation of the pure-pursuit path tracking algorithm,” Tech. Rep.
CMU-RI-TR-92-01, Robotics Institute, Carnegie
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http://www.cnn.com/
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