本發(fā)明總體上涉及自動(dòng)化交通工具系統(tǒng)的領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及用于自主交通工具導(dǎo)航的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

數(shù)字計(jì)算、通信的領(lǐng)域中的進(jìn)步以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)、感測(cè)、導(dǎo)航、控制、力學(xué)、發(fā)動(dòng)機(jī)的算法和系統(tǒng)中的進(jìn)步導(dǎo)致各種交通工具類(lèi)型自動(dòng)導(dǎo)航而不必使人類(lèi)有負(fù)擔(dān)的新時(shí)代的黎明。

盡管已經(jīng)在該領(lǐng)域中論證了一些進(jìn)步，但有多得多的事情要做以便實(shí)現(xiàn)真正自主、可靠且安全的交通工具導(dǎo)航。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明包括用于自主交通工具導(dǎo)航的系統(tǒng)和方法。所公開(kāi)的架構(gòu)和算法方案允許實(shí)質(zhì)上在沒(méi)有來(lái)自人類(lèi)駕駛員的幫助和干預(yù)的情況下的自主交通工具導(dǎo)航。

本發(fā)明將經(jīng)常針對(duì)有輪子的地面交通工具(諸如，私家車(chē))加以說(shuō)明和解釋?zhuān)欢煌üぞ哳?lèi)型和應(yīng)用不受任何具體類(lèi)型的交通工具的限制，而是還包括有輪子的汽車(chē)、家庭機(jī)器人、旋翼飛行器、無(wú)人機(jī)、步行機(jī)、飛機(jī)、小船、帆船等——實(shí)際上，現(xiàn)今已知或未來(lái)將發(fā)明出的有受控導(dǎo)航能力的任何機(jī)器。

自主導(dǎo)航的問(wèn)題可以被定義為環(huán)境中的交通工具從特定初始位置或起點(diǎn)位移到特定最終位置或目的地的位移的問(wèn)題。為了簡(jiǎn)明，將通常表示空間中的交通工具位置的完整描述，并包括其質(zhì)心的坐標(biāo){x1，x2，x3}和其相對(duì)于某預(yù)選擇坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度兩者：該坐標(biāo)可以是歐幾里得體系中的空間坐標(biāo)，并且該角度可以是滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航的角度或者沿交通工具的慣性力矩的主軸的角度?？梢詾榱朔奖愣x擇其他類(lèi)型的空間坐標(biāo)和角度，諸如球坐標(biāo)、歐拉角、四元數(shù)等。

我們將通過(guò)交通工具的剛性體描述來(lái)限制討論，然而，所公開(kāi)的本發(fā)明也適用于其他類(lèi)型的交通工具，諸如步行機(jī)或者在其運(yùn)動(dòng)期間顯著改變其形狀和慣性力矩的其他交通工具。

沿特定路徑或軌跡從起點(diǎn)到目的地導(dǎo)航交通工具，該特定路徑或軌跡可以被描述為特定時(shí)刻處交通工具位置的序列或者更準(zhǔn)確地被描述為交通工具位置對(duì)時(shí)間t的參數(shù)依賴(lài)性：

軌跡由自主交通工具導(dǎo)航系統(tǒng)(也稱(chēng)為“交通工具導(dǎo)航系統(tǒng)”、“導(dǎo)航系統(tǒng)”或“系統(tǒng)”)計(jì)算，且在必要時(shí)沿途更新或更改。交通工具由其(一個(gè)或多個(gè))發(fā)動(dòng)機(jī)的力經(jīng)由促動(dòng)器或運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)移動(dòng)。

(一個(gè)或多個(gè))發(fā)動(dòng)機(jī)以及促動(dòng)器可以在不同種類(lèi)的交通工具之間不同：對(duì)于有輪子的汽車(chē)，控制器是油門(mén)、傳動(dòng)裝置、輪子的轉(zhuǎn)向裝置以及制動(dòng)器；對(duì)于機(jī)動(dòng)船，其為其發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和方向以及其舵的傾斜度；對(duì)于帆船，其為其帆相應(yīng)于風(fēng)的位置和幅度的位置以及相應(yīng)的船和舵方向。四軸無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制器是其發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳。飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制器是其發(fā)動(dòng)機(jī)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼的推力。

盡管針對(duì)各種類(lèi)型的交通工具的不同類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)控制器之間有明顯區(qū)別，它們具有很多共同之處——每一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器將力施加到交通工具上，交通工具進(jìn)而將該力轉(zhuǎn)換成交通工具速度和運(yùn)動(dòng)方向的改變(或保持)。

由運(yùn)動(dòng)控制器施加的力依賴(lài)于控制器、交通工具和周?chē)h(huán)境的狀態(tài)。例如，由汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)輪子施加的力依賴(lài)于發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩的量、發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪之間的傳動(dòng)裝置、以及輪子與道路之間的摩擦力；由轉(zhuǎn)彎輪施加到汽車(chē)上的力依賴(lài)于汽車(chē)速度、輪子的傾角以及輪子與道路之間的摩擦力；由帆船舵或由飛機(jī)控制表面(例如，方向舵、升降舵、副翼、襟翼)施加的力依賴(lài)于其傾角和水或氣流的相對(duì)速度等。

由運(yùn)動(dòng)控制器投射到交通工具上的力的精確值是根據(jù)該運(yùn)動(dòng)控制器的物理模型、環(huán)境的模型和測(cè)量來(lái)計(jì)算的。運(yùn)動(dòng)控制器和局部環(huán)境的準(zhǔn)確物理模型的創(chuàng)建和維護(hù)以及通過(guò)頻繁測(cè)量來(lái)自運(yùn)動(dòng)控制器的力和環(huán)境而對(duì)這些模型的連續(xù)更新允許交通工具運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和導(dǎo)航問(wèn)題的最優(yōu)解。

重要的是要注意，由于多種原因，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)將提高行程的安全性、效率和舒適度。人類(lèi)駕駛員易于犯錯(cuò)和注意力分散。駕駛員在他們的駕駛技巧方面不同，但是甚至他們中最好的也無(wú)法聲稱(chēng)完美的計(jì)算、規(guī)劃和執(zhí)行，并且他們的反應(yīng)延遲、他們能夠處理的信息的量以及他們對(duì)交通工具、道路、環(huán)境的多個(gè)參數(shù)的判斷的準(zhǔn)確度比計(jì)算機(jī)和電子傳感器弱得多。

運(yùn)動(dòng)控制器和交通工具環(huán)境的物理模型的知識(shí)和應(yīng)用以及交通工具的運(yùn)動(dòng)的力學(xué)方程的進(jìn)一步求解允許最大程度地獲得交通工具的物理上可能的運(yùn)動(dòng)和軌跡。這進(jìn)而允許在針對(duì)給定交通工具、其控制器和環(huán)境在物理上可能的所有路徑當(dāng)中搜索真正最優(yōu)導(dǎo)航路徑。

在討論最優(yōu)導(dǎo)航路徑之前，重要的是準(zhǔn)確地定義最優(yōu)性準(zhǔn)則。最優(yōu)性被制訂為多個(gè)因素之間的折衷，該多個(gè)因素經(jīng)常是相互競(jìng)爭(zhēng)的。例如，最優(yōu)導(dǎo)航可以意味著：對(duì)沿途的人和乘客來(lái)說(shuō)安全；快速；遵守路標(biāo)、交通燈、道路的規(guī)則和限制；最小化成本；環(huán)境友好；舒適且沿道路有優(yōu)美風(fēng)景。

沿途的更短時(shí)間的需求可能與低燃料消耗和低導(dǎo)航成本的需求相矛盾。許多其他因素相互影響，并且使它們中的一個(gè)優(yōu)化和完美將因其他因素而發(fā)生。例如，通常方式是建議對(duì)交通工具外的人和乘客而言的某種“絕對(duì)100％”安全性。然而，由于缺乏理解，聲稱(chēng)可以以100％安全性執(zhí)行導(dǎo)航是危險(xiǎn)的謊言，且這將不可避免地導(dǎo)致沉重的后果?？紤]內(nèi)部有乘客從起點(diǎn)移動(dòng)到目的地的交通工具。某其他交通工具可能撞到它，某路人可能跳到輪子下，其上方或其下面的橋可能倒塌，并且最后，地震、海嘯、恐怖行動(dòng)(其根源不能在撰寫(xiě)時(shí)加以描述)、雷擊以及甚至墜落隕石可能發(fā)生。因此，為了絕對(duì)安全以免于特定事故，交通工具的速度不應(yīng)當(dāng)超過(guò)幾公里每小時(shí)；為了絕對(duì)安全以免于一些其他事故，交通工具應(yīng)當(dāng)停止不動(dòng)。然而，諸如地震、雷暴隕石和恐怖行動(dòng)之類(lèi)的事故仍將使乘客遭受危險(xiǎn)。

