具体实施方式

本领域技术人员将理解，可以使用单独的硬件电路、使用与编程的微处理器或通用计算机配合工作的软件、使用一个或多个专用集成电路(ASIC)和/或使用一个或多个数字信号处理器(DSP)，来实现本文说明的步骤、服务和功能。还将理解，当就一种方法描述本公开时，它也可以体现在一个或多个处理器和耦接到一个或多个处理器的一个或多个存储器中，其中，一个或多个存储器存储当由一个或多个处理器执行时，进行本文公开的步骤、服务和功能的一个或多个程序。

在以下示例性实施例的描述中，相同的附图标记表示相同或相似的组件。

图1示出了根据本公开的示例实施例的用于控制在路段上行驶的车辆的高级驾驶员辅助特征(ADAS)或自动驾驶(AD)特征的方法100的示意流程图表示。更具体地，方法100提供了用于自主或半自主车辆(即，配备有ADAS的车辆)的轨迹跟踪/生成特征。在本上下文中，车辆将被广义地解释，并且包括轿车、公共汽车、卡车和建筑车辆。

即使本公开集中在车辆上，并且特别是在轿车上，本文的教导也适用于利用轨迹规划的其他行业，诸如例如机器人技术、航空电子设备等。

方法100包括获得101有限时间范围内的参考轨迹。参考轨迹至少包括有限时间范围内随时间的速度参考(v_ref)。可替代地或附加地，参考轨迹可以包括位置参考(p_ref)、偏航参考(Θ_ref)、加速度参考(a_ref)等。

位置参考优选为路面中一组x位置和y位置的形式。这些可替代的或附加的参数可以例如用于生成用于遵循目标路径的转向输入。参考轨迹可以基于当前交通场景(例如，基于车辆的地理位置和周围交通)来给出，并且可以被预先限定或者可以基于传感器观察而是动态的。因此，参考轨迹可以是(本地)“地图数据”的一部分，并且可以例如经由外部网络(例如，蜂窝网络)从外部实体(其是车辆管理系统的一部分)获得。

术语有限时间范围应理解为限定长度的时间范围，优选地，预定长度(例如，5秒、10秒、15秒)的时间范围。在有限时间范围的长度为10秒的情况下，有限时间范围从当前时间点(t＝0)延伸到结束时间(t＝t_end)，于是t_end＝10秒。有限时间范围也可以称为预测范围。

进一步地，方法100包括确定102有限时间范围内的一个或多个备用停止轨迹(也可以称为安全停止轨迹)。备用停止轨迹具有起始状态，并在最终状态下终止。每个备用停止轨迹的最终状态都被限定为安全状态。在本公开的一个示例实施例中，最终状态是车辆的速度为零的状态。但是，该方法也可以用于其他应用(例如，机器人技术)，在这种情况下，安全状态可以例如是当机器人单元(例如，机器人手臂)到达预定位置和/或配置(例如，完全打开的把手)时。根据一个实施例背景，备用停止轨迹在车辆的最大减速度轨迹中，即尽可能快地从第一车速过渡到停顿。因此，可以将备用停止轨迹解释为紧急停止动作，其中在减少对乘员舒适度的考虑的情况下，优先考虑的事是使车辆尽可能快地停顿。

进一步地，方法100包括基于至少一个预定约束形成103有限时间范围内的结尾状态集(terminal set of states)。结尾状态集包括与备用停止轨迹的起始状态相对应的至少一个结尾状态(terminal state)。至少一个预定约束可以例如是车辆的周围环境的道路几何形状、车辆的最大减速能力或天气数据。

换句话说，当形成结尾状态集时，可以考虑车辆动力学、道路状况和/或参考轨迹速度。更详细地，结尾集中的每个状态必须满足能够达到最终状态(安全状态，例如车速为零)的条件。因此，为了确保这是可能的，可以考虑各种车辆特性，例如车辆重量、制动能力、道路状况等。这些各种特性限定了用于形成结尾状态集的一个或多个约束。

接下来，基于约束控制技术来生成104有限时间范围的至少一部分内的标称轨迹。约束控制技术可以基于模型预测控制(MPC)框架。但是，也可以采用其他技术，例如参考和命令调速器。标称轨迹取决于获得的参考轨迹和结尾约束，其中，结尾约束限定控制轨迹包括来自结尾状态集的状态。此外，约束控制技术包括成本最小化控制策略，并且其中，从结尾状态到最终状态的备用停止轨迹与零成本相关联。

