Способ для адаптивного управления характеристиками движения высокоавтоматизированного транспортного средства в зависимости от уровня неопределенности в оценке окружающей ситуации
METHOD FOR ADAPTIVE CONTROL OF MOVEMENT CHARACTERISTICS OF HIGHLY AUTOMATED VEHICLE DEPENDING ON LEVEL OF UNCERTAINTY IN ASSESSMENT OF SURROUNDING SITUATION

Изобретение относится к области навигации беспилотных подвижных наземных систем, а именно к способам автоматического управления движением высокоавтоматизированных транспортных средств (ВАТС) с возможностью контроля их скорости с целью обеспечения гарантированного уровня безопасности движения ВАТС.
Для того, чтобы ВАТС стали частью интеллектуальной транспортной системы, они должны гарантировать определенный уровень безопасности. Для достижения этой цели необходимо разрабатывать алгоритмы управления ВАТС, при реализации которых сводится к минимуму вероятность возникновения столкновений ВАТС с статическими и динамическими препятствиями в процессе их движения по заданной траектории.
Из данной области техники известны следующие технические решения.
Известен способ управления автоматическим транспортным средством (АТС) по патенту RU2649962, согласно которому из долговременной памяти ЭВМ извлекают математически обработанное изображение дорожного полотна с элементами сканирования, математически преобразуют его в изображение в перспективе, получают реальное изображение дорожного полотна, математически преобразовывают реальное изображение дорожного полотна и получают изображения элементов сканирования. Сравнивают изображения дорожного полотна с элементами сканирования с математически преобразованным реальным изображением дорожного полотна, по результатам вырабатывают управляющие действия для АТС. Текущие математически обработанные изображения дорожного полотна с элементами сканирования из долговременной памяти и реальные изображения получены, по меньшей мере, из двух линейных фоточувствительных приборов. Последовательность действий по управлению АТС на основе анализа включает подготовительный этап и этапы расчета текущего угла поворота руля, текущего управления педалью акселератора, определения наличия препятствий, построение изображения дорожного полотна и анализа его соответствия реальному, выработке управляющих воздействий управления движением.
Известен способ автоматического управления транспортным средством (заявка US2019171204), по которому модуль обнаружения состояния рассматриваемого транспортного средства получает данные о скорости транспортного средства, обнаруженные посредством датчика скорости транспортного средства, данные ускорения, обнаруженные посредством датчика ускорения, и данные угла поворота при рулении, обнаруженные посредством датчика угла поворота при рулении, и определяет состояние движения рассматриваемого транспортного средства на основе этих фрагментов данных. В соответствии с текущим состоянием бортовой вычислитель формирует управляющие воздействия для оптимального прохождения траектории.
Основным недостатком для представленных технических решений является отсутствие учета неопределенности собственного положения АТС, что приводит к снижению точности определения положения АТС относительно статических и динамических препятствий вокруг АТС, в результате чего управляющие воздействия, формируемые для управления движением АТС, не обеспечивают безопасного движение АТС по данной траектории.
Известен способ планирования траекторий движения транспортного средства в пространстве состояний от начальной точки к конечной с уклонением от множества статических и/или динамических препятствий по патенту US7447593, заключающийся в том, что строят граф траекторий, соединяющий начальную точку с конечной, учитывающий возможное положение препятствий. При этом для расширения, приостановки расширения и остановки расширения узлов графа траекторий используют различные правила. Полученные траектории оценивают относительно заданных ограничений. На основе графа траекторий получают хотя бы одну траекторию, соединяющую начальную точку с конечной, удовлетворяющую заданным ограничениям. Осуществляют управление транспортным средством для движения по полученной траектории.
Недостаток представленного способа заключается в том, что в процессе формирования дерева траекторий не учитываются ограничения на время планирования траекторий, заданные динамикой внешней среды.