所公開(kāi)的用于解決優(yōu)化問(wèn)題的方法之一是通過(guò)構(gòu)造將旅途“成本”的各種度量進(jìn)行組合的成本函數(shù)：

其為成本函數(shù)c(t)＝∑ici(t)(019b)從導(dǎo)航的起始時(shí)間ts直到導(dǎo)航的最終時(shí)間tf對(duì)時(shí)間t的積分。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，分量成本函數(shù)利用與分量的重要性成比例的權(quán)重來(lái)對(duì)安全性、舒適度、燃料消耗、成本和行程時(shí)間進(jìn)行編碼。諸如燃料消耗和行程時(shí)間之類(lèi)的一些估計(jì)是公知的速度函數(shù)，并可以被相當(dāng)準(zhǔn)確地計(jì)算；諸如行程舒適度和由于特定交通工具應(yīng)力而引起的交通工具攤銷(xiāo)的成本之類(lèi)的其他估計(jì)被計(jì)算為加速度、道路鋪設(shè)和速度等的函數(shù)；作為速度、道路、交通、一天中的時(shí)間、照明等的函數(shù)的諸如安全性之類(lèi)的又一些其他估計(jì)可以是作為上面列出的因素的函數(shù)根據(jù)事故概率的已知統(tǒng)計(jì)和近似建模來(lái)完成的。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，速度限制也可以是法律實(shí)施條例的因素，在這種情況下，在成本函數(shù)中存在一分量，其針對(duì)法定限制以下的速度具有零值且針對(duì)法定限制以上的速度具有急劇上升。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，由于成本函數(shù)已經(jīng)具有反映旅途安全性的分量，因此法定速度分量的值無(wú)需取剛好在法定速度限制以上的無(wú)限值，而是取足夠高且上升的值，從而評(píng)估可能的罰款和其他法定懲罰的量。畢竟，存在法定速度限制應(yīng)當(dāng)被稍微超過(guò)的一些情形——在駕送醫(yī)療急診患者到醫(yī)院的情況下或者在對(duì)面車(chē)道中對(duì)另一汽車(chē)進(jìn)行超車(chē)的情況下——在對(duì)面車(chē)道上移動(dòng)期間安全性風(fēng)險(xiǎn)急劇上升，并且因此，為了最小化總體成本函數(shù)，應(yīng)當(dāng)減少對(duì)面車(chē)道上的時(shí)間，這可能通過(guò)稍稍超過(guò)法定速度限制而可達(dá)到。在法定速度限制為55mph的情況下，在對(duì)面車(chē)道上在30秒期間以55mph對(duì)以50mph移動(dòng)的汽車(chē)進(jìn)行超車(chē)可能引發(fā)比在15秒期間以60mph對(duì)其進(jìn)行超車(chē)更高的總體風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于飛機(jī)導(dǎo)航的情況，速度自下受失速速度的限制，且自上受最大結(jié)構(gòu)安全速度限制的限制；導(dǎo)航路線(xiàn)受空域、航空規(guī)則、空中交通控制等的限制。對(duì)于船舶、小船、帆船等的海洋導(dǎo)航的情況，受適當(dāng)?shù)暮Ｑ笠?guī)則、海圖和海洋服務(wù)的限制。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，導(dǎo)航系統(tǒng)繼續(xù)如下：在接收到目的地請(qǐng)求之后，系統(tǒng)規(guī)劃一般路線(xiàn)。最優(yōu)路徑的初始規(guī)劃類(lèi)似于現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航器系統(tǒng)正在做的規(guī)劃——即，它們正在規(guī)劃從起點(diǎn)到目的地的路線(xiàn)。與傳統(tǒng)導(dǎo)航器系統(tǒng)的區(qū)別是：規(guī)劃該路徑，從而優(yōu)化總體成本函數(shù)——包括旅行的安全性以及燃料、交通工具等的費(fèi)用；此外，所規(guī)劃的路徑將包括預(yù)期交通工具速度的沿途標(biāo)記。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，規(guī)劃階段可以類(lèi)似于現(xiàn)代導(dǎo)航輔助系統(tǒng)，現(xiàn)代導(dǎo)航輔助系統(tǒng)正在規(guī)劃最短路徑。一些可選的新穎特征存在于所公開(kāi)的系統(tǒng)中：目的地請(qǐng)求可以連同進(jìn)一步的使命描述或?qū)傩砸黄鸬絹?lái)，該進(jìn)一步的使命描述或?qū)傩员晦D(zhuǎn)換成成本函數(shù)(019b)。例如，對(duì)于緊急醫(yī)療運(yùn)送，時(shí)間延遲的成本將比對(duì)于休閑旅行更高?？紤]到安全性、時(shí)間、成本和其他可能因素的考慮，對(duì)路線(xiàn)進(jìn)行規(guī)劃以最小化期望總體成本函數(shù)。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，在路線(xiàn)被規(guī)劃之后，其被劃分成短路線(xiàn)段，這些短路線(xiàn)段對(duì)于駕駛“容易消化”。存在路線(xiàn)的可由監(jiān)視攝像機(jī)和傳感器直接觀(guān)察的路線(xiàn)段。交通工具的運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)，并且進(jìn)一步控制交通工具直到到達(dá)目的地是增量迭代的方法，其中速度幅度和方向由交通工具運(yùn)動(dòng)促動(dòng)器根據(jù)從傳感器、交通控制、其他交通工具、天氣報(bào)告和其他信息源獲得的實(shí)時(shí)信息來(lái)更改。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，存在由系統(tǒng)迭代地執(zhí)行的兩個(gè)基本動(dòng)作：(1)沿所規(guī)劃的路徑的導(dǎo)航；(2)對(duì)中斷的反應(yīng)。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于沿路徑的導(dǎo)航，迭代地選擇從當(dāng)前交通工具位置起始且依賴(lài)于傳感器的范圍、交通工具速度和其他因素而在沿路徑的某充分距離處結(jié)束的適當(dāng)路徑段。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，計(jì)算沿當(dāng)前路徑段的詳細(xì)期望軌跡。其被計(jì)算以繼續(xù)當(dāng)前交通工具速度和方向，并且考慮到下述各項(xiàng)而最小化成本函數(shù)(019b)：路徑和局部環(huán)境的約束；來(lái)自感知路徑、環(huán)境、交通工具、乘客和負(fù)載的傳感器的信息；對(duì)速度和位置的法定要求；交通工具及其運(yùn)動(dòng)促動(dòng)器的物理限制；以及路徑的安全性、速度、舒適度和價(jià)格的考慮因素。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，在沿當(dāng)前段的詳細(xì)期望軌跡被計(jì)算之后，通過(guò)交通工具的速度和位置的周期性驗(yàn)證(這些更新和驗(yàn)證是以適當(dāng)?shù)牟蓸勇?典型地以1赫茲到1000赫茲之間的頻率)來(lái)執(zhí)行的)來(lái)測(cè)量交通工具實(shí)際軌跡。處理實(shí)際位置與期望軌跡之間的區(qū)別，從而對(duì)運(yùn)動(dòng)促動(dòng)器的校正動(dòng)作以及期望軌跡的更新和修改兩者作出貢獻(xiàn)。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，根據(jù)所選目的地、導(dǎo)航空間的物理約束和交通工具的物理限制來(lái)對(duì)空間中的軌跡確定路線(xiàn)。例如，沿適當(dāng)?shù)牡缆穼?duì)針對(duì)有輪子的交通工具的路徑確定路線(xiàn)；針對(duì)飛機(jī)的軌跡——沿適當(dāng)?shù)目罩薪煌肪€(xiàn)，考慮空域規(guī)則、空中交通、天氣、來(lái)自交通控制的最近更新、飛機(jī)的物理性質(zhì)和限制等；類(lèi)似地，根據(jù)導(dǎo)航地圖、天氣預(yù)報(bào)、交通模式等來(lái)構(gòu)造針對(duì)船舶或小船的路線(xiàn)。

除了如上所述沿所構(gòu)造的路線(xiàn)移動(dòng)交通工具外，導(dǎo)航系統(tǒng)具有另一重要功能，其為對(duì)改變和發(fā)生的情形的交互式反應(yīng)。

需要交通工具控制中的“立即”響應(yīng)的許多不同道路中斷可能發(fā)生：交通燈、路標(biāo)、穿行路途的其他交通工具、穿行路途或甚至跳到道路上的行人或動(dòng)物、以及與其他駕駛員、行人的錯(cuò)誤、所導(dǎo)航的交通工具的故障、附近交通工具、道路基礎(chǔ)設(shè)施、事故等相關(guān)的其他危險(xiǎn)情形。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，盡管多個(gè)可能道路中斷有明顯的多樣性，它們具有非常多的共同之處，且可以由以下方案解決：

持續(xù)地尋找新的道路中斷。道路中斷是環(huán)境改變的事件，使得沿最近規(guī)劃路線(xiàn)的所規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致交通工具、其乘客或人、交通工具外的動(dòng)物或財(cái)產(chǎn)碰撞或遭受危險(xiǎn)。在檢測(cè)到道路中斷時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算消除或最小化“成本”的最優(yōu)反應(yīng)并執(zhí)行。針對(duì)軌跡改變的最優(yōu)性的準(zhǔn)則可以包括乘客和人的安全性、該交通工具和周?chē)煌üぞ吆拓?cái)產(chǎn)的安全性、交通規(guī)則和規(guī)定、乘客的舒適度、行程的時(shí)間和成本等?？梢酝ㄟ^(guò)受約束的最小化問(wèn)題的求解來(lái)計(jì)算軌跡的最優(yōu)改變，在該求解中，最優(yōu)性的準(zhǔn)則被包括到成本函數(shù)中，并且該求解受交通工具能力、導(dǎo)航空間和交通規(guī)則的物理限制以及物理環(huán)境約束。在計(jì)算交通工具軌跡和路線(xiàn)的最優(yōu)改變時(shí)，對(duì)它們進(jìn)行更新并且沿經(jīng)更新的軌跡執(zhí)行進(jìn)一步的交通工具運(yùn)動(dòng)。

對(duì)一些有挑戰(zhàn)性的道路中斷的成功響應(yīng)可能需要交通工具的最大物理能力的參與，以避免受傷或損害。在這些情形中，次優(yōu)交通工具性能將導(dǎo)致次優(yōu)解。以下列出幾個(gè)示例：

動(dòng)物突然跳到道路中穿行交通工具的路徑，太接近于交通工具而不允許在撞擊之前完全停下，這可以由適當(dāng)?shù)募鞭D(zhuǎn)向矯正。太少的轉(zhuǎn)向?qū)?dǎo)致大概率的撞擊，而太多的轉(zhuǎn)向?qū)?dǎo)致交通工具打滑或翻車(chē)。

在高速急轉(zhuǎn)彎期間前輪胎的爆裂需要交通工具的物理模型的更新以及在適當(dāng)?shù)某潭壬贤瑫r(shí)應(yīng)用制動(dòng)和轉(zhuǎn)彎，以便保持在車(chē)道中或者至少最小化從車(chē)道向外的滾轉(zhuǎn)的損害。

不可避免地，在一些情況下，給定當(dāng)前交通工具能力、道路狀況、所有參與者的速度和位置，則甚至在物理學(xué)定律下可能的最佳的最優(yōu)解也將導(dǎo)致對(duì)交通工具的損害且甚至使參與者的健康和生命遭受危險(xiǎn)。然而，甚至在這些不幸的情況下，仍然存在明確定義的最優(yōu)性準(zhǔn)則——對(duì)人類(lèi)生命的最小風(fēng)險(xiǎn)以及對(duì)財(cái)產(chǎn)的最小損害。

尤其是在對(duì)緊急道路中斷的反應(yīng)中交通工具的最優(yōu)轉(zhuǎn)向需要準(zhǔn)確的交通工具模型，包括針對(duì)受損害的交通工具的模型更新：爆胎的交通工具具有與道路不同的摩擦力，然而，其仍然必須被以可控方式轉(zhuǎn)向直到其安全地停在路肩上或停在適當(dāng)?shù)陌踩恢锰帯?/p>

因此，根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，我們將自動(dòng)無(wú)駕駛員交通工具導(dǎo)航的問(wèn)題簡(jiǎn)化成以下各項(xiàng)：(1)獲得起點(diǎn)(1a)、目的地點(diǎn)(1b)和使命優(yōu)先級(jí)(1c)。(2)根據(jù)使命優(yōu)先級(jí)和在先數(shù)據(jù)、交通工具和環(huán)境和交通模型、天氣和交通更新，構(gòu)造成本函數(shù)(2a)，從而反映優(yōu)先級(jí)和可用信息。(3)找到最小化成本函數(shù)(2a)的最優(yōu)路徑(3a)。(4)沿最優(yōu)路徑(3a)駕駛交通工具，從而應(yīng)用交通工具運(yùn)動(dòng)控制器以最小化成本函數(shù)(2a)。(4)監(jiān)視環(huán)境和交通工具并維持通信以便及時(shí)地檢測(cè)需要在駕駛交通工具時(shí)作出反應(yīng)(4b)的任何道路中斷(4a)或者導(dǎo)航路徑(4c)的改變。(5)計(jì)算對(duì)所檢測(cè)到的道路中斷(4a)的最優(yōu)反應(yīng)，從而通過(guò)求解交通工具的運(yùn)動(dòng)方程來(lái)最小化成本函數(shù)。

現(xiàn)在讓我們更詳細(xì)地考慮交通工具的物理模型及其運(yùn)動(dòng)方程。初始位置或起點(diǎn)到特定最終位置或目的地交通工具在空間中的位置由其質(zhì)心的其空間位置以及其相對(duì)于某預(yù)選擇坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的角位置來(lái)定義。

交通工具的速度被定義為其坐標(biāo)關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)：注意，該定義適用于線(xiàn)性速度和角旋轉(zhuǎn)速度這兩者。

交通工具的動(dòng)量的時(shí)間導(dǎo)數(shù)等于力的凈和：

其中動(dòng)量是交通工具的獨(dú)立部分及其負(fù)載乘以它們的相應(yīng)速度的乘積之和：

對(duì)于具有剛性構(gòu)造的交通工具和其相對(duì)于交通工具的移動(dòng)和位移可忽略的負(fù)載，剛性體近似是有效的：其中m＝∑imi是交通工具及其負(fù)載的總質(zhì)量，并且是其質(zhì)心的速度。注意，我們通過(guò)標(biāo)量m來(lái)表示質(zhì)量并通過(guò)向量來(lái)表示角動(dòng)量。對(duì)于改變其形狀和質(zhì)量分布的交通工具，運(yùn)動(dòng)方程必須被分別地應(yīng)用于交通工具和負(fù)載系統(tǒng)的每一個(gè)移動(dòng)部分。