换句话说，提出的方法100提供了一种确保总是存在有限时间范围内的“安全轨迹”(即，备用停止轨迹)而不会牺牲稳定性的轨迹规划解决方案。更详细地，只要我们不需要“遵照”备用停止轨迹，由于备用停止轨迹不与任何成本相关联，因此控制器正在“稳定下来”(即，标称轨迹收敛到参考轨迹)。我们“不需要遵照备用停止轨迹”这一术语可以理解为，不需要在随后的时间样本处启动备用停止轨迹(这将进一步参见图2进行示例和阐述)。

于是，提出的方法的优点在于，可以实现一种轨迹规划模块，该轨迹规划模块在稳定性(能够准确地跟踪参考)和安全性(有限时间范围总是包括可执行的备用停止轨迹，这通过在生成的目标轨迹(标称轨迹)中包含结尾状态来保证)之间取得了良好的折衷。在其他解决方案中，为了能够确保安全，在有限时间范围内包括备用停止轨迹。然而，仅在有限时间范围内包括“备用停止轨迹”将在这些现有解决方案中迫使轨迹规划模块偏离参考轨迹。这是因为紧急制动动作与高成本相关联，并且由于成本最小化控制策略通过最小化成本找到最佳轨迹，因此它将牺牲到参考轨迹的收敛，以避免暴露于“紧急制动情况”。即使备用停止轨迹不是最大减速度轨迹(紧急制动动作)，它仍然会导致成本并且削弱针对高速参考轨迹稳定的能力。

此外，保证无限时间范围的安全可能是不可能的，因此本公开中设想的挑战是如何“保证”有限时间范围的安全而不牺牲稳定性(例如，不合理地缓慢行驶)。

本发明人意识到，被暴露于“紧急制动”情况的可能性相对较低，因此我们不需要一个生成基于在每个规划范围中都存在紧急停止的假设的目标轨迹的轨迹规划系统。因此，通过形成结尾状态集并且确保标称轨迹总是包括这些结尾状态中的一个，但是由于不花成本分配备用停止轨迹，因此允许轨迹规划模块专注于相对于参考轨迹稳定标称轨迹，并且轨迹规划模块仍然能够确保可以在有限时间范围内达到“安全状态”。

换句话说，该方法基于约束控制策略生成标称轨迹，该约束控制策略仅需要包括结尾状态中的一个，以便能够(很有可能)声称所生成的轨迹在预测范围(有限时间范围)内是“安全的”。因此，备用停止轨迹不需要包括任何成本，这是由于结尾状态的定义是，只要车辆可以到达结尾状态，它也可以执行备用停止轨迹(从而达到安全状态)。因此，可以说，结尾状态集提供了在不牺牲轨迹规划模块的安全性的情况下稳定标称轨迹的必要自由度。

用于执行这些功能的可执行指令可选地包括在被配置为由一个或多个处理器执行的非暂时性计算机可读存储介质或其他计算机程序产品中。

图2示出了图示用于在路段上行驶的车辆的轨迹规划的方法的示例性实施例的两个示意图。更详细地，顶部图示出在时间t＝k处的生成的轨迹，而底部图示出在随后的时间步长t＝k+3处，即三个25采样时间后的生成的轨迹。图包括虚线21所示的速度参考v_ref形式的参考轨迹。采样时间是根据应用和规格设置的，并且例如可以是1毫秒、10毫秒或100毫秒，分别对应于1000Hz、100Hz或10Hz的采样率。

因此，一旦在有限时间范围内获得了参考轨迹21，就确定了有限时间范围内的至少一个备用停止轨迹。备用停止轨迹具有起始状态22并在最终状态23下终止，最终状态被限定为安全状态(在这里，为车辆的速度为零的状态)。在本上下文中，车辆不移动的车辆状态被认为是“安全的”。这是因为停顿的车辆不对被其他道路使用者撞击负责。我们可以与其他技术领域进行比较，例如，通常认为关闭的化学反应器是安全的，可以认为关闭的电路是安全的或者可以认为停靠在港口中的船舶是安全的。

此外，基于至少一个约束在有限时间范围内形成结尾状态集22。结尾状态集包括与备用停止轨迹的起始状态相对应的至少一个结尾状态22。可以说，结尾状态是基于一组约束或准则(例如，车辆动力学、道路几何形状、乘客舒适度等)形成的，以确保可以达到安全状态。于是，一个或多个结尾状态可以是如果车辆要根据估计的轨迹达到安全状态，则车辆必须呈现的一个或多个车辆状态(位置、速度和方位角)。可替代的备用停止轨迹由对应的结尾状态22和最终状态23之间的虚线表示。在图示的示例中，选择的结尾状态与最大减速度轨迹形式的备用停止轨迹的起始状态相对应。

