小车的路径跟踪与自动避障

小车的路径跟踪与自动避障

陈丰

（江汉大学物理与信息工程学院，420056）

摘要：本文根据智能小车在一个存在障碍物区域内使用自动避障及路径跟踪方法的任务要求，设计出路径选择和自动避障的系统方案，并在MATLAB平台下进行模拟。主要内容为：构建智能小车的模拟器，编程，模拟，通过分析车辆的方位和到目标点的位置和距离，对转向角进行选择，确定车辆下一刻的位置，及转弯轨迹；选择FollowTheCarrot和Purepursuit算法进行路径跟踪，并将两种算法所产生的效果进行比较，使小车更好的向目标点转换进行路径跟踪；选择VHF或VHF+的方法进行避障系统的设计，通过创建极坐标直方图直观的表现出障碍物的位置及距离，更加精确安全的完成避障。

关键词：无人驾驶车辆，自动避障，路径跟踪，MATLAB

路径跟踪

1.1FollowTheCarrot算法

在FollowTheCarrot算法中，你将在前面的路径上选择一个carrot点，然后试图直接让小车直接转向该点，如图3-1所示，就像你拿着carrot点在车辆前面一样，并试图通过转向到达这个carrot点一样。

为了计算carrot点的位置，我们首先选择路径上的最近点，垂直于路径的，为了决定车辆最接近的路径的哪一段，要循环遍历所有路段，并选择最接近车辆的路段。因为一个段是有限的，所以车辆可能是在这段线段的垂线之外，如图3-3所示。在这种情况下，最近点是一个端点是端点之一，我们必须确定哪个端点。

图1：车辆与路径上最近的点之间的距离。

1.2PurePursuit算法

PurePursuit方法是对FollowTheCarrot方法的一种改进，其实两种方法是非常相似的。PurePursuit方法和FollowTheCarrot方法之间的主要区别在于：在路径跟踪的过程中，在车辆和carrot点之间增加了一段圆弧，而不是直接转向carrot点。

PurePursuit和避障相结合的一个问题是VFH+方法直接在目标点给出一个转向角，就像FollowTheCarrot一样。这意味着有将两种路径跟踪算法与避障算法相结合时，两者之间的差异不大。为了解决这个问题，我们让PurePursuit算法在车辆前方没有障碍物的情况下确定转向角度，否则采用障碍物回避算法的角度。在避障部分中详细说明。

自动避障

2.1VFH算法

本论文中描述的两个障碍回避方法(VFH和VFH+)都基于theVirtualFreeField(VFF)方法。本发明的实施例VFF的思想是，在车辆一定距离内的每一个障碍物都在车辆上施加一个排斥力矢量，其大小与距离的平方成反比。在障碍物和车辆之间，把“车辆从障碍物上推开”。为了将车辆拉向目标点，施加吸引力。告诉他应该向哪里行驶，产生的矢量是由所有力的矢量和组成的，从障碍物中排斥，从目标点吸引而成的结果向量。与使用力向量的相似方法相比，利用确定性网格与力向量相结合的优势。简而言之，一个确定的网格就像雷达屏幕一样，

2.2VFH+算法

原始VFH方法的一个缺点是，它没有考虑到车辆的宽度。为了弥补这一点，VFH+方法将机器人半径(从VCP到汽车上最远点的距离)扩大到每个障碍物单元。为了进一步安全，障碍单元被放大。

由传感器发现的障碍会在确定性网格中的对应坐标中计算确定性值。

2.3极坐标直方图的建立

一个窗口将车辆移动，覆盖直方图网格中的一个圆形单元格区域，参见图4-1所示。我们现在将活动窗口拆分为n个扇区(在这种情况下，为72个5度扇区)。每个单元格的内容被用来创建一个障碍向量，方向为从到车辆中心点，大小为m。

路径跟踪与避障相结合

如前所述，将纯追踪法与VFH算法结合起来时，会有一点复杂。为了将路径跟踪和避障算法结合起来，我们必须采取一些方式确保车辆根据情况获得正确信息的步骤。图5-1显示了所涉及的关键步骤的流程图：

首先，我们必须确定一个carrot点，在前方的一段路上向前看。

然后计算出carrot点的对应方向。

如果附近没有障碍物，根据当前目标方向计算转向角。否则，将目标方向发送到避障者(VFH或VFH+)。

通过避障算法确定一个新的目标方向。

如果新的目标方向与步骤2中计算的目标方向不相同，则直接计算出一个指向目标方向的转向角(如“FollowTheCarrot”中的方向)，无论该算法是否为PurePursuit算法。不管用不用。这样做是为了确保车辆直接转向障碍物之间的间隙，而不是像通常在PurePursuit算法中那样，对目标方向进行间接的规划。

如果新的目标方向与前一个方向相同，则将其发送回路径跟踪器，以计算车辆正确的转向。

图2：路径跟踪与自动避障流程图

参考文献

[1]于洋.基于Arduino的自动避障及通信控制智能小车系统的研究与设计.吉林大学硕士论文.2017:1-42

[2]李逃昌，胡静涛.基于自适应纯追踪模型的农业机械路径跟踪方法.农业机械学报.2013,1(44):56-58

[3]刘彩虹.智能小车路径跟踪技术的研究.浙江大学硕士论文.2007:1-60