Известен способ автономного управления транспортным средством (патент US7613553), заключающийся в том, что в процессе движения транспортного средства по текущей траектории в цикле сбора и обработки информации получают информацию от датчиков, на основе которых обновляют модель текущего состояния внешней среды, отражающей наличие во внешней среде статических и динамических препятствий. На основе обновленной модели текущего состояния внешней среды обновляют модель прогнозируемого состояния внешней среды на момент достижения автономным транспортным средством конечной точки текущей траектории движения. На основе обновленной модели прогнозируемого состояния внешней среды определяют множество возможных траекторий дальнейшего движения из конечной точки текущей траектории движения. Каждую траекторию из сформированного множества возможных траекторий дальнейшего движения сравнивают с заданной цифровой картой. Из сформированного множества возможных траекторий дальнейшего движения выбирают траекторию движения с максимальной ожидаемой полезностью и реализуют ее при достижении конечной точки текущей траектории движения.
Для данного способа автономного управления транспортным средством характерно выполнение большого объема вычислений и поэтому для его реализации существует необходимость использования ЭВМ с большой производительностью. Кроме того, данный способ ориентирован на специфический тип транспортного средства −подводный аппарат. Таким образом, реализация представленного способа управления в составе беспилотных подвижных наземных систем не может найти широкого применения.
Способ, раскрытый в источнике US7613553, по технической сущности является наиболее близким к заявляемому изобретению и может выступать в качестве прототипа.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание способа для адаптивного управления характеристиками движения высокоавтоматизированного транспортного средства в условиях неопределенности в оценках окружающей ситуации и собственного положения ВАТС на основе определения безопасной скорости движения ВАТС как максимально допустимой скорости ВАТС, для которой вероятность столкновения ВАТС с препятствиями в период прогнозирования не превышает заданного порогового значения, при этом оценка вероятности столкновения ВАТС в будущем происходит за счет сопоставления спрогнозированных будущих траекторий для всего пространства управляющих сигналов с цифровой картой препятствий, хранящей в себе информацию о объектах окружающей среды, в которой движется ВАТС.
Технический результат заявленного изобретения заключается в обеспечении движения ВАТС с безопасной скоростью.
В рамках раскрытия технической сущности предлагаемого изобретения, под безопасной скоростью движения ВАТС понимается максимально допустимая скорость движения ВАТС на текущем участке траектории, при которой вероятность столкновения ВАТС в будущем с статическими или динамическими препятствиями пренебрежительно мала.
Заявленный технический результат достигается при реализации способа для адаптивного управления характеристиками движения высокоавтоматизированного транспортного средства в зависимости от уровня неопределенности в оценке окружающей ситуации, согласно которому в процессе движения ВАТС на бортовой вычислитель ВАТС поступают данные от колесных энкодеров и датчика положения руля, на основе указанных данных формируют текущее состояние ВАТС, в то же время, на бортовой вычислитель ВАТС поступают данные от камер, колесных энкодеров и других источников данных о собственном положении ВАТС, на основе указанных данных формируют множество гипотез о положении ВАТС, формируют планируемый путь движения ВАТС, представленный в виде последовательности точек на карте, образующих желаемую траекторию движения, формируют цифровую карту препятствий, затем на основе данных, полученных от представленных источников информации ВАТС, циклическим образом определяют безопасную скорость движения ВАТС, для чего прогнозируют будущую траекторию движения ВАТС, проверяют ее кинематическую устойчивость путем определения отклонения от желаемой траектории, накладывают полученную траекторию на каждую гипотезу о положении ВАТС, тем самым образуя множество гипотез о будущих траекториях движения, затем проверяют каждую из предсказанных траекторий на наличие столкновений путем их сопоставления с цифровой картой препятствий, оценивают вероятность столкновения с препятствиями на основе данных о будущих траекториях движения для текущего значения скорости, безопасную скорость ВАТС выбирают как максимально допустимую скорость ВАТС, для которой вероятность столкновения ВАТС в период прогнозирования не превышает заданного порогового значения, полученное значение безопасной скорости движения ВАТС направляют на блок управления скоростью движения ВАТС, посредством которого задают управляющие сигналы на тяговый двигатель и тормозную систему, обеспечивая движение ВАТС с безопасной скоростью.
