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自動駕駛基礎（十八)--路徑規(guī)劃

前面有提到， 無人駕駛汽車的技術路線實際早已確定，那就是輪式機器人的技術路線。輪式機器人技術完全適用于無人駕駛汽車，這已經(jīng)從 2007年的DARPA大賽一直到最近谷歌、福特、百度等的無人駕駛試驗汽車，有了超過十年的驗證。目前所有無人駕駛汽車基礎算法的研究都源自機器人技術。

前文也已經(jīng)介紹過， 無人駕駛汽車需要解決三個問題，也就是環(huán)境感知及實時定位，計算分析以及路徑規(guī)劃，最后還有就是控制執(zhí)行。前面我們已經(jīng)介紹了環(huán)境感知和實時定位的概念，今天就來討論一下計算分析以及路徑規(guī)劃的問題。首先我們來說明一下以下三個概念， 路徑規(guī)劃、避障規(guī)劃、軌跡規(guī)劃。路徑規(guī)劃通常指全局的路徑規(guī)劃，也可以叫全局導航規(guī)劃，從出發(fā)點到目標點之間的純幾何路徑規(guī)劃，無關時間序列，無關車輛動力學。避障規(guī)劃又叫局部路徑規(guī)劃，又可叫動態(tài)路徑規(guī)劃，也可以叫即時導航規(guī)劃。主要是探測障礙物，并對障礙物的移動軌跡跟蹤（ Moving Object Detection and Tracking，一般縮寫為MODAT）,做出下一步可能位置的推算，最終繪制出一幅包含現(xiàn)存碰撞風險和潛在碰撞風險的障礙物地圖，這個潛在的風險提示是100毫秒級，未來需要進一步提高，這對傳感器、算法的效率和處理器的運算能力都是極大的挑戰(zhàn)，避障規(guī)劃不僅考慮空間還考慮時間序列，在復雜的市區(qū)運算量驚人，可能超過30TFLOPS，這是無人車難度最高的環(huán)節(jié)。未來還要加入V2X地圖，避障規(guī)劃會更復雜，加入V2X地圖，基本可確保無人車不會發(fā)生任何形式的主動碰撞。 軌跡規(guī)劃則源自機器人研究，通常是說機械臂的路徑規(guī)劃。 在無人車領域，軌跡規(guī)劃的定義感覺不統(tǒng)一。有人將避障規(guī)劃與軌跡規(guī)劃混淆了。軌跡規(guī)劃應該是在路徑規(guī)劃和避障規(guī)劃的基礎上，考慮時間序列和車輛動力學對車輛運行軌跡的規(guī)劃，主要是車縱向加速度和車橫向角速度的設定。將設定交給執(zhí)行系統(tǒng)，轉向、油門、剎車。如果有主動懸掛，那么軌跡規(guī)劃可能還要考慮地形因素。
三大規(guī)劃是無人車最復雜的部分，算法多不勝數(shù)，讓人眼花繚亂，這也是百度、谷歌和蘋果等科技巨頭要切入無人車領域的主要原因，這些科技巨頭最擅長的就是算法的優(yōu)化整合。當然傳統(tǒng)車廠如福特和豐田，擁有對車輛動力學的絕對優(yōu)勢，在此領域實力并不比科技巨頭要差，尤其是豐田，從開源 SLAM到KITTI，軟件實力絲毫不次于谷歌。

全局型路徑規(guī)劃不算復雜，前提是有拓撲級地圖，這對地圖廠家來說很容易的。對于非地圖廠家是有點麻煩的，不過只能算小麻煩。所以我們重點講避障規(guī)劃，避障規(guī)劃的前提是對周圍環(huán)境有深刻的理解，有一個非常完善實時的的環(huán)境理解。

有了環(huán)境模型（不同于環(huán)境理解），在加上路徑搜索就構成了路徑規(guī)劃。 通常，環(huán)境模型有三大類，分別是柵格法、可視圖法、自由空間法。路徑搜索的算法就多了， Dijkstra、Floyd-Warshall、A+算法、層次法、動作行為法、勢場域法、柵格法、模糊邏輯法、拓撲法、懲罰函數(shù)法、遺傳算法、模擬退火法、蟻群法和神經(jīng)網(wǎng)絡法等。需要指出的是，大多數(shù)算法都是誕生于六十年代。

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這還僅僅是 2D層面的，3D層面的將更加復雜。每一種算法下面還有再細分的算法，讓人看了頭暈目眩。因為很少有文獻說3D路徑算法，我們就多說幾句，3D路徑算法大體可以分為五類，取樣算法（Sampling）、節(jié)點算法（Node）、工程數(shù)學模型算法（Mathematics）、仿生學算法（Bioinspired)、混合算法（MultiFusion）。以取樣型算法為例，下面可以再分主動型與被動型。主動型下面還可以再細分。

1.? 取樣型 3D路徑規(guī)劃?