交通工具的角動(dòng)量被定義為其中

是慣性張量，并且

是其角速度。

角動(dòng)量的時(shí)間導(dǎo)數(shù)等于被施加于該體的凈扭矩其中扭矩是所有所施加的力與向著施力點(diǎn)的向量的向量積之和：

上面呈現(xiàn)的等式描述了交通工具的運(yùn)動(dòng)且可以用于預(yù)測(cè)其軌跡并搜索最優(yōu)控制。

然而，我們未定義在等式(44a)和(50a)中提及且由交通工具上的運(yùn)動(dòng)促動(dòng)器施加的具體力。

在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的以上一般描述中，考慮的默認(rèn)示例是有輪子的汽車(chē)的駕駛。然而，所公開(kāi)的本發(fā)明適用于能夠受控地改變其在空間中的位置的許多不同交通工具和機(jī)器的自動(dòng)駕駛和駕駛員輔助。在系統(tǒng)級(jí)，各種類(lèi)型的交通工具與運(yùn)輸裝置之間的主要區(qū)別是以下各項(xiàng)：

(1)不同運(yùn)輸媒介——道路；空氣；水；

(2)不同交通工具類(lèi)型、運(yùn)動(dòng)模式、規(guī)則和約束；

(3)作用于運(yùn)動(dòng)促動(dòng)器以及促動(dòng)器和交通工具的物理模型上的不同的力。

現(xiàn)在讓我們考慮針對(duì)汽車(chē)的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的功能中的一些。將針對(duì)在公共道路上運(yùn)行的四輪私家車(chē)給出許多示例。然而，所公開(kāi)的本發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域不受汽車(chē)類(lèi)型和環(huán)境的限制。其包括在地面上運(yùn)行移動(dòng)的其他類(lèi)型的運(yùn)輸機(jī)，諸如：履帶、農(nóng)機(jī)、裝甲車(chē)和坦克、有輪子的、有履帶的和有腿的機(jī)器。

可在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的任務(wù)包括：路標(biāo)和交通燈的識(shí)別；道路、其路肩、交通方向、障礙物和凸起、速度限制、汽車(chē)信號(hào)燈(轉(zhuǎn)彎)、制動(dòng)的識(shí)別；行人和動(dòng)物穿行、道路中斷(其為需要速度和/或轉(zhuǎn)向的立即改變的情形)；自主導(dǎo)航系統(tǒng)中使用的通信系統(tǒng)可以包括gps系統(tǒng)、glonass以及其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)電交通和天氣更新、汽車(chē)對(duì)汽車(chē)、汽車(chē)對(duì)道路基礎(chǔ)設(shè)施通信。

對(duì)于這些情況，交通工具的運(yùn)動(dòng)促動(dòng)器主要基于與道路或表面的摩擦力。空氣和風(fēng)通常具有輔助且不太重要的影響，除了高速汽車(chē)和強(qiáng)風(fēng)。對(duì)于有腿的步行機(jī)器——應(yīng)當(dāng)根據(jù)微環(huán)境模型、表面模型、摩擦力測(cè)量和估計(jì)來(lái)評(píng)估腿與表面之間的反應(yīng)、摩擦力、由腿支撐的最大力，腿上的負(fù)載可以由內(nèi)置傳感器計(jì)算或測(cè)量；在運(yùn)動(dòng)方程中評(píng)估和考慮慣性力矩、質(zhì)心、形狀、以及由于腿延伸而被應(yīng)用于交通工具的力的力矩的改變。

附圖說(shuō)明

在本說(shuō)明書(shū)的結(jié)束部分中特別指出且突出要求保護(hù)被視為本發(fā)明的主題。然而，關(guān)于組織和操作方法這兩者，本發(fā)明與其目的、特征和優(yōu)勢(shì)一起可以通過(guò)參照在與附圖一起閱讀時(shí)的以下詳細(xì)描述而獲得最佳理解，在附圖中：

圖1示出了用于自主交通工具導(dǎo)航的示例性系統(tǒng)的框圖；

其包括針對(duì)交通工具、環(huán)境、駕駛員和交通工具控制的物理模型的框以及表示監(jiān)視交通工具、環(huán)境駕駛員和交通工具控制器的傳感器的框。

圖2表示交通工具及其診斷傳感器的示例性物理模型的框圖。

圖3示出了示例性環(huán)境和微環(huán)境物理模型和測(cè)量傳感器的框圖。

圖4示出了示例性駕駛員和示例性道路安全性模型和診斷傳感器。

圖5示出了示例性交通工具控制器模型和交通工具控制器的傳感器。

圖6示出了示例性自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的一般執(zhí)行流程圖。

圖7示出了實(shí)現(xiàn)對(duì)有輪子的乘客汽車(chē)的控制的示例性自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的框中的一些。

圖8示出了實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭機(jī)器人的控制的示例性自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的框中的一些。

圖9示出了實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的控制的示例性自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的框中的一些。

圖10示出了實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的控制的示例性自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的框中的一些。

圖11圖示了在作為交通工具速度的函數(shù)而繪制的成本函數(shù)的示例上搜索最優(yōu)導(dǎo)航解的示例性機(jī)制。

將意識(shí)到的是，為了圖示的簡(jiǎn)明和清楚，各圖中所示的元件未必按比例繪制。例如，為了清楚，元件中的一些的尺寸可以相對(duì)于其他元件而夸大。進(jìn)一步地，在適當(dāng)考慮的情況下，可以在各圖之間重復(fù)附圖標(biāo)記以指示對(duì)應(yīng)或相似的元件。

具體實(shí)施方式

在以下詳細(xì)描述中，闡述了許多具體細(xì)節(jié)以便提供對(duì)本發(fā)明的透徹理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以在沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐本發(fā)明。在其他實(shí)例中，未詳細(xì)描述公知的方法、過(guò)程、組件和電路以免使本發(fā)明模糊。

除非以其他方式具體聲明，如從以下討論中顯而易見(jiàn)的那樣，意識(shí)到：遍及本說(shuō)明書(shū)，利用諸如“處理”、“測(cè)算”、“計(jì)算”、“確定”等之類(lèi)的術(shù)語(yǔ)的討論指代下述計(jì)算機(jī)或計(jì)算系統(tǒng)或類(lèi)似電子計(jì)算設(shè)備的動(dòng)作和/或過(guò)程：該計(jì)算機(jī)或計(jì)算系統(tǒng)或類(lèi)似電子計(jì)算設(shè)備將被表示為計(jì)算系統(tǒng)的寄存器和/或存儲(chǔ)器內(nèi)的物理(諸如，電子)量的數(shù)據(jù)操控和/或變換成被類(lèi)似表示為計(jì)算系統(tǒng)的存儲(chǔ)器、寄存器或其他這樣的信息儲(chǔ)存、傳輸或顯示設(shè)備內(nèi)的物理量的其他數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的實(shí)施例可以包括用于執(zhí)行本文中的操作的設(shè)備。該設(shè)備可以被具體構(gòu)造以用于期望目的，或者其可以包括由計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)程序選擇性地激活或重配置的通用計(jì)算機(jī)。這樣的計(jì)算機(jī)程序可以存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀儲(chǔ)存介質(zhì)中，該計(jì)算機(jī)可讀儲(chǔ)存介質(zhì)諸如但不限于包括硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、固態(tài)驅(qū)動(dòng)器、閃存、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ram)的任何類(lèi)型的盤(pán)或者適用于存儲(chǔ)電子指令的任何其他類(lèi)型的介質(zhì)。

本文呈現(xiàn)的過(guò)程和顯示不是固有地與任何特定計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備相關(guān)的。各種通用系統(tǒng)可以與根據(jù)本文中的教導(dǎo)的程序一起使用，或者其可以被證明對(duì)將更專(zhuān)門(mén)的設(shè)備構(gòu)造成執(zhí)行期望方法來(lái)說(shuō)是方便的。多種這些系統(tǒng)的期望結(jié)構(gòu)將從以下描述中出現(xiàn)。另外，本發(fā)明的實(shí)施例不是參照任何特定編程語(yǔ)言來(lái)描述的。將意識(shí)到的是，多種編程語(yǔ)言可以被用于實(shí)現(xiàn)如本文描述的本發(fā)明的教導(dǎo)。

本發(fā)明包括用于自主交通工具導(dǎo)航的系統(tǒng)和方法。所公開(kāi)的架構(gòu)和算法方案允許實(shí)質(zhì)上在沒(méi)有來(lái)自人類(lèi)駕駛員的幫助和干預(yù)的情況下的自主交通工具導(dǎo)航。

本發(fā)明將經(jīng)常針對(duì)有輪子的地面交通工具(諸如，私家車(chē))加以說(shuō)明和解釋?zhuān)欢?，交通工具?lèi)型和應(yīng)用不受任何具體類(lèi)型的交通工具的限制，而是還包括有輪子的汽車(chē)、家庭機(jī)器人、旋翼飛行器、無(wú)人機(jī)、步行機(jī)、飛機(jī)、小船、帆船等——實(shí)際上，現(xiàn)今已知或未來(lái)將發(fā)明出的有受控導(dǎo)航能力的任何機(jī)器。

自主導(dǎo)航的問(wèn)題可以被定義為環(huán)境中的交通工具從特定初始位置或起點(diǎn)位到特定最終位置或目的地的問(wèn)題。為了簡(jiǎn)明，將通常表示空間中的交通工具位置的完整描述，并包括其質(zhì)心的坐標(biāo){x1，x2，x3}和其相對(duì)于某預(yù)選擇坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度兩者：該坐標(biāo)可以是歐幾里得體系中的空間坐標(biāo)，并且該角度可以是滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航的角度或者沿交通工具的慣性力矩的主軸的角度?？梢詾榱朔奖愣x擇其他類(lèi)型的空間坐標(biāo)和角度，諸如球坐標(biāo)、歐拉角、四元數(shù)等。

我們將通過(guò)交通工具的剛性體描述來(lái)限制討論，然而，所公開(kāi)的本發(fā)明也適用于其他類(lèi)型的交通工具，諸如步行機(jī)或者在其運(yùn)動(dòng)期間顯著改變其形狀和慣性力矩的其他交通工具。

沿特定路徑或軌跡從起點(diǎn)到目的地導(dǎo)航交通工具，該特定路徑或軌跡可以被描述為特定時(shí)刻處交通工具位置的序列或者更準(zhǔn)確地被描述為交通工具位置對(duì)時(shí)間t的參數(shù)依賴(lài)性：

軌跡由自主交通工具導(dǎo)航系統(tǒng)(也稱(chēng)為“交通工具導(dǎo)航系統(tǒng)”、“導(dǎo)航系統(tǒng)”或“系統(tǒng)”)計(jì)算，且在必要時(shí)沿途更新或更改。交通工具由其(一個(gè)或多個(gè))發(fā)動(dòng)機(jī)的力經(jīng)由促動(dòng)器或運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)移動(dòng)。

(一個(gè)或多個(gè))發(fā)動(dòng)機(jī)以及促動(dòng)器可以在不同種類(lèi)的交通工具之間不同：對(duì)于有輪子的汽車(chē)，控制器是油門(mén)、傳動(dòng)裝置、輪子的轉(zhuǎn)向裝置以及制動(dòng)器；對(duì)于機(jī)動(dòng)船，其為其發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和方向以及其舵的傾斜度；對(duì)于帆船，其為其帆相應(yīng)于風(fēng)的位置和幅度的位置以及相應(yīng)的小船和舵方向。四軸無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制器是其發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳。飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制器是其發(fā)動(dòng)機(jī)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼的推力。

