基于动态窗口与改进人工势场法的智能车辆路径规划方法

本发明涉及智能车辆，具体为基于动态窗口与改进人工势场法的智能车辆路径规划方法。

背景技术：

1、人工势场法(artificial potential fields,apf)是移动车辆路径规划的有效方法。该方法的核心在于在车辆运动空间内构建一个势场，由目标点的吸引力和障碍物的排斥力组成，指导车辆沿势能梯度下降的方向从起始点移动至目标点。脱离函数是在人工势场法中设计的一个关键机制，用于增强该方法的鲁棒性，特别是在复杂环境中。它的主要作用是帮助车辆逃离势场的局部最小点。当车辆可能陷入局部最优解时，即合力过小无法驱动车辆有效移动时，脱离函数通过施加随机扰动来帮助车辆摆脱这种状态。在原始的人工势场法中，这种机制简化为让车辆在下一时刻随机地向任意方向移动一小步，以此来打破局部最优的僵局。合力计算是人工势场法中的关键步骤，其基于两个物理学原理：虚功原理和结构静力平衡原理。动态窗口法(dynamic window approach,dwa)是一种在局部路径规划与避障策略中广泛应用的方法，它考虑了车辆本身的机械特性，利用动态窗口机制迅速决策出最适合的移动轨迹和速度配置。计算窗口在动态窗口法中指的是在特定时间段内，基于车辆的动态约束(如最高加速度和速度限制)所能达到的所有可能速度(线速度和角速度)的集合，这个窗口具有动态特性，它随车辆当前速度和加速能力变化。

2、脱离函数的主要目的是在车辆遇到局部最小值时，帮助其找到新的路径继续前进。原有算法中的脱离函数仅仅是简单地指导车辆随机前进一步以脱离局部最小值，但这种方法效率低下，成功率有限，且不适合真实车辆行驶环境。

3、为了解决上述问题，研究将脱离函数与动态窗口法结合，增强了其在实际应用中的鲁棒性和成功率，以提高融合算法在智能车辆路径规划和避障中的有效性。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了基于动态窗口与改进人工势场法的智能车辆路径规划方法，研究将脱离函数与动态窗口法结合，增强了其在实际应用中的鲁棒性和成功率，以提高融合算法在智能车辆路径规划和避障中的有效性。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于动态窗口与改进人工势场法的智能车辆路径规划方法，包括以下步骤：

3、步骤一、确认规划路线，通过完成参数初始化及环境准备工作后，提取相关数据并执行全局规划，以确立行进轨迹，并计算车辆当前所受的合力方向，判断是否陷入局部最优解，陷入局部最优解则调用脱离函数帮助车辆摆脱局部最优解，反之则退行速度、方向和位置，直至在抵达终点前持续进行合理方向的计算以及进行判断；

4、步骤二、安全性判断，提取车辆当前状态信息并运行安全性判断函数，以确定车辆的当前安全状况，并进行安全性判定，划分高、中、低三个安全性等级，系统将采用持续监控障碍物位置、缓和避障或紧急避障策略中的任意一种行动方式；

5、步骤三、避障模式的选择，根据安全性判断函数的返回结果，在高、中、低三种不同的避障执行方式中选择一个适合的避障方式，并相应更新车辆状态，随后进行判断，判断系统是否需要回归全局规划重新计算路径，确保车辆安全有效地到达终点。

6、优选的，所述步骤一中，将汽车所受合力阈值定为m，当车辆所受合力值连续五次小于m时，则判定为陷入局部最小值问题，并转为动态窗口法规划接下来的路径。

7、优选的，所述动态窗口法为脱离函数的计算方法，且将脱离函数的迭代次数标志为上限n，以记录脱离函数的迭代次数，当迭代次数达到上限，车辆仍未能脱离局部最小点，算法将减小计算步长的方法，并尝试多可能性以帮助车辆脱离局部最小值问题。