2.? 節(jié)點型算法下面再分三大類。?

3.? 環(huán)境建模方面，柵格法是公認最成熟的算法，柵格法應該也是安全系數(shù)最高的算法，也是最耗運算資源的算法。不過無人車要考慮安全，安全是第一位的，成本是第二位的，同時有英偉達和英特爾這樣的半導體巨人在不斷提高運算性能，運算資源不用過多考慮。

4.? 柵格法把工作空間分割成規(guī)則而均勻的含二值信息的柵格。 在機器人移動的過程中，柵格的尺寸和位置不變。二值信息分別表示該柵格處是否有障礙，沒有障礙的柵格稱為自由柵格，否則為障礙柵格。柵格的尺寸通常和機器人的基本移動步長相適應，故機器人移動轉化成從一個自由柵格移動到下一個自由柵格，機器人移動的路長對應于機器人爬過的柵格數(shù)。柵格法直觀且建模相對較容易，因此得到了廣泛的應用。

5.? 另外兩種算法，可視圖法和自由空間法和柵格法相比的優(yōu)點是比較靈活，對運算資源消耗少。缺點很明顯，障礙物多少與算法復雜程度成正比，算法太復雜時可靠性就降低，同時不太適合動態(tài)環(huán)境，要求運動速度變化盡量小。柵格法的缺點是如果分辨率高，對運算資源和內(nèi)存需求較高。顯然，可視圖法和自由空間發(fā)適合機器人，柵格法更適合無人車，這在業(yè)內(nèi)差不多已經(jīng)是定論。這和傳感器也有部分關系，視覺系統(tǒng)難以適應太精細的格柵法，因為視覺系統(tǒng)的要做精細的定量邊界分割是不可能的，而激光雷達非常適合柵格法。

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路徑搜索方面，典型的如 Dijkstra （迪杰斯特拉）算法。

Dijkstra（迪杰斯特拉）算法是最短路算法的經(jīng)典算法之一，由E.W.Dijkstra在1959年提出的。該算法適于計算道路權值均為非負的最短路徑問題，可以給出圖中某一節(jié)點到其他所有節(jié)點的最短路徑，以思路清晰，搜索準確見長。相對的，由于輸入為大型稀疏矩陣，又具有耗時長，占用空間大的缺點。

軌跡規(guī)劃則研究的很少，因為大部分科技公司都沒能力在車輛動力學領域一展拳腳。科技公司都將精力花在如何生成軌跡上，而對于生成的軌跡是否滿足運動學約束、側滑約束以及執(zhí)行機構約束，即軌跡的可行性，研究相對較少。對于無人車這一受非完整性約束的系統(tǒng)，研究人員通常基于車體模型進行軌跡規(guī)劃。按照車體模型的精確程度，軌跡規(guī)劃方法可以進一步分為基于模型預測控制 (Model predictive control, MPC) 以及基于幾何軌線的規(guī)劃方法。基于模型預測的無人車軌跡規(guī)劃方法首先由 Kelly A和NagyB提出。

對于移動機器人來說，軌跡生成問題主要研究如何生成一系列動作，使得機器人由初始狀態(tài)到達目標狀態(tài)。對于無人車來說，其初始狀態(tài)包括其二維坐標 (x, y)、 航向角 ψ 以及曲率 κ?

? ? ? 實際情況遠比這復雜，還需要建立大量的數(shù)學方程。良好的規(guī)劃必須建立對周邊環(huán)境，尤其是動態(tài)環(huán)境的深刻理解。這就是下面要闡述的自動駕駛核心技術第三部分： MODAT。

感知、決策（路徑規(guī)劃）、定位都是基于傳感器或軟件系統(tǒng)的，這也是科技類廠家的強項，不過線控執(zhí)行系統(tǒng)則是傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)（不一定是整車廠）的絕對強項，這也是科技類廠家注定無法獨立造車的主要原因，無論是谷歌還是百度，都必須要與傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)聯(lián)合，才能進軍無人車領域。下一節(jié)，我們就說說線控執(zhí)行。

與50位技術專家面對面20年技術見證，附贈技術全景圖

總結

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