盡管針對(duì)各種類(lèi)型的交通工具的不同類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)控制器之間有明顯區(qū)別，它們具有很多共同之處——每一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器將力施加到交通工具上，交通工具進(jìn)而將該力轉(zhuǎn)換成交通工具速度和運(yùn)動(dòng)方向的改變(或保持)。

由運(yùn)動(dòng)控制器施加的力依賴(lài)于控制器、交通工具和周?chē)h(huán)境的狀態(tài)。例如，由汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)輪子施加的力依賴(lài)于發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩的量、發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪之間的傳動(dòng)裝置、以及輪子與道路之間的摩擦力；由轉(zhuǎn)彎輪施加到汽車(chē)上的力依賴(lài)于汽車(chē)速度、輪子的傾角以及輪子與道路之間的摩擦力；由帆船舵或由飛機(jī)控制表面(例如，方向舵、升降舵、副翼、襟翼)施加的力依賴(lài)于其傾角和水或氣流的相對(duì)速度等。

由運(yùn)動(dòng)控制器投射到交通工具上的力的精確值是根據(jù)該運(yùn)動(dòng)控制器的物理模型、環(huán)境的模型和測(cè)量來(lái)計(jì)算的。運(yùn)動(dòng)控制器和局部環(huán)境的準(zhǔn)確物理模型的創(chuàng)建和維護(hù)以及通過(guò)來(lái)自運(yùn)動(dòng)控制器的力和環(huán)境的頻繁測(cè)量而對(duì)這些模型的連續(xù)更新允許交通工具運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和導(dǎo)航問(wèn)題的最優(yōu)解。

重要的是要注意，由于多種原因，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)將提高行程的安全性、效率和舒適度。人類(lèi)駕駛員易于犯錯(cuò)和注意力分散。駕駛員在他們的駕駛技巧方面不同，但是甚至他們中最好的也無(wú)法聲稱(chēng)完美的計(jì)算、規(guī)劃和執(zhí)行，并且他們的反應(yīng)延遲、他們能夠處理的信息的量以及他們對(duì)交通工具、道路、環(huán)境的多個(gè)參數(shù)的判斷的準(zhǔn)確度比計(jì)算機(jī)和電子傳感器弱得多。

運(yùn)動(dòng)控制器和交通工具環(huán)境的物理模型的知識(shí)和應(yīng)用以及交通工具的運(yùn)動(dòng)的力學(xué)方程的進(jìn)一步求解允許最大程度地獲得交通工具的物理上可能的運(yùn)動(dòng)和軌跡。這進(jìn)而允許在針對(duì)給定交通工具、其控制器和環(huán)境在物理上可能的所有路徑當(dāng)中搜索真正最優(yōu)導(dǎo)航路徑。

在討論最優(yōu)導(dǎo)航路徑之前，重要的是準(zhǔn)確地定義最優(yōu)性準(zhǔn)則。最優(yōu)性被制訂為多個(gè)因素之間的折衷，該多個(gè)因素經(jīng)常是相互競(jìng)爭(zhēng)的。例如，最優(yōu)導(dǎo)航可以意味著：對(duì)沿途的人和乘客來(lái)說(shuō)安全；快速；遵守路標(biāo)、交通燈、道路的規(guī)則和限制；最小化成本；環(huán)境友好；舒適且沿道路有優(yōu)美風(fēng)景。

沿途的更短時(shí)間的需求可能與低燃料消耗和低導(dǎo)航成本的需求相矛盾。許多其他因素相互影響，并且使它們中的一個(gè)優(yōu)化和完美將因其他因素而發(fā)生。例如，通常方式是建議對(duì)交通工具外的人和乘客而言的某種“絕對(duì)100％”安全性。然而，由于缺乏理解，聲稱(chēng)可以以100％安全性執(zhí)行導(dǎo)航是危險(xiǎn)的謊言，且這將不可避免地導(dǎo)致沉重的后果?？紤]內(nèi)部有乘客從起點(diǎn)移動(dòng)到目的地的交通工具。某其他交通工具可能撞到它，某路人可能跳到輪子下，其上方或其下面的橋可能倒塌，并且最后，地震、海嘯、恐怖行動(dòng)(其根源不能在撰寫(xiě)時(shí)加以描述)、雷擊以及甚至墜落隕石可能發(fā)生。因此，為了絕對(duì)安全以免于特定事故，交通工具的速度不應(yīng)當(dāng)超過(guò)幾公里每小時(shí)；為了絕對(duì)安全以免于一些其他事故，交通工具應(yīng)當(dāng)停止不動(dòng)。然而，諸如地震、雷暴隕石和恐怖行動(dòng)之類(lèi)的事故仍將使乘客遭受危險(xiǎn)。

所公開(kāi)的用于解決優(yōu)化問(wèn)題的方法之一是通過(guò)構(gòu)造將旅途“成本”的各種度量進(jìn)行組合的成本函數(shù)：

其為成本函數(shù)c(t)＝∑ici(t)(019b)從導(dǎo)航的起始時(shí)間ts直到導(dǎo)航的最終時(shí)間tf對(duì)時(shí)間t的積分。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，分量成本函數(shù)利用與分量的重要性成比例的權(quán)重來(lái)對(duì)安全性、舒適度、燃料消耗、成本和行程時(shí)間進(jìn)行編碼。諸如燃料消耗和行程時(shí)間之類(lèi)的一些估計(jì)是公知的速度函數(shù)，并可以被相當(dāng)準(zhǔn)確地計(jì)算；諸如行程舒適度和由于特定交通工具應(yīng)力而引起的交通工具攤銷(xiāo)的成本之類(lèi)的其他估計(jì)被計(jì)算為加速度、道路鋪設(shè)和速度等的函數(shù)；作為速度、道路、交通、一天中的時(shí)間、照明等的函數(shù)的諸如安全性之類(lèi)的又一些其他估計(jì)可以是作為上面列出的因素的函數(shù)根據(jù)事故概率的已知統(tǒng)計(jì)和近似建模來(lái)完成的。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，速度限制也可以是法律實(shí)施條例的因素，在這種情況下，在成本函數(shù)中存在一分量，其針對(duì)法定限制以下的速度具有零值且針對(duì)法定限制以上的速度具有急劇上升。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，由于成本函數(shù)已經(jīng)具有反映旅途安全性的分量，因此法定速度分量的值無(wú)需取剛好在法定速度限制以上的無(wú)限值，而是取足夠高且上升的值，從而評(píng)估可能的罰款和其他法定懲罰的量。畢竟，存在法定速度限制應(yīng)當(dāng)被稍微超過(guò)的一些情形——在駕送醫(yī)療急診患者到醫(yī)院的情況下或者在對(duì)面車(chē)道中對(duì)另一汽車(chē)進(jìn)行超車(chē)的情況下——在對(duì)面車(chē)道上的移動(dòng)期間安全性風(fēng)險(xiǎn)急劇上升，并且因此，為了最小化總體成本函數(shù)，應(yīng)當(dāng)減少對(duì)面車(chē)道上的時(shí)間，這可能通過(guò)稍稍超過(guò)法定速度限制而可達(dá)到。在法定速度限制為55mph的情況下，在對(duì)面車(chē)道上在30秒期間以55mph對(duì)以50mph移動(dòng)的汽車(chē)進(jìn)行超車(chē)可能引發(fā)比在15秒期間以60mph對(duì)其進(jìn)行超車(chē)更高的總體風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于飛機(jī)導(dǎo)航的情況，速度自下受失速速度的限制，且自上受最大結(jié)構(gòu)安全速度限制的限制；導(dǎo)航路線(xiàn)受空域、航空規(guī)則、空中交通控制等的限制。對(duì)于船舶、小船、帆船等的海洋導(dǎo)航的情況，受適當(dāng)?shù)暮Ｑ笠?guī)則、海圖和海洋服務(wù)的限制。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，導(dǎo)航系統(tǒng)繼續(xù)如下：在接收到目的地請(qǐng)求之后，系統(tǒng)規(guī)劃一般路線(xiàn)。最優(yōu)路徑的初始規(guī)劃類(lèi)似于現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航器系統(tǒng)正在做的規(guī)劃——即，它們正在規(guī)劃從起點(diǎn)到目的地的路線(xiàn)。與傳統(tǒng)導(dǎo)航器系統(tǒng)的區(qū)別是：規(guī)劃該路徑，從而優(yōu)化總體成本函數(shù)——包括旅行的安全性以及燃料、交通工具等的費(fèi)用；此外，所規(guī)劃的路徑將包括預(yù)期交通工具速度的沿途標(biāo)記。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，規(guī)劃階段可以類(lèi)似于現(xiàn)代導(dǎo)航輔助系統(tǒng)，現(xiàn)代導(dǎo)航輔助系統(tǒng)正在規(guī)劃最短路徑。一些可選的新穎特征存在于所公開(kāi)的系統(tǒng)中：目的地請(qǐng)求可以連同進(jìn)一步的使命描述或?qū)傩砸黄鸬絹?lái)，該進(jìn)一步的使命描述或?qū)傩员晦D(zhuǎn)換成成本函數(shù)(019b)。例如，對(duì)于緊急醫(yī)療運(yùn)送，時(shí)間延遲的成本將比對(duì)于休閑旅行更高?？紤]到安全性、時(shí)間、成本和其他可能因素的考慮，對(duì)路線(xiàn)進(jìn)行規(guī)劃以最小化期望總體成本函數(shù)。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，在路線(xiàn)被規(guī)劃之后，其被劃分成短路線(xiàn)段，這些短路線(xiàn)段對(duì)于駕駛“容易消化”。存在路線(xiàn)的可由監(jiān)視攝像機(jī)和傳感器直接觀(guān)察的路線(xiàn)段。交通工具的運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)，并且進(jìn)一步控制交通工具直到到達(dá)目的地是增量迭代的方法，其中速度幅度和方向由交通工具運(yùn)動(dòng)促動(dòng)器根據(jù)從傳感器、交通控制、其他交通工具、天氣報(bào)告和其他信息源獲得的實(shí)時(shí)信息來(lái)更改。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，存在由系統(tǒng)迭代地執(zhí)行的兩個(gè)基本動(dòng)作：(1)沿所規(guī)劃的路徑的導(dǎo)航；(2)對(duì)中斷的反應(yīng)。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于沿路徑的導(dǎo)航，迭代地選擇從當(dāng)前交通工具位置起始且依賴(lài)于傳感器的范圍、交通工具速度和其他因素而在沿路徑的某充分距離處結(jié)束的適當(dāng)路徑段。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，計(jì)算沿當(dāng)前路徑段的詳細(xì)期望軌跡。其被計(jì)算以繼續(xù)當(dāng)前交通工具速度和方向，并且考慮到下述各項(xiàng)而最小化成本函數(shù)(019b)：路徑和局部環(huán)境的約束；來(lái)自感知路徑、環(huán)境、交通工具、乘客和負(fù)載的傳感器的信息；對(duì)速度和位置的法定要求；交通工具及其運(yùn)動(dòng)促動(dòng)器的物理限制；以及路徑的安全性、速度、舒適度和價(jià)格的考慮因素。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，在沿當(dāng)前段的詳細(xì)期望軌跡被計(jì)算之后，通過(guò)交通工具的速度和位置的周期性驗(yàn)證(這些更新和驗(yàn)證是以適當(dāng)?shù)牟蓸勇?典型地以1赫茲到1000赫茲之間的頻率)來(lái)執(zhí)行的)來(lái)測(cè)量交通工具實(shí)際軌跡。處理實(shí)際位置與期望軌跡之間的區(qū)別，從而對(duì)運(yùn)動(dòng)促動(dòng)器的校正動(dòng)作以及期望軌跡的更新和修改兩者作出貢獻(xiàn)。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，根據(jù)所選目的地、導(dǎo)航空間的物理約束和交通工具的物理限制來(lái)對(duì)空間中的軌跡確定路線(xiàn)。例如，沿適當(dāng)?shù)牡缆穼?duì)針對(duì)有輪子的交通工具的路徑確定路線(xiàn)；針對(duì)飛機(jī)的軌跡——沿適當(dāng)?shù)目罩薪煌肪€(xiàn)，考慮空域規(guī)則、空中交通、天氣、來(lái)自交通控制的最近更新、飛機(jī)的物理性質(zhì)和限制等；類(lèi)似地，根據(jù)導(dǎo)航地圖、天氣預(yù)報(bào)、交通模式等來(lái)構(gòu)造針對(duì)船舶或小船的路線(xiàn)。