Таким образом, осуществление указанной последовательности действий, характеризующей заявленный способ, с помощью системы управления движением ВАТС, позволяет в условиях неопределенности в оценке окружающей ситуации при наличии статических и динамических препятствий, а также в условиях неопределенности собственного положения ВАТС, в режиме реального времени определять с высокой точностью безопасную скорость движения ВАТС на данном участке траектории для формирования управляющих сигналов на тяговый двигатель и тормозную систему, обеспечивая безопасное движение ВАТС в сложных и неоднозначных дорожных ситуациях.
На фиг.1 представлена схема системы безопасного управления движением ВАТС, реализующей предлагаемый способ, где 1 ‒ камера ВАТС, 2 ‒ колесные энкодеры, 3 ‒ датчик положения руля, 4 ‒ детектор препятствий, 5 ‒ бортовой вычислитель, 6 ‒ цифровая карта препятствий, 7 ‒ модуль формирования гипотез о положении ВАТС, 8 ‒ модуль планирования пути, 9 ‒ модуль адаптивного управления характеристиками движения ВАТС, 10 ‒ модуль прогнозирования будущей траектории, 11 ‒ модуль траекторного управления, 12 ‒ цифровая модель ВАТС, 13 ‒ блок управления двигателем, 14 ‒ тяговый двигатель.
Заявленный способ для адаптивного управления характеристиками движения ВАТС осуществляется следующим образом (фиг.1).
В процессе движения высокоавтоматизированного транспортного средства (ВАТС) по заданной траектории на модуль адаптивного управления характеристиками движения (9) в составе бортового вычислителя ВАТС (5) поступают данные от колесных энкодеров (2) и датчика положения руля (3), на основе указанных данных формируют текущее состояние ВАТС ‒ текущее значение скорости ВАТС, ориентация ВАТС. В качестве дополнительного источника информации о скорости ВАТС может выступать датчик давления в тормозном контуре.
В то же время, на модуль формирования гипотез о положении ВАТС (7) поступают данные от камер (1), колесных энкодеров (2) и других источников данных о собственном положении ВАТС (например, инерциальная навигационная система, GNSS), на основе указанных данных формируют множество гипотез о положении ВАТС, каждая из которых содержит вероятностную информацию о положении ВАТС в пространстве, включающую данные о координатах ВАТС в системе координат, связанной с картой, и углах ориентации ВАТС в пространстве.
Для оценки текущего положения ВАТС, в предпочтительном варианте реализации предлагаемого способа, используется метод Монте-Карло (фильтр частиц), который позволяет сгенерировать указанное множество гипотез о положении ВАТС в текущий момент времени и соответствующие им оценки вероятностей гипотез.
На последующем этапе, информация о неопределенности собственного положения поступает на модуль (9).
Посредством модуля планирования пути (8) формируют планируемый путь движения ВАТС, представленный в виде последовательности точек на карте, образующих желаемую траекторию движения, после чего полученные данные поступают на модуль (9).
Для учета неопределенности в оценке окружающей среды формируют цифровую карту препятствий (6), которая может быть представлена в качестве заранее известной, сформированной перед осуществлением движения ВАТС, картой с нанесенными на нее неизменными границами проезжей части дороги.
К тому же, в процессе движения ВАТС от оптических камер (1) поступают изображения окружающей среды на детектор препятствий (4), посредством которого осуществляют обработку полученных изображений известными из уровня техники способами с идентификацией подвижных или стационарных объектов окружающей среды вокруг ВАТС, то есть препятствий. Объединяя информацию по выделенным объектам окружающей среды, также может быть сформирована цифровая карта препятствий (6) ‒растровое или векторное представление окружающих ВАТС препятствий.