8、优选的，所述步骤二中安全性判断包括车辆的动态性能、环境感知能力、决策系统的准确性与对未知因素的应对能力，综合使用刹车距离安全系数和环境密度系数来判断车辆当前的安全性，以增强环境适应性和行驶安全性。

9、优选的，所述环境密度系数通过构建特殊函数，用以判断环境密度系数，以评估车辆周围环境的密集程度，为综合判断当前的安全状态提供数据，该函数采用了两种距离测量方法：用于量化车辆与每个障碍物之间的直线距离、表明车辆与障碍物之间的最短距离的欧氏距离和考虑实际的导航路径、代表了车辆与障碍物之间实际可行路径距离的曼哈顿距离。

10、优选的，所述刹车距离安全系数采用指数函数模型来描述刹车后的安全距离与刹车距离安全系数之间的关系，能够进行刹车距离增加时安全系数的快速上升行为的模拟，从而为驾驶系统提供更加精确和实时的安全评估。

11、优选的，所述步骤三中安全性为高时，将对环境进行监控，检测环境中的障碍物位置是否有所变化，当障碍物位置发生变化，将触发全局路径规划的过程，重新计算行驶路线。

12、优选的，所述步骤三中安全性为中时，将采用动态窗口法下的缓和避障策略，首先对线速度进行调整，并调用计算窗口函数中的线速度、线加速度计算窗口，调出评价窗口、评价车辆速度和障碍物窗口，在评价窗口中选择最优窗口后，更新系统状态，并再度评价安全性，安全性高则结束评价，反之则重新进行线速度调整和窗口评价。

13、优选的，所述步骤三中安全性为低时，将采用紧急避障策略，首先对线速度和角速度进行调整，并调用计算窗口函数中的线速度和角速度相关窗口，调出评价窗口、评价车辆速度和障碍物窗口，在评价窗口中选择最优窗口后，更新系统状态，并再度评价安全性，安全性高则结束评价，反之则重新进行线速度调整和窗口评价。

14、优选的，系统更新车辆状态的过程为持续状态，直至系统的安全性评级提升，且随着安全性评级的变化，系统会相应地调整其避障策略，以此确保实时响应各种情况来最大化车辆的安全性。

15、本发明提供了基于动态窗口与改进人工势场法的智能车辆路径规划方法。具备以下有益效果：

16、1、本发明通过增强了路径规划策略中的安全性评估，有助于智能车辆在复杂环境中作出更准确的避障决策，路径规划策略中，碰撞预测模型是一个关键组成部分，它融合了动态窗口法和人工势场法的原则，并综合考虑了多个影响刹车性能的因素，如路面条件、车辆间的相对距离及各自的刹车加速度，从而能够准确评估车辆间的安全距离。

17、2、本发明方法提升了智能驾驶系统的反应速度，而且显著提高了行车安全。综合这些要素，本模型为智能车辆在复杂环境下进行有效的避障和路径规划提供了强有力的数据支持。

18、3、本发明方法系统更新车辆状态的过程为持续状态，直至系统的安全性评级提升，且随着安全性评级的变化，系统会相应地调整其避障策略，以此确保实时响应各种情况来最大化车辆的安全性。

技术特征：

1.基于动态窗口与改进人工势场法的智能车辆路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于动态窗口与改进人工势场法的智能车辆路径规划方法，其特征在于，所述步骤一中，将汽车所受合力阈值定为m，当车辆所受合力值连续五次小于m时，则判定为陷入局部最小值问题，并转为动态窗口法规划接下来的路径。

3.根据权利要求2所述的基于动态窗口与改进人工势场法的智能车辆路径规划方法，其特征在于，所述动态窗口法为脱离函数的计算方法，且将脱离函数的迭代次数标志为上限n，以记录脱离函数的迭代次数，当迭代次数达到上限，车辆仍未能脱离局部最小点，算法将减小计算步长的方法，并尝试多可能性以帮助车辆脱离局部最小值问题。