除了如上所述沿所構(gòu)造的路線(xiàn)移動(dòng)交通工具外，導(dǎo)航系統(tǒng)具有另一重要功能，其為對(duì)改變和發(fā)生的情形的交互式反應(yīng)。

需要交通工具控制中的“立即”響應(yīng)的許多不同道路中斷可能發(fā)生：交通燈、路標(biāo)、穿行路途的其他交通工具、穿行路途或甚至跳到道路上的行人或動(dòng)物、以及與其他駕駛員、行人的錯(cuò)誤、所導(dǎo)航的交通工具的故障、附近交通工具、道路基礎(chǔ)設(shè)施、事故等相關(guān)的其他危險(xiǎn)情形。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，盡管多個(gè)可能道路中斷有明顯的多樣性，它們具有非常多的共同之處，且可以由以下方案解決：

持續(xù)地尋找新的道路中斷。道路中斷是環(huán)境改變的事件，使得沿最近規(guī)劃路線(xiàn)的所規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致交通工具、其乘客或人、交通工具外的動(dòng)物或財(cái)產(chǎn)碰撞或遭受危險(xiǎn)。在檢測(cè)到道路中斷時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算消除或最小化“成本”的最優(yōu)反應(yīng)并執(zhí)行。針對(duì)軌跡改變的最優(yōu)性的準(zhǔn)則可以包括乘客和人的安全性、該交通工具和周?chē)煌üぞ吆拓?cái)產(chǎn)的安全性、交通規(guī)則和規(guī)定、乘客的舒適度、行程的時(shí)間和成本等?？梢酝ㄟ^(guò)受約束的最小化問(wèn)題的求解來(lái)計(jì)算軌跡的最優(yōu)改變，在該求解中，最優(yōu)性的準(zhǔn)則被包括到成本函數(shù)中，并且該求解受交通工具能力、導(dǎo)航空間和交通規(guī)則的物理限制以及物理環(huán)境約束。在計(jì)算交通工具軌跡和路線(xiàn)的最優(yōu)改變時(shí)，對(duì)它們進(jìn)行更新并且沿經(jīng)更新的軌跡執(zhí)行進(jìn)一步的交通工具運(yùn)動(dòng)。

對(duì)一些有挑戰(zhàn)性的道路中斷的成功響應(yīng)可能需要交通工具的最大物理能力的參與，以避免受傷或損害。在這些情形中，次優(yōu)交通工具性能將導(dǎo)致次優(yōu)解。以下列出幾個(gè)示例：

動(dòng)物突然跳到道路中穿行交通工具的路徑，太接近于交通工具而不允許在撞擊之前完全停下，這可以由適當(dāng)?shù)募鞭D(zhuǎn)向矯正。太少的轉(zhuǎn)向?qū)?dǎo)致大概率的撞擊，而太多的轉(zhuǎn)向?qū)?dǎo)致交通工具打滑或翻車(chē)。

在高速急轉(zhuǎn)彎期間前輪胎的爆裂需要交通工具的物理模型的更新以及在適當(dāng)?shù)某潭壬贤瑫r(shí)應(yīng)用制動(dòng)和轉(zhuǎn)彎，以便保持在車(chē)道中或者至少最小化從車(chē)道向外的滾轉(zhuǎn)的損害。

不可避免地，在一些情況下，給定當(dāng)前交通工具能力、道路狀況、所有參與者的速度和位置，則甚至在物理學(xué)定律下可能的最佳的最優(yōu)解也將導(dǎo)致對(duì)交通工具的損害且甚至使參與者的健康和生命遭受危險(xiǎn)。然而，甚至在這些不幸的情況下，仍然存在明確定義的最優(yōu)性準(zhǔn)則——對(duì)人類(lèi)生命的最小風(fēng)險(xiǎn)以及對(duì)財(cái)產(chǎn)的最小損害。

尤其是在對(duì)緊急道路中斷的反應(yīng)中交通工具的最優(yōu)轉(zhuǎn)向需要準(zhǔn)確的交通工具模型，包括針對(duì)受損害的交通工具的模型更新：爆胎的交通工具具有與道路不同的摩擦力，然而，其仍然必須被以可控方式轉(zhuǎn)向直到其安全地停在路肩上或停在適當(dāng)?shù)陌踩恢锰帯?/p>

因此，根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，我們將自動(dòng)無(wú)駕駛員交通工具導(dǎo)航的問(wèn)題簡(jiǎn)化成以下各項(xiàng)：(1)獲得起點(diǎn)(1a)、目的地點(diǎn)(1b)和使命優(yōu)先級(jí)(1c)。(2)根據(jù)使命優(yōu)先級(jí)和在先數(shù)據(jù)、交通工具和環(huán)境和交通模型、天氣和交通更新，構(gòu)造成本函數(shù)(2a)，從而反映優(yōu)先級(jí)和可用信息。(3)找到最小化成本函數(shù)(2a)的最優(yōu)路徑(3a)。(4)沿最優(yōu)路徑(3a)駕駛交通工具，從而應(yīng)用交通工具運(yùn)動(dòng)控制器以最小化成本函數(shù)(2a)。(4)監(jiān)視環(huán)境和交通工具并維持通信以便及時(shí)地檢測(cè)需要在駕駛交通工具時(shí)作出反應(yīng)(4b)的任何道路中斷(4a)或者導(dǎo)航路徑(4c)的改變。(5)計(jì)算對(duì)所檢測(cè)到的道路中斷(4a)的最優(yōu)反應(yīng)，從而通過(guò)求解交通工具的運(yùn)動(dòng)方程來(lái)最小化成本函數(shù)。

現(xiàn)在讓我們更詳細(xì)地考慮交通工具的物理模型及其運(yùn)動(dòng)方程。初始位置或起點(diǎn)到特定最終位置或目的地交通工具在空間中的位置由其質(zhì)心的其空間位置以及其相對(duì)于某預(yù)選擇坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的角位置來(lái)定義。

交通工具的速度被定義為其坐標(biāo)關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)：注意，該定義適用于線(xiàn)性速度和角旋轉(zhuǎn)速度這兩者。

交通工具的動(dòng)量的時(shí)間導(dǎo)數(shù)等于力的凈和：

其中動(dòng)量是交通工具的獨(dú)立部分及其負(fù)載乘以它們的相應(yīng)速度的乘積之和：

對(duì)于具有剛性構(gòu)造的交通工具和其相對(duì)于交通工具的移動(dòng)和位移可忽略的負(fù)載，剛性體近似是有效的：其中m＝∑imi是交通工具及其負(fù)載的總質(zhì)量，并且是其質(zhì)心的速度。注意，我們通過(guò)標(biāo)量m來(lái)表示質(zhì)量并通過(guò)向量來(lái)表示角動(dòng)量。對(duì)于改變其形狀和質(zhì)量分布的交通工具，運(yùn)動(dòng)方程必須被分別地應(yīng)用于交通工具和負(fù)載系統(tǒng)的每一個(gè)移動(dòng)部分。

交通工具的角動(dòng)量被定義為其中

是慣性張量，并且

是其角速度。

角動(dòng)量的時(shí)間導(dǎo)數(shù)等于被施加于該體的凈扭矩其中扭矩是所有所施加的力與向著施力點(diǎn)的向量的向量積之和：

上面呈現(xiàn)的等式描述了交通工具的運(yùn)動(dòng)且可以用于預(yù)測(cè)其軌跡并搜索最優(yōu)控制。

然而，我們未定義在等式(44a)和(50a)中提及且由交通工具上的運(yùn)動(dòng)促動(dòng)器施加的具體力。

在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的以上一般描述中，考慮的默認(rèn)示例是有輪子的汽車(chē)的駕駛。然而，所公開(kāi)的本發(fā)明適用于能夠受控地改變其在空間中的位置的許多不同交通工具和機(jī)器的自動(dòng)駕駛和駕駛員輔助。在系統(tǒng)級(jí)，各種類(lèi)型的交通工具與運(yùn)輸裝置之間的主要區(qū)別是以下各項(xiàng)：

(1)不同運(yùn)輸媒介——道路；空氣；水；

(2)不同交通工具類(lèi)型、運(yùn)動(dòng)模式、規(guī)則和約束；

(3)作用于運(yùn)動(dòng)促動(dòng)器以及促動(dòng)器和交通工具的物理模型上的不同的力。

現(xiàn)在讓我們考慮針對(duì)汽車(chē)的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的功能中的一些。將針對(duì)在公共道路上運(yùn)行的四輪私家車(chē)給出許多示例。然而，所公開(kāi)的本發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域不受汽車(chē)類(lèi)型和環(huán)境的限制。其包括在地面上運(yùn)行移動(dòng)的其他類(lèi)型的運(yùn)輸機(jī)，諸如：履帶、農(nóng)機(jī)、裝甲車(chē)和坦克、有輪子的、有履帶的和有腿的機(jī)器。

可在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的任務(wù)包括：路標(biāo)和交通燈的識(shí)別；道路、其路肩、交通方向、障礙物和凸起、速度限制、汽車(chē)信號(hào)燈(轉(zhuǎn)彎)、制動(dòng)的識(shí)別；行人和動(dòng)物穿行、道路中斷(其為需要速度和/或轉(zhuǎn)向的立即改變的情形)；自主導(dǎo)航系統(tǒng)中使用的通信系統(tǒng)可以包括gps系統(tǒng)、glonass以及其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)電交通和天氣更新、汽車(chē)對(duì)汽車(chē)、汽車(chē)對(duì)道路基礎(chǔ)設(shè)施通信。

對(duì)于這些情況，交通工具的運(yùn)動(dòng)促動(dòng)器主要基于與道路或表面的摩擦力。空氣和風(fēng)通常具有輔助且不太重要的影響，除了高速汽車(chē)和強(qiáng)風(fēng)。對(duì)于有腿的步行機(jī)器——應(yīng)當(dāng)根據(jù)微環(huán)境模型、表面模型、摩擦力測(cè)量和估計(jì)來(lái)評(píng)估腿與表面之間的反應(yīng)、摩擦力、由腿支撐的最大力，腿上的負(fù)載可以由內(nèi)置傳感器計(jì)算或測(cè)量；在運(yùn)動(dòng)方程中評(píng)估和考慮慣性力矩、質(zhì)心、形狀、以及由于腿延伸而被應(yīng)用于交通工具的力的力矩的改變。圖1示出了用于自主交通工具導(dǎo)航的示例性系統(tǒng)的框圖。

其包括針對(duì)交通工具105、環(huán)境115、駕駛員安全性125的物理模型的框，駕駛員安全性125包括駕駛員和乘客在交通工具內(nèi)的位置以及駕駛員警覺(jué)性水平；其還包括針對(duì)交通工具控制模型135的框，以及表示監(jiān)視交通工具110、環(huán)境120、駕駛員130和交通工具控制器140的傳感器的框。

處理單元150執(zhí)行必要的計(jì)算，并且其操作將稍后詳細(xì)地加以解釋。處理單元從交通工具物理模型105和交通工具診斷傳感器110；環(huán)境物理模型115和環(huán)境測(cè)量傳感器120；駕駛員、乘客和負(fù)載安全性模型以及傳感器接收數(shù)據(jù)，并通過(guò)交通工具控制模塊140將控制命令發(fā)送到交通工具控制器135。

