[发明专利]一种基于动态窗口及障碍物势能场的无人车动态避障方法

权利要求书

1.一种基于动态窗口及障碍物势能场的无人车动态避障方法，该方法包括如下步骤：

1)车载激光雷达扫描定位车辆行驶周围障碍物位置，将定位点标记为(x1,y1；x2,x3,..xn)；

2)结合GPS全局地图，针对定位点运动状态进行动态、静态分类，结合雷达扫描数据获取动态障碍物相对位置和速度信息；

3)结合车辆自身特性构建随车辆运动的动态窗口；

4)搜索窗口范围内静态障碍物以及动态障碍物，考虑最小安全距离，并对障碍物计算其斥力半径，采用相对速度修正人工势场法进行动态避障。

该方法捕捉目标点效果好，受动态障碍物影响小。

2.如权利要求1所述的步骤3，其具体特征如下：

无人车受到自身最大速度以及最小速度限制：

V_c＝{v∈[v_min,v_max],w∈[w_min,w_max]}

其中：V_c表示根据车辆自身性能计算得到的速度动态窗口范围，v_min表示最小航向速度，v_max表示最大航向速度，w_min表示最小横摆角速度，w_max表示最大横摆角速度由于驱动力矩有限，存在最大的加减速度限制，因此，无人车在一定模拟计算周期内，存在一个动态范围，在该范围内为无人车的速度，为无人车所能达到的实际速度

其中，v_c为无人车当前运动速度，w_c为横摆角速度，而表示无人车的最大航向加速度，表示无人车的最大航向减速度；为无人车的最大横摆角加速度，为无人车的最大横摆角减速度。如权利要求1所述的步骤4中的安全距离考虑，其具体特征为：在碰到障碍物前停下来，因此在最大减速条件下，设定速度范围：

其中，dist(v,w)为无人车与障碍物安全距离，与分别为无人车的最大减速度和角减速度。

3.如权利要求1所述的步骤4中的避障方法，其具体特征如下：设无人车的探测范围为ρ₀对在ρ₀范围内的第i个障碍物，定义斥力范围以第i个障碍物为中心，以ρ_i为半径的圆，其斥力环半径的大小与第i个障碍物的相对速度有关：

其中：v_max为障碍物和无人车的最大相对速度，v′为障碍物指向平台的当前速度，σ为速度修正系数，ρ_r为依据障碍物和无人车属性选定的规定半径值，设无人车与目标之间连线为L。

以无人车为研究对象，设其自身探测半径范围为ρ₀，通过无人车对周围环境的感知，判断出距离自身最近的无人车i作为障碍物，其设置的引力环半径则为ρ_i

对于ρ≥ρ_i的情况下，无人车未探测到障碍物，首先，联立无人车指向目标点直线方程L(x,y)与距离自身最近的无人车i所在的斥力圆方程f(x,y)，计算跟的个数：

①若L(x,y)与斥力圆方程f(x,y)没有根,则不做避障动作,直接向目标前进。

②若L(x,y)与斥力圆方程f(x,y)有两个根,则选择离无人车较近的交点,作斥力环的切线,选择朝向目标的切线方向运动,从而进行了适度的预防性避障。

③若L(x,y)与斥力圆方程f(x,y)有三个以上根则作无人车与各个有效斥力环的切线,选择朝向机器人的方向,判断各个切线与L的夹角,取与L有最小夹角的切线方向作为无人车的运动方向。

而对于ρ≤ρ_i的情况下：

采用与平台运动目标速度相结合的修正公式，计算出:

引力场势能

吸引力

F_att＝-grad(U_att)＝-K_aq|q-q_goal|-K_av|v-v_goal|+ε_aq

斥力场势能

排斥力

其中：K_aqK_avK_rqK_rv为增益常量，

ε_aq为引力修正量，ε_rq为斥力修正量，v为平台当前速度，v_goal为目标移动速度，v_obs为障碍物移动的速度，q为平台位置失量，q_goal为目标矢量，q_obs为障碍物位置矢量，ρ为平台与障碍物距离，ρ_i为斥力环半径。