4.根据权利要求1所述的基于动态窗口与改进人工势场法的智能车辆路径规划方法，其特征在于，所述步骤二中安全性判断包括车辆的动态性能、环境感知能力、决策系统的准确性与对未知因素的应对能力，综合使用刹车距离安全系数和环境密度系数来判断车辆当前的安全性，以增强环境适应性和行驶安全性。

5.根据权利要求4所述的基于动态窗口与改进人工势场法的智能车辆路径规划方法，其特征在于，所述环境密度系数通过构建特殊函数，用以判断环境密度系数，以评估车辆周围环境的密集程度，为综合判断当前的安全状态提供数据，该函数采用了两种距离测量方法：用于量化车辆与每个障碍物之间的直线距离、表明车辆与障碍物之间的最短距离的欧氏距离和考虑实际的导航路径、代表了车辆与障碍物之间实际可行路径距离的曼哈顿距离。

6.根据权利要求4所述的基于动态窗口与改进人工势场法的智能车辆路径规划方法，其特征在于，所述刹车距离安全系数采用指数函数模型来描述刹车后的安全距离与刹车距离安全系数之间的关系，能够进行刹车距离增加时安全系数的快速上升行为的模拟，从而为驾驶系统提供更加精确和实时的安全评估。

7.根据权利要求1所述的基于动态窗口与改进人工势场法的智能车辆路径规划方法，其特征在于，所述步骤三中安全性为高时，将对环境进行监控，检测环境中的障碍物位置是否有所变化，当障碍物位置发生变化，将触发全局路径规划的过程，重新计算行驶路线。

8.根据权利要求1所述的基于动态窗口与改进人工势场法的智能车辆路径规划方法，其特征在于，所述步骤三中安全性为中时，将采用动态窗口法下的缓和避障策略，首先对线速度进行调整，并调用计算窗口函数中的线速度、线加速度计算窗口，调出评价窗口、评价车辆速度和障碍物窗口，在评价窗口中选择最优窗口后，更新系统状态，并再度评价安全性，安全性高则结束评价，反之则重新进行线速度调整和窗口评价。

9.根据权利要求1所述的基于动态窗口与改进人工势场法的智能车辆路径规划方法，其特征在于，所述步骤三中安全性为低时，将采用紧急避障策略，首先对线速度和角速度进行调整，并调用计算窗口函数中的线速度和角速度相关窗口，调出评价窗口、评价车辆速度和障碍物窗口，在评价窗口中选择最优窗口后，更新系统状态，并再度评价安全性，安全性高则结束评价，反之则重新进行线速度调整和窗口评价。

10.根据权利要求7～9任意一项所述的基于动态窗口与改进人工势场法的智能车辆路径规划方法，其特征在于，系统更新车辆状态的过程为持续状态，直至系统的安全性评级提升，且随着安全性评级的变化，系统会相应地调整其避障策略，以此确保实时响应各种情况来最大化车辆的安全性。

技术总结本发明涉及智能车辆技术领域，提供基于动态窗口与改进人工势场法的智能车辆路径规划方法，包括以下步骤：步骤一、确认规划路线，通过完成参数初始化及环境准备工作后，提取相关数据并执行全局规划，以确立行进轨迹，并计算车辆当前所受的合力方向，判断是否陷入局部最优解，陷入局部最优解则调用脱离函数帮助车辆摆脱局部最优解。通过增强了路径规划策略中的安全性评估，有助于智能车辆在复杂环境中作出更准确的避障决策，路径规划策略中，碰撞预测模型是一个关键组成部分，它融合了动态窗口法和人工势场法的原则，并综合考虑了多个影响刹车性能的因素，如路面条件、车辆间的相对距离及各自的刹车加速度，从而能够准确评估车辆间的安全距离。技术研发人员：邹倩颖,李乐天,宋海滨,石艳,刘俸宇受保护的技术使用者：四川吉利学院技术研发日：技术公布日：2024/11/18