框160表示所有通信接口，其包括從衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收信號(hào)、向180處的進(jìn)一步處理發(fā)送數(shù)據(jù)、以及接收所請(qǐng)求的數(shù)據(jù)和處理結(jié)果。

圖2表示交通工具及其診斷傳感器的物理模型的框圖。210表示用于運(yùn)動(dòng)方程的求解和仿真的交通工具的物理模型。交通工具的質(zhì)量和慣性張量定義其對(duì)所施加的力的響應(yīng)。交通工具質(zhì)量可以是預(yù)先已知的、所計(jì)算出的或所測(cè)量出的。對(duì)于汽車(chē)，其為被施加于每一個(gè)輪子的重量之和；對(duì)于飛機(jī)，其為在起飛前被所使用的燃料的重量補(bǔ)償?shù)闹亓?。慣性張量是通過(guò)(48a)根據(jù)交通工具或預(yù)先已知的交通工具模型內(nèi)的3維質(zhì)量分布來(lái)計(jì)算且根據(jù)燃料消耗或交通工具形狀的改變來(lái)更新的。經(jīng)由根據(jù)由運(yùn)動(dòng)控制器施加的力和交通工具運(yùn)動(dòng)的已知改變而對(duì)等式(47-50b)的逆向求解來(lái)完成慣性張量的逆向估計(jì)。

220表示交通工具及其凸殼的幾何模型，其是估計(jì)潛在碰撞所必需的。經(jīng)由防止碰撞、加速度和力作用于交通工具來(lái)保持交通工具的結(jié)構(gòu)完整性。飛機(jī)駕駛可以提供良好示例，這是由于存在可能取決于襟翼的狀態(tài)、傳動(dòng)裝置、速度和必須維持以便保證交通工具完整性的其他參數(shù)的最大速度、加速度、負(fù)載。

230表示引擎、運(yùn)動(dòng)控制器、其診斷、維護(hù)、燃料水平等。引擎?zhèn)鞲衅髋c發(fā)動(dòng)機(jī)建模和信息處理一起允許在人類(lèi)駕駛員之前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的水平上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的診斷和維護(hù)：引擎診斷可以包括對(duì)壓力、噪聲、振動(dòng)水平、溫度、油、燃料、氣體的壓力、作為引擎rpm的函數(shù)的推力、燃料消耗、氣體的量和其他參數(shù)的測(cè)量。與引擎操作一起獲得的數(shù)據(jù)的這些經(jīng)組合的測(cè)量和處理將允許任何潛在引擎問(wèn)題的早期診斷、故障預(yù)測(cè)以及發(fā)動(dòng)機(jī)的準(zhǔn)確且及時(shí)的維護(hù)。例如，現(xiàn)有技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)中的氣體、油、燃料過(guò)濾器的改變通常是根據(jù)操作小時(shí)數(shù)來(lái)執(zhí)行的，然而在所公開(kāi)的方法中，維護(hù)基于所監(jiān)視的診斷參數(shù)以及由發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載和狀況作為因素的綜合的操作小時(shí)數(shù)。例如，在經(jīng)加速的負(fù)載、應(yīng)力下、在布滿(mǎn)灰塵的空氣中和/或在油、燃料壓力、噪聲水平、振動(dòng)和/或其他操作診斷的異常和接近異常指示的情況下操作發(fā)動(dòng)機(jī)將造成針對(duì)更早維護(hù)或更早發(fā)動(dòng)機(jī)檢驗(yàn)的推薦。該自動(dòng)診斷及其連續(xù)記錄將導(dǎo)致更加延長(zhǎng)、可靠、環(huán)境友好且更安全的引擎操作。

240表示交通工具及其傳感器的其他控制、診斷和反饋。在這里提及的交通工具控制有：使輪子轉(zhuǎn)向，以及汽車(chē)的制動(dòng)；小船的舵、引擎、船首推力器和帆；方向舵、升降舵、副翼、襟翼、飛機(jī)的輪子的轉(zhuǎn)向和制動(dòng)、以及對(duì)任何特定交通工具的領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將顯而易見(jiàn)的許多其他運(yùn)動(dòng)控制。

250是微環(huán)境的模型，其為交通工具的鄰近地區(qū)中的物理環(huán)境的模型，對(duì)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)促動(dòng)器的響應(yīng)的建模、道路中斷的搜索和預(yù)測(cè)以及操縱的規(guī)劃來(lái)說(shuō)是必要的。對(duì)于有輪子的交通工具，微環(huán)境可以包括當(dāng)前處于交通工具周?chē)牡缆泛偷匦蔚?維地圖、道路和地形表面的質(zhì)量和狀態(tài)(例如，表面的類(lèi)型，其是否是濕的、冰凍的、被雪、塵、礫石、沙等覆蓋)、對(duì)摩擦力系數(shù)、風(fēng)力和方向、降水的估計(jì)。微環(huán)境模型包括足夠接近以致有機(jī)會(huì)干擾交通工具運(yùn)動(dòng)的所有交通工具、人、物體和動(dòng)物。

現(xiàn)在讓我們考慮若干具體交通工具。家用機(jī)器人是能夠在人類(lèi)住宅公寓中操作而沒(méi)有領(lǐng)域限制的機(jī)器人交通工具。操作目的可以包括清掃公寓、從餐桌拾起臟盤(pán)子并將它們遞送到洗碗機(jī)中、拾起散亂的臟衣服并將它們遞送到洗衣機(jī)中等等。家庭機(jī)器人的微環(huán)境是公寓的布局以及機(jī)器人當(dāng)前位于其中的具體房間。

人類(lèi)、寵物、家具和其他障礙物的位置。使命相關(guān)對(duì)象(諸如污垢、臟碟子、要洗的衣物等)的位置。

對(duì)于無(wú)人機(jī)，微環(huán)境可以包括其當(dāng)前操作附近地區(qū)的詳細(xì)地圖以及沿路線(xiàn)的詳細(xì)地圖；處于其最接近的附近地區(qū)中且沿路線(xiàn)的作為天氣報(bào)告而接收、被測(cè)量、被感測(cè)或被估計(jì)的風(fēng)。沿路線(xiàn)的障礙物、人、動(dòng)物和物體。

對(duì)于飛機(jī)，除上述信息外，微環(huán)境還可以包括大氣、降水、空域邊界、空中交通信息等的模型。

對(duì)于帆船，微環(huán)境還可以包括水深、水流、潮水信息；并且為了應(yīng)對(duì)壞天氣，其還可以包括鄰近波的即刻高度速度和位置，以便適當(dāng)?shù)貙?duì)小船進(jìn)行定向從而以最佳方式勇闖公海。

圖3示出了環(huán)境和微環(huán)境物理模型以及測(cè)量傳感器的框圖。其示意性地圖示了使用微環(huán)境模型以有益于交通工具導(dǎo)航、舒適度和安全性以及經(jīng)由地圖和環(huán)境信息的更新有益于其他交通工具和用戶(hù)。

330表示與獲取和測(cè)量環(huán)境和交通工具的各種參數(shù)的所有各種類(lèi)型的傳感器相對(duì)應(yīng)的交通工具的傳感器，它們包括視頻攝像機(jī)、3d掃描儀、壓力和風(fēng)速測(cè)量傳感器、深度計(jì)、雷達(dá)、聲納；速度、加速度、力、振動(dòng)、壓力油、溫度等的測(cè)量。它們的信息被獲取、被數(shù)字化且被傳送到微環(huán)境模型310、反映物體、主體的位置、表面、規(guī)則、地形圖的附近地圖和模型320。微環(huán)境模型310和附近地圖320這兩者均對(duì)在340中由“導(dǎo)航”圖示的路線(xiàn)規(guī)劃和可能的重新規(guī)劃作出貢獻(xiàn)。此外，微環(huán)境310模型和附近地圖320這兩者均對(duì)“有策略的運(yùn)動(dòng)”350作出貢獻(xiàn)，“有策略的運(yùn)動(dòng)”350圖示了在何處規(guī)劃和執(zhí)行對(duì)道路中斷的交通工具反應(yīng)。情形和“有策略的運(yùn)動(dòng)”響應(yīng)的示例中的一些是：汽車(chē)前面的道路上的凸起的識(shí)別；減速且繞著它駕駛的操縱，如果道路和鄰近的交通允許這樣的話(huà)；對(duì)孩子或動(dòng)物跳到道路上的反應(yīng)；對(duì)輪胎爆裂的反應(yīng)；壞天氣中小船以有利的角度與滾浪相迎的有策略的運(yùn)動(dòng)；飛機(jī)駕駛對(duì)空氣湍流的調(diào)整等等。

390表示向某遠(yuǎn)程服務(wù)器或附近交通工具的通信。除了別的目的以外，該通信可以用于報(bào)告由交通工具收集的信息并對(duì)附近報(bào)告380、地圖更新370、天氣報(bào)告360等作出貢獻(xiàn)。這些信息報(bào)告可以包括與安全性有關(guān)的任何信息，該信息包括由交通工具攝像機(jī)和傳感器觀(guān)察到的緊急或安全情形。

通信390可以用于從路燈、路標(biāo)和其他道路基礎(chǔ)設(shè)施獲得與道路的狀態(tài)有關(guān)的信息。通信390還可以用于將交通工具的狀態(tài)和/或其導(dǎo)航意圖傳送到道路基礎(chǔ)設(shè)施，以可能用于協(xié)調(diào)交通工具速度和基礎(chǔ)設(shè)施信號(hào)。例如，可以將交通燈與交通工具運(yùn)動(dòng)進(jìn)行同步，使得通過(guò)適配交通工具速度或者通過(guò)適配燈光改變的交通燈定時(shí)，交通工具以“綠波”經(jīng)過(guò)交通燈。

通信390還可以用于交通工具對(duì)交通工具通信。通信390還可以用于向其他交通工具通知導(dǎo)航意圖和狀況，以告知它們的意圖并協(xié)商操縱，諸如車(chē)道改變、穿行路口、相互碰撞避免等等。換言之，通信390可以用于將交通工具的導(dǎo)航與其他交通工具和/或其他交通工具導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航/移動(dòng)進(jìn)行協(xié)調(diào)，以?xún)?yōu)化交通工具之間的交互。

此外，由交通工具及其傳感器收集的與環(huán)境和/或道路相關(guān)的信息可以被轉(zhuǎn)發(fā)到其他交通工具以及服務(wù)器，以用于進(jìn)一步更新地圖、天氣、環(huán)境報(bào)告、緊急報(bào)告和其他用途。

圖4示出了駕駛員和負(fù)載安全性模型以及診斷傳感器。450是駕駛員的模型，其包括他的當(dāng)前能力水平、意識(shí)的水平、醫(yī)療狀況和姿勢(shì)的估計(jì)。當(dāng)前駕駛員能力水平是反映他的駕駛能力、他對(duì)危險(xiǎn)和快速展開(kāi)的道路挑戰(zhàn)的警覺(jué)性的因素，并反映駕駛的安全性水平。駕駛員能力越強(qiáng)，則旅途越安全，駕駛員可安全控制汽車(chē)的最大速度越高，并且他可成功承受的道路挑戰(zhàn)越棘手。針對(duì)駕駛員醫(yī)療狀況的系統(tǒng)意識(shí)可以允許對(duì)諸如心搏停止、中風(fēng)、知覺(jué)喪失之類(lèi)的醫(yī)療狀況或者一般使他的生命遭受危險(xiǎn)且特別使他的即時(shí)駕駛能力遭受危險(xiǎn)的其他狀況的早期診斷。最后，駕駛員姿勢(shì)估計(jì)可以有助于氣囊的高效且安全的激活。