Далее с помощью модуля адаптивного управления характеристиками движения ВАТС (9) на основе данных, полученных от представленных источников информации ВАТС (1-3) и модулей (6-8), циклическим образом определяют безопасную скорость движения ВАТС.
Для этого, оценивают будущую траекторию движения ВАТС с помощью модуля прогнозирования будущей траектории (10), предназначенного для расчета опережающего участка траектории в режиме реального времени на основе динамической модели ВАТС и объединяет в себе модуль траекторного управления (11), состоящий из контроллера траектории (контроллеры отклонения направления и положения), и контроллера скорости, и цифровую динамическую модель ВАТС (12). На модуль (10) подаются данные о состоянии ВАТС (текущее значение скорости ВАТС, положение и ориентация ВАТС), заданный путь, ограничение по скорости и длительность прогнозирования. Модуль (12) передают свое текущее состояние модулю (11), который на основе этих данных генерирует управляющие сигналы и отправляет их на цифровую модель (12), которая с соответствии с принятым управляющим сигналом меняет свое состояние и направляет его по обратной связи на модуль (11). Указанные действия осуществляют до тех пор, пока в модуле (10) не будет сформирована последовательность состояний цифровой модели (12), образующая спрогнозированную траекторию движения при фиксированном задании будущей скорости движения.
Затем полученную спрогнозированную траекторию движения проверяют на кинематическую устойчивость путем определения отклонения от желаемой траектории и отправляют на модуль адаптивного управления характеристиками движения ВАТС (9).
Полученную спрогнозированную траекторию накладывают на каждую гипотезу о положении ВАТС, образуя множество гипотез о будущих траекториях движения, затем проверяют каждую из предсказанных траекторий на наличие столкновений с препятствиями путем сопоставления указанных траекторий с цифровой картой препятствий (6), по результатам данного сопоставления определяют вероятности столкновения с статическими и динамическими препятствиями. Будущая траектория считается безопасной, если ни одна гипотеза о положении ВАТС на траектории не пересекается с препятствием.
Важно отметить, что при определении вероятности столкновения с статическими объектами, модуль прогнозирования будущей траектории (10) формирует будущую траекторию для вероятностной оценки положения ВАТС в момент времени t. Затем, профиль полученной траектории подвергается параллельному переносу так, что его начало совпадало бы с текущим положением каждой гипотезы о положении ВАТС, и поворачивается на соответствующий угол рысканья. Таким образом, образуется множество гипотез о будущих траекториях движения. Вероятность столкновения с динамическими препятствиями определяется аналогичным образом, за исключением того, что для каждого положения ВАТС i-ой гипотезы в момент времени t модуль прогнозирования будущей траектории (10) формирует будущую траекторию отдельно, после чего именно относительный профиль каждой траектории проверяется на наличие столкновений с препятствиями.
На следующем шаге оценивают вероятность столкновения с препятствиями на основе данных о будущих траекториях движения для текущего значения скорости с учетом вероятностей столкновений с статическими и динамическими препятствиями:
где  - вероятность столкновения с статическими препятствиями;
- вероятность столкновения с динамическими препятствиями.
В соответствии с полученной вероятностью столкновения с препятствиями, безопасную скорость ВАТС выбирают как максимально допустимую скорость ВАТС, для которой вероятность столкновения ВАТС в период прогнозирования не превышает заданного порогового значения. Максимально допустимая скорость движения обусловлена физическими свойствами ВАТС или местности, по которой проложен маршрут.
Для осуществления безопасного адаптивного управления ВАТС, полученное значение безопасной скорости движения ВАТС направляют на блок управления скоростью движения ВАТС, посредством которого задают управляющие сигналы на тяговый двигатель и тормозную систему, обеспечивая движение ВАТС с безопасной скоростью.