更详细地，结尾状态集的外边界是最大减速度轨迹的起始状态。通常，该轨迹允许起始状态的最高速度。在一个示例性实施例中，备用停止轨迹是最大减速度轨迹(也可以称为紧急制动轨迹)。对于最大减速度轨迹形式的备用停止轨迹，很少或不考虑乘客舒适度。通过选择最大减速度轨迹形式的备用停止轨迹，标称轨迹最有可能在高参考速度下稳定。

此外，基于约束控制技术在有限时间范围的至少一部分内生成标称轨迹(在这里，由车速参数表示)。标称轨迹至少取决于获得的参考轨迹21和结尾约束。结尾约束限定标称轨迹包括来自结尾状态集24的状态22。如上所述，约束控制技术包括成本最小化控制策略，并且其中，从起始状态(与结尾状态相对应)到最终状态的备用停止轨迹与零成本相关联。自然地，取决于预期的应用和与其相关的规范，标称轨迹可以进一步基于其他约束。例如，各种车辆参数可以限定附加约束(最大加速度、转弯半径、车辆尺寸等)，此外，用户偏好也可以指示与舒适性相关的其他约束(例如，横向加速度、垂直加速度等)。

更进一步地，有限时间范围包括标称时间范围(定义为有限时间范围的第一部分)和备用停止时间范围(定义为有限时间范围的第二部分)。优选地，标称轨迹被包括在标称时间范围内，并且备用停止轨迹被包括在备用停止时间范围内。

可以基于用户偏好和/或基于车辆的当前周围环境(例如，高速公路巡航、人口稠密地区的高峰时间交通等)来设置标称时间范围和备用停止范围之间的比率。例如，如果有限时间范围是十秒(或取决于车辆的感知系统的性能的任何其他合适的值)，则标称时间范围可以是五秒而备用停止时间范围可以是五秒，即50/50的比率。然而，其他比率也是可行的，例如60/40、40/60、70/30、30/70，等等。

如前所述，只要有在有限时间范围中考虑的备用停止轨迹，就可以实现对乘员安全性的改善。而且，只要我们不需要执行备用停止轨迹，控制器(在约束控制技术下运行)就“稳定”(例如，允许车辆向参考速度收敛)。因此，在“正常”运行期间，在轨迹规划的每个采样/更新/迭代期间，将安全状态23设置在有限时间范围的末端。底部图进一步图示了这一点，其中每次更新时，只是在时间上向前移动有限时间范围。要考虑的一个重要方面是，我们已经“规划”了有限时间范围内的备用停止轨迹，即车辆可以在有限时间范围内达到安全状态。因此，通过提出的方法，可以认为，确保了车辆可以总是在规划范围内达到“安全状态”，并且仍然保持标称轨迹规划的良好的稳定性能。

然而，如果车辆传感器检测到阻挡车辆目标路径的意外障碍物(例如，穿过街道的行人)，则安全状态，并且因此备用停止轨迹，将“向内”传播到标称时间范围中，从而开始产生生成标称轨迹的成本。更具体地，结尾状态集的形成(或形状)将受到影响，这继而将影响标称轨迹。在那种情况下，标称轨迹将开始偏离参考轨迹21(例如，将减小车速)，以考虑与新的结尾状态集22相关联的成本。这在图3中示出，图3示出了图示用于车辆的轨迹规划的方法的图。

更具体地，图3的图示出了其中在从图2的底部图继续的后续时间样本25中(例如，通过车辆的感知系统)检测到障碍物的示例场景或情形。检测到障碍物迫使轨迹规划模块规划比先前时间样本25(图2的底部图)更快地到达停顿状态23。因此，调整了备用停止轨迹，并且相应地更新了结尾状态集24。结果，车辆无法从参考速度(v_ref)以最大减速度到达安全状态，并且最接近参考轨迹21的结尾状态22与参考轨迹21的差异足以使轨迹规划模块在生成标称轨迹时为了安全性而牺牲稳定性(由双箭头26表示)。

换句话说，结尾状态集24仅包括“参考轨迹”之外的状态，并且由于生成的标称轨迹必须包括来自结尾状态集24的一个状态，因此产生了成本并且标称轨迹开始偏离参考轨迹21(即，为了安全而牺牲了稳定性)。