駕駛員意識(shí)和能力是根據(jù)觀(guān)察他對(duì)由430觀(guān)察到的道路挑戰(zhàn)的反應(yīng)(他對(duì)交通工具控制420的連續(xù)動(dòng)作)的傳感器410、除了別的裝置以外由道路傳感器、加速度計(jì)和450中的視頻分析觀(guān)察到的所得到的車(chē)輛行為、以及根據(jù)將駕駛員反應(yīng)與所建議的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)響應(yīng)440進(jìn)行比較來(lái)評(píng)估的。

駕駛員模型450允許根據(jù)人類(lèi)駕駛員的當(dāng)前能力和意識(shí)水平來(lái)設(shè)置當(dāng)他控制汽車(chē)時(shí)汽車(chē)上的駕駛和速度限制。對(duì)于具有較低意識(shí)、較長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間、較低能力水平的駕駛員，可以降低交通工具可實(shí)現(xiàn)的最大速度。此外，在關(guān)鍵情形中，駕駛系統(tǒng)可以在自動(dòng)模式中干預(yù)并取得交通工具控制。該干預(yù)是在當(dāng)所估計(jì)的駕駛員警覺(jué)性和能力水平不允許他成功地對(duì)道路挑戰(zhàn)作出響應(yīng)的時(shí)刻外、但在當(dāng)駕駛系統(tǒng)仍能夠成功地作出響應(yīng)的時(shí)刻之前完成的。

根據(jù)一些實(shí)施例，評(píng)估駕駛員意識(shí)可以包括：

-后臺(tái)運(yùn)行交通工具自主駕駛系統(tǒng)；

-監(jiān)視交通工具環(huán)境，并確定事件和路徑段；

-根據(jù)自主駕駛系統(tǒng)來(lái)確定交通工具控制方案；

-監(jiān)視駕駛員行為/反應(yīng)、由駕駛員應(yīng)用的控制、以及交通工具行為；

-針對(duì)所觀(guān)察到的環(huán)境事件中的至少一些，確定對(duì)應(yīng)駕駛員反應(yīng)的延遲；

-評(píng)估交通工具導(dǎo)航的平滑度和安全性；和/或

-將駕駛員反應(yīng)與自主駕駛系統(tǒng)確定的反應(yīng)進(jìn)行比較。

圖5示出了交通工具控制器模型和交通工具控制器的傳感器。510“自動(dòng)駕駛儀”表示自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。其從交通工具物理模型接收輸入，該輸入是對(duì)路線(xiàn)和操縱進(jìn)行計(jì)算和建模所必需的；測(cè)量實(shí)際交通工具位置、速度、旋轉(zhuǎn)和加速度的傳感器520的反饋，運(yùn)動(dòng)控制器530和540的反饋，從而允許遵循來(lái)自控制器的被施加于交通工具的實(shí)際力和動(dòng)作。

處理的層級(jí)由框510、520、530示出。自動(dòng)駕駛儀510表示路線(xiàn)規(guī)劃級(jí)別的策略性規(guī)劃和處理、道路挑戰(zhàn)的檢測(cè)以及產(chǎn)生一般決策；交通工具操縱框520負(fù)責(zé)具體操縱的規(guī)劃，并且動(dòng)作控制器530負(fù)責(zé)其執(zhí)行。它們從交通工具物理模型550接收輸入，該輸入是根據(jù)交通工具實(shí)際能力來(lái)規(guī)劃和執(zhí)行操縱所必需的；從運(yùn)動(dòng)控制器模型560接收輸入，該輸入是根據(jù)其運(yùn)動(dòng)控制器的實(shí)際能力來(lái)規(guī)劃和執(zhí)行交通工具運(yùn)動(dòng)所必需的，該實(shí)際能力進(jìn)而依賴(lài)于當(dāng)前微環(huán)境570，并且該輸入是根據(jù)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)和/或流體動(dòng)力學(xué)方程來(lái)計(jì)算的?？紤]到實(shí)際且不理想的控制器性能和維護(hù)，針對(duì)故障診斷而測(cè)量、分門(mén)別類(lèi)地記錄控制器上的工作負(fù)載以及它們的性能。

圖6示出了自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的一般執(zhí)行流程圖。在610中，系統(tǒng)接收目的地和優(yōu)先級(jí)。目的地可以通過(guò)用戶(hù)命令或者經(jīng)由通信從另一系統(tǒng)接收?？紤]將來(lái)自商店的食品或貨物遞送到生活公寓的自主交通工具。其從家庭計(jì)算機(jī)、家庭機(jī)器人、能夠檢查其內(nèi)容且訂購(gòu)丟失的供給物的冰箱等接收目的地或整個(gè)使命。不同優(yōu)先級(jí)的示例包括針對(duì)速度、風(fēng)景、價(jià)格最小化、道路安全性等的優(yōu)先級(jí)。

在620中，對(duì)路線(xiàn)進(jìn)行規(guī)劃，并且將所規(guī)劃的路線(xiàn)劃分成更小的段，這些段對(duì)于詳細(xì)規(guī)劃容易消化。段是道路的部分，其短到足以針對(duì)任何障礙物足夠好地觀(guān)察，以詳細(xì)規(guī)劃交通工具軌跡，且短到足以預(yù)期道路中斷將很可能不在交通工具沿該段通行期間改變。

在當(dāng)前段的執(zhí)行期間，不斷地針對(duì)“情形中斷”640的出現(xiàn)而檢查道路、汽車(chē)和微環(huán)境，“情形中斷”640也稱(chēng)作“道路挑戰(zhàn)”、“挑戰(zhàn)情形”、“道路中斷”等。

情形中斷的示例包括：人跳到繞路上；汽車(chē)的機(jī)械故障；爆胎；道路上的其他駕駛員的事故或錯(cuò)誤；道路上的交通的任何相關(guān)參與者的位置、速度的突然意料不到的改變；墜落的石頭、建筑物、橋等。所檢測(cè)到的情形中斷需要交通工具軌跡中的校正?！爸袛唷?阻斷)的含義是：針對(duì)其的搜索被不斷地執(zhí)行，并且無(wú)論何時(shí)該中斷被檢測(cè)到，其都接收針對(duì)立即系統(tǒng)處理和響應(yīng)的高優(yōu)先級(jí)。

650表示軌跡和路線(xiàn)驗(yàn)證的框，其中將交通工具位置和路線(xiàn)與所規(guī)劃的路線(xiàn)進(jìn)行比較。

在框660中，計(jì)算在640中檢測(cè)到的對(duì)可能檢測(cè)到的道路中斷的反應(yīng)或在650中檢測(cè)到的路線(xiàn)偏離。其可以是減速或者停止交通工具或轉(zhuǎn)向等。如果交通工具是飛機(jī)并且情形中斷是飛機(jī)上起火，則反應(yīng)可以是到交通控制的通信和最接近的合適機(jī)場(chǎng)的緊急著陸請(qǐng)求。如果交通工具是帆船并且情形中斷是有人落水，則反應(yīng)可以包括通知人類(lèi)船員、減速、通知所有附近船舶以及操縱駛向落水的人。如果交通工具是在山路中急轉(zhuǎn)彎期間的有輪子的交通工具并且情形中斷是前胎爆胎，則可能的反應(yīng)可以包括帶有同時(shí)校正轉(zhuǎn)向的減速，以安全地來(lái)到安全的受保護(hù)的地方或者至少在對(duì)生命的風(fēng)險(xiǎn)和汽車(chē)的損害方面最小化懲罰。

自動(dòng)系統(tǒng)相比于人類(lèi)駕駛員的優(yōu)勢(shì)之一是：由于系統(tǒng)傳感器和通信相比于人類(lèi)感官的優(yōu)越性、由于始終的警覺(jué)性、更高的反應(yīng)速度、以及計(jì)算對(duì)僅受給定微環(huán)境內(nèi)的交通工具能力和物理學(xué)定律限制的道路挑戰(zhàn)的最優(yōu)反應(yīng)的能力而導(dǎo)致的更高安全性水平。

最后，680圖示了當(dāng)?shù)竭_(dá)目的地時(shí)690中的導(dǎo)航終止或者否則沿經(jīng)過(guò)630的路徑繼續(xù)。

圖7示出了實(shí)現(xiàn)對(duì)有輪子的客車(chē)的控制的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的框中的一些。其示出：自動(dòng)駕駛儀750(自動(dòng)駕駛系統(tǒng))從道路傳感器和促動(dòng)器傳感器710接收針對(duì)處理的輸入(例如，用于估計(jì)輪子與道路之間的牽引力)。交通工具傳感器710評(píng)估交通工具及其引擎的狀態(tài)，微環(huán)境傳感器730執(zhí)行行人、交通工具、障礙物的檢測(cè)、微環(huán)境測(cè)量和映射、來(lái)自交通控制服務(wù)的交通燈、路標(biāo)、交通向?qū)У臋z測(cè)和評(píng)估；在770中接收天氣廣播以及軌跡估計(jì)所必需的其他信息。在770中經(jīng)由引擎推力的施加、傳動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)向輪和制動(dòng)來(lái)完成汽車(chē)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行和控制。

圖8示出了實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭機(jī)器人的控制的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的框中的一些。在810中獲得新使命之后，考慮操作微環(huán)境的地圖和與其中的障礙物、人類(lèi)和動(dòng)物有關(guān)的傳感器數(shù)據(jù)，在820中對(duì)路線(xiàn)進(jìn)行規(guī)劃。路線(xiàn)被劃分成步驟的序列。在每一個(gè)步驟830的執(zhí)行期間，傳感器數(shù)據(jù)的處理允許在840中檢測(cè)可能的使命中斷(也稱(chēng)作道路挑戰(zhàn)/道路中斷/情形中斷/道路情形等)。使命異常的示例可以是使路線(xiàn)模糊的一件家具、穿行路線(xiàn)的人或?qū)櫸?。如果重新確定路線(xiàn)和重新規(guī)劃是可能的，則在820中更新路線(xiàn)，否則中止使命并且機(jī)器人為新使命做好準(zhǔn)備。

圖9示出了實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的控制的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的框中的一些。作為無(wú)人機(jī)的示例，考慮四軸飛行無(wú)人機(jī)。然而，該圖的各個(gè)方面中的至少一些可以關(guān)于飛行、航行、騎行其他種類(lèi)的無(wú)人機(jī)或交通工具?？?10圖示了以下問(wèn)題的連續(xù)跟蹤：搜索障礙物、保持動(dòng)態(tài)和靜態(tài)平衡、以及遵循由人類(lèi)用戶(hù)或自動(dòng)系統(tǒng)定義的軌跡?？?20圖示了由用戶(hù)或外部命令系統(tǒng)應(yīng)用的交互式控制，框930表示將對(duì)交互式控制920的響應(yīng)以及來(lái)自920的平衡、障礙物避免和軌跡遵循的需求這兩者進(jìn)行了整合的處理。最后，940表示實(shí)現(xiàn)在930中獲得的結(jié)果的促動(dòng)器控制，諸如轉(zhuǎn)子或其他種類(lèi)的運(yùn)動(dòng)控制器。

圖10示出了實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的控制的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的框中的一些。存在專(zhuān)用于飛機(jī)類(lèi)型的交通工具的若干特定方面。方面之一是將速度維持在特定最小速度(失速速度)以上的必要性，這是因?yàn)樵谑偎俣纫韵碌乃俣龋w機(jī)將不能夠維持飛行而是實(shí)際上將墜落。此外，該最小速度依賴(lài)于飛機(jī)負(fù)載和燃料重量、襟翼的狀態(tài)、坡度角、空氣密度等，其中這些依賴(lài)性是本領(lǐng)域中根據(jù)針對(duì)每一個(gè)具體飛機(jī)類(lèi)型的計(jì)算、仿真和準(zhǔn)確測(cè)量已知的。