此外，在另一示例性实施例中，该方法包括获得位于车辆的周围环境中的至少一个动态物体(例如，行人、骑自行车的人、其他车辆等)的预测轨迹。例如，可以基于从至少一个传感器获得的传感器数据和预定(运动)模型来形成预测轨迹。于是，进一步基于每个预测轨迹来形成结尾状态集。传感器数据可以源自自我车辆的车载传感器(例如，雷达、LIDAR、照相机等)、连接的基础设施设备(例如，交通信号灯、交通摄像头、收费系统等)和/或可通过车对车(V2V)解决方案访问的其他车辆。因此，在每个采样时间，当用结尾状态填充结尾状态集时，都要考虑当前的交通状况。图2和图3的图示示例示出了标称轨迹包括与最大减速度形式的备用停止轨迹相对应的结尾状态22的情况，本领域技术人员容易地意识到，可以选择结尾状态集内的其他结尾状态22以包括在标称轨迹中。可以基于预定偏好和特定场景(用户设置、环境数据等)来选择将哪个结尾状态包括在标称轨迹生成中。此外，如图2和图3所示，结尾状态组24的“形状”是动态的，并且可以说结尾状态集24的“形状”影响标称轨迹的“稳定性”(即，准确跟踪参考轨迹21的能力)。因此，结尾状态集的形状可能会受到出现或消失在车辆的周围环境中的外部物体的影响。

图4是包括用于控制在路段上行驶的车辆1的高级驾驶员辅助(ADAS)特征或自动驾驶(AD)特征的控制设备10的车辆1的示意性侧视图。ADAS或AD特征可以例如是轨迹规划特征。车辆1进一步包括感知系统6、惯性测量单元(IMU)7和定位系统5。在当前上下文中，感知系统6应被理解为负责从诸如照相机、LIDAR和RADAR、超声传感器的传感器6a、6b、6c上获取原始传感器数据并将该原始数据转换为场景理解的系统。定位系统5被配置为监视车辆的地理位置和方向，并且可以采取诸如GPS的全球导航卫星系统(GNSS)的形式。但是，可替代地，定位系统可以实现为实时动态(RTK)GPS，以提高准确性。IMU 7应理解为被配置为测量车辆1的惯性运动的电子设备。IMU 7通常具有六个自由度，三个加速度计和三个陀螺仪。

控制设备10包括一个或多个处理器11、存储器12、传感器接口13和通信接口14。处理器11也可以称为控制电路11或控制电路系统11。控制电路11被配置为执行存储在存储器12中的指令，以执行根据本文公开的实施例中的任何一个实施例的用于车辆的轨迹规划的方法。换句话说，控制设备10的存储器12可以包括用于存储计算机可执行指令的一个或多个(非暂时性)计算机可读存储介质，计算机可执行指令当由一个或多个计算机处理器11执行时，例如，可以使计算机处理器11执行本文所述的技术。可选地，存储器12包括高速随机存取存储器，例如DRAM、SRAM、DDR RAM或其他随机存取固态存储设备；并且，可选地，包括非易失性存储器，例如一个或多个磁盘存储设备、光盘存储设备、闪存设备或其他非易失性固态存储设备。

更详细地，控制电路11被配置为获得有限时间范围内的参考轨迹，参考轨迹包括有限时间范围内的随时间的速度参考。参考轨迹可以例如从本地存储器单元12或经由车载天线8可访问的外部网络从远程服务器2获得。此外，控制电路11被配置为确定有限时间范围内的备用停止轨迹。备用停止轨迹具有起始状态和最终状态，最终状态在本文中被限定为安全状态。

接下来，控制电路11被配置为基于至少一个预定约束形成有限时间范围内的结尾状态集。结尾状态集包括与备用停止轨迹的起始状态相对应的至少一个结尾状态。此外，控制电路11被配置为基于约束控制技术(例如，MPC)生成有限时间范围的至少一部分内的标称轨迹。标称轨迹取决于获得的参考轨迹和结尾约束。结尾约束限定标称轨迹包括结尾状态。约束控制技术包括成本最小化控制策略，并且从起始状态到最终状态的备用停止轨迹与零成本相关联。

此外，车辆1可以经由例如无线链路连接到外部网络2(例如，进行地图数据检索)。相同或某些其他无线链路可用于与车辆附近的其他车辆或与本地基础设施元件进行通信。蜂窝通信技术可以用于例如到外部网络的远程通信，并且如果所使用的蜂窝通信技术具有低延迟，它也可以用于车辆之间、车辆到车辆(V2V)和/或车辆到基础设施V2X的通信。蜂窝无线电技术的示例是GSM、GPRS、EDGE、LTE、5G、5G NR等，还包括未来的蜂窝解决方案。但是，在一些解决方案中，使用中短距离通信技术，例如，诸如基于IEEE 802.11的解决方案的无线局域网(LAN)。ETSI正在制定用于车辆通信的蜂窝标准，并且例如，由于低延迟以及对高带宽和通信信道的有效处理，5G被认为是合适的解决方案。

上面已经参考特定实施例呈现了本公开。但是，除了上述实施例之外的其他实施例也是可能的，并且在本公开的范围内。在本公开的范围内，可以提供通过硬件或软件执行该方法的、与上述方法步骤不同的方法步骤。因此，根据示例性实施例，提供了一种非暂时性计算机可读存储介质，其存储被配置为由车辆控制系统的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，一个或多个程序包括用于执行根据上述实施例中的任何一个实施例的方法的指令。可替代地，根据另一示例性实施例，云计算系统可以被配置为执行本文提出的方法中的任何一个。云计算系统可包括在一个或多个计算机程序产品的控制下共同执行本文提出的方法的分布式云计算资源。

一般而言，计算机可存取介质可以包括诸如电子的、磁的或光学的介质的任何有形或非暂时性存储介质或存储器介质，例如，通过总线耦接到计算机系统的磁盘或CD/DVD-ROM。如本文中所使用的，术语“有形”和“非暂时性”旨在描述不包括传播的电磁信号的计算机可读存储介质(或“存储器”)，但无意于以其他方式限制计算机可读介质或存储器这一措词所包含的物理计算机可读存储设备的类型。例如，术语“非暂时性计算机可读介质”或“有形存储器”旨在涵盖不一定永久地存储信息的存储设备的类型，包括例如随机存取存储器(RAM)。以非暂时性的形式存储在有形计算机可存取存储介质上的程序指令和数据可以进一步通过传输介质或可以经由诸如网络和/或无线链路的通信介质来传送的、诸如电、电磁或数字信号的信号来传输。

处理器11(与控制设备10相关联)可以是或包括用于执行数据或信号处理或用于执行存储在存储器12中的计算机代码的任何数量的硬件组件。设备10具有关联的存储器12，并且存储器12可以是用于存储数据和/或用于完成或促进本说明书中描述的各种方法的计算机代码的一个或多个设备。存储器可以包括易失性存储器或非易失性存储器。存储器12可以包括数据库组件、目标代码组件、脚本组件或用于支持本说明书的各种活动的任何其他类型的信息结构。根据示例性实施例，任何分布式或本地存储设备可以与本说明书的系统和方法一起使用。根据示例性实施例，存储器12(例如，经由电路或任何其他有线、无线或网络连接)可通信地连接到处理器11，并且包括用于执行本文所述的一个或多个处理的计算机代码。

应当理解，传感器接口13还可以提供直接或经由车辆中的专用传感器控制电路系统6获取传感器数据的可能性。通信/天线接口14可以进一步提供借助于天线5将输出发送到远程位置(例如，远程操作员或控制中心)的可能性。此外，车辆中的一些传感器可以使用诸如CAN总线、I2C、以太网、光纤等的本地网络设置来与控制设备10通信。通信接口14可以被布置为与车辆的其他控制功能通信，并且因此也可以被视为控制接口；然而，可以提供单独的控制接口(未示出)。车辆内的本地通信也可以是具有诸如WiFi、LoRa、Zigbee、蓝牙或类似中/短程技术的协议的无线类型。

因此，应当理解，可以在车辆中、在设置在车辆外部的系统中或者在车辆内部和外部的组合中实现所描述的解决方案的多个部分；例如，在与车辆通信的服务器中实现，即所谓的云解决方案。例如，可以将传感器数据发送到外部系统，并且该系统进行确定一个或多个备用停止轨迹和形成结尾状态集的步骤。实施例的不同特征和步骤可以在不同于所描述的那些组合的其他组合中组合。

应该注意的是，词“包括”不排除列出的元件或步骤之外的其他元件或步骤的存在，并且在元件之前的词“一”不排除多个这样的元件的存在。还应注意，任何附图标记均不限制权利要求的范围，可以至少部分地通过硬件和软件两者来实现本公开，并且可以由相同的硬件项来表示多个“装置”或“单元”。

尽管附图可以示出方法步骤的特定顺序，但是步骤的顺序可以与所描绘的顺序不同。另外，可以同时或部分并发地进行两个或更多个步骤。这种变化将取决于所选择的软件和硬件系统以及设计者的选择。所有这些变化都在本公开的范围内。同样，可以使用具有基于规则的逻辑和其他逻辑的标准编程技术来完成软件实现，以完成各种连接步骤、处理步骤、比较步骤和决策步骤。上面提到和描述的实施例仅作为示例给出，并且不应该限制本公开。在以上描述的专利实施例中要求保护的本公开范围内的其他解决方案、用途、目标和功能对于本领域技术人员而言应该是显而易见的。