飛機(jī)導(dǎo)航的其他限制是天氣、風(fēng)、能見(jiàn)度、用于著陸的特定類(lèi)型的機(jī)場(chǎng)的需求、交通分隔等的限制?，F(xiàn)在讓我們考慮多維空間，其維度由表征飛機(jī)及其飛行的狀態(tài)的各種參數(shù)形成，這些參數(shù)為：飛機(jī)速度、重量、空氣密度、坡度角、襟翼的狀態(tài)、攻角、發(fā)動(dòng)機(jī)推力等。該空間的維數(shù)等于張開(kāi)該空間的參數(shù)的數(shù)目。飛機(jī)的安全操作僅在這些參數(shù)的特定限制內(nèi)受保護(hù)，該特定限制由該參數(shù)空間內(nèi)的特定子空間定義。

作為進(jìn)一步闡明示例，可以在特定最大速度以下擴(kuò)展襟翼和傳動(dòng)裝置，并且必須在襟翼擴(kuò)展的每一個(gè)級(jí)別處維持特定最小速度。當(dāng)以特定值以下的垂直和橫向速度執(zhí)行降落時(shí)，安全著陸是可能的。

其處于自動(dòng)飛行駕駛系統(tǒng)搜索解的該參數(shù)子空間內(nèi)。

在圖10中表示針對(duì)飛機(jī)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的進(jìn)一步方面中的一些：1015表示交通地圖；1020表示飛行控制表面的狀態(tài)，諸如副翼、方向舵、升降舵和襟翼；1030表示與著陸相關(guān)的模型的概要，其包括著陸下降以及對(duì)速度、減小速率、天氣等的限制；1010表示對(duì)飛行模式的各種限制；1035表示交通分隔；1040表示相對(duì)于交通地圖和機(jī)場(chǎng)的當(dāng)前位置以及飛行和飛機(jī)參數(shù)；最后，1050表示“相包絡(luò)”——參數(shù)空間的安全子空間，如上所述。

圖11圖示了在作為交通工具速度的函數(shù)而繪制的成本函數(shù)的示例上搜索最優(yōu)導(dǎo)航解的機(jī)制。其用于圖示搜索最優(yōu)導(dǎo)航路線(xiàn)的和最優(yōu)導(dǎo)航操縱的所公開(kāi)的方法，包括對(duì)道路中斷的響應(yīng)作為對(duì)約束最小化問(wèn)題的解。約束最小化的問(wèn)題對(duì)應(yīng)用數(shù)學(xué)和物理學(xué)的適當(dāng)分支中的技術(shù)人員是已知的。首先，構(gòu)造“成本函數(shù)”，這反映了針對(duì)給定問(wèn)題的最優(yōu)性的準(zhǔn)則且符合交通工具及其環(huán)境的物理限制和特性。1110指示最小化行程時(shí)間的需求，并示出：行程時(shí)間隨交通工具速度的增大而減少。1120指示特定速度限制以上的罰款的成本以及其上升概率和值。水平箭頭指示不同路段或狀況中速度限制的可變性。1130指示行程安全性，具有通常隨速度的上升而上升的風(fēng)險(xiǎn)。1140指示燃料費(fèi)用，其指示燃料消耗隨著速度的上升而上升。最后，1150示出總體成本函數(shù)，其總結(jié)了旅途的燃料費(fèi)用1140、行程時(shí)間1110、潛在罰款1120和安全性1130。水平箭頭指示曲線(xiàn)形狀可以依賴(lài)于諸如道路和交通狀況、駕駛員能力和警覺(jué)性、或者自動(dòng)系統(tǒng)的算法、交通工具狀態(tài)和狀況等之類(lèi)的不同因素而變化。曲線(xiàn)的形狀可以在不同的準(zhǔn)確度級(jí)別下根據(jù)簡(jiǎn)單經(jīng)驗(yàn)評(píng)估而評(píng)估，以顯式地計(jì)算交通工具和環(huán)境的物理模型。僅示出了成本因素的速度依賴(lài)性，真正的最優(yōu)解存在于由交通工具的所有控制參數(shù)張開(kāi)的多維空間中，且由交通工具、道路、交通和環(huán)境的特性定義和限制。

根據(jù)一些實(shí)施例，可以提供用于自動(dòng)導(dǎo)航交通工具的示例性自主交通工具導(dǎo)航系統(tǒng)(avns)，該系統(tǒng)可以包括：

數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器，用于存儲(chǔ)在物理上描述一個(gè)或多個(gè)區(qū)域的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)集(例如，地圖)；

用于從外部數(shù)據(jù)源接收與所述一個(gè)或多個(gè)區(qū)域相關(guān)的數(shù)據(jù)的電子接口；

用于控制所述交通工具的一個(gè)或多個(gè)控制的電子接口；

用于從物理傳感器接收與所述交通工具的運(yùn)動(dòng)相關(guān)的參數(shù)的電子接口；

包括處理電路的導(dǎo)航處理器，所述處理電路被適配成：通過(guò)在計(jì)算上求解約束最小化問(wèn)題，確定用于使所述交通工具從所述一個(gè)或多個(gè)區(qū)域中的給定點(diǎn)通行到所述一個(gè)或多個(gè)區(qū)域中的另一個(gè)點(diǎn)的初始最優(yōu)路線(xiàn)，其中：

(i)所述約束最小化問(wèn)題的約束是所述交通工具的物理能力和限制以及所述一個(gè)或多個(gè)區(qū)域內(nèi)的適于使所述交通工具通行的物理空間；以及

(ii)所述約束最小化問(wèn)題的優(yōu)化參數(shù)是成本函數(shù)，該成本函數(shù)包括表示下述各項(xiàng)中每一個(gè)的成本值的加權(quán)聚合：乘客的安全性、其他人的安全性、所述交通工具和其他財(cái)產(chǎn)的安全性、對(duì)交通條例的遵守、最小化行程時(shí)間以及最小化成本；

被適配成與公共基礎(chǔ)設(shè)施通信的電子通信單元，其中所述avns可以進(jìn)一步被適配成當(dāng)執(zhí)行導(dǎo)航計(jì)算時(shí)將交通燈周期作為因素；

被適配成與其他交通工具通信的電子通信單元，其中所述avns可以進(jìn)一步被適配成當(dāng)執(zhí)行導(dǎo)航計(jì)算時(shí)將從其他交通工具接收的數(shù)據(jù)作為因素；

交通工具物理模型，包括：交通工具的質(zhì)量、交通工具的尺寸、交通工具的質(zhì)量分布、交通工具的慣性力矩、交通工具的空氣動(dòng)力學(xué)或流體動(dòng)力學(xué)性質(zhì)；其中所述交通工具物理模型用于求解和仿真運(yùn)動(dòng)方程以預(yù)測(cè)在特定狀況集合中所述交通工具的行為，從而便于經(jīng)由所述用于控制所述交通工具的一個(gè)或多個(gè)控制的電子接口而對(duì)所述交通工具的控制；

交通工具運(yùn)動(dòng)控制器模型，用于計(jì)算要發(fā)送到所述一個(gè)或多個(gè)控制的信號(hào)，以便實(shí)現(xiàn)在給定境況集合中所述交通工具的給定操縱；

交通工具專(zhuān)用環(huán)境模型，包括由外部源在所述交通工具上施加的力的模型。根據(jù)一些實(shí)施例，所述交通工具專(zhuān)用環(huán)境模型包括由風(fēng)在所述交通工具上施加的力的模型，并且來(lái)自外部數(shù)據(jù)源的與所述一個(gè)或多個(gè)區(qū)域相關(guān)的數(shù)據(jù)包括所述一個(gè)或多個(gè)區(qū)域中的風(fēng)向和風(fēng)速。根據(jù)一些實(shí)施例，所述交通工具專(zhuān)用環(huán)境模型包括由波和流在所述交通工具上施加的力的模型，并且來(lái)自外部數(shù)據(jù)源的與所述一個(gè)或多個(gè)區(qū)域相關(guān)的數(shù)據(jù)包括所述一個(gè)或多個(gè)區(qū)域中的波和流參數(shù)。根據(jù)一些實(shí)施例，所述交通工具專(zhuān)用環(huán)境模型包括由道路在所述交通工具上施加的力的模型。

根據(jù)一些實(shí)施例，確定初始最優(yōu)路線(xiàn)包括應(yīng)用運(yùn)動(dòng)方程以找到最小化所述成本函數(shù)的交通工具軌跡。

根據(jù)一些實(shí)施例，所述導(dǎo)航處理器包括路線(xiàn)規(guī)劃邏輯和路線(xiàn)執(zhí)行單元，其中：

a.所述路線(xiàn)規(guī)劃邏輯被配置成：

i.接收：起點(diǎn)、目的地點(diǎn)、來(lái)自所述數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器的地圖、所述地圖中的區(qū)域的環(huán)境特性、以及導(dǎo)航偏好集合，以及

ii.構(gòu)造就所接收到的導(dǎo)航偏好集合而言對(duì)所述交通工具最優(yōu)的初始最優(yōu)路線(xiàn)。

b.所述路線(xiàn)執(zhí)行單元監(jiān)視所述交通工具在所述初始最優(yōu)路線(xiàn)上的通行，從而連續(xù)地針對(duì)所述初始最優(yōu)路線(xiàn)的中斷進(jìn)行監(jiān)視，其中所述初始最優(yōu)路線(xiàn)的中斷是新境況；基于將所述新境況作為因素求解約束最小化問(wèn)題，期望改變或修改或執(zhí)行所述初始最優(yōu)路線(xiàn)。

根據(jù)一些實(shí)施例，所述avns被適配成使用所述用于控制所述交通工具的一個(gè)或多個(gè)控制的電子接口，以使所述交通工具響應(yīng)于所述新境況而執(zhí)行操縱。

根據(jù)一些實(shí)施例，所述avns被適配成使用所述用于控制所述交通工具的一個(gè)或多個(gè)控制的電子接口，以使所述交通工具通行最優(yōu)路徑。

根據(jù)一些實(shí)施例，所述avns的所述交通工具物理模型被配置成：當(dāng)求解和仿真運(yùn)動(dòng)方程以預(yù)測(cè)在特定狀況集合中所述交通工具的行為時(shí)，將對(duì)所述交通工具的一個(gè)或多個(gè)組件造成的故障或損害作為因素。

根據(jù)一些實(shí)施例，所述avns被配置成：在所述交通工具的故障或?qū)λ鼋煌üぞ叩膿p害發(fā)生時(shí)，實(shí)時(shí)地更新所述交通工具物理模型。

根據(jù)一些實(shí)施例，所述avns被配置成：在所述交通工具的故障或?qū)λ鼋煌üぞ叩膿p害發(fā)生時(shí)，實(shí)時(shí)地更新所述交通工具物理模型。

根據(jù)一些實(shí)施例，所述avns可以被安裝在機(jī)器人、機(jī)動(dòng)車(chē)、帆船、飛機(jī)等中。

根據(jù)一些實(shí)施例，可以提供一種駕駛員駕駛能力評(píng)估的方法，包括：

-監(jiān)視交通工具的環(huán)境并識(shí)別所述交通工具的路徑中的道路挑戰(zhàn)；

-監(jiān)視對(duì)所識(shí)別的道路挑戰(zhàn)的駕駛員反應(yīng)并確定所述駕駛員反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間；

-基于所監(jiān)視的駕駛員反應(yīng)和所確定的反應(yīng)時(shí)間來(lái)限制所述交通工具的最大速度；和/或

-評(píng)估不同時(shí)間駕駛員的意識(shí)狀態(tài)并記錄所述評(píng)估。

盡管本文已經(jīng)說(shuō)明和描述了本發(fā)明的某些特征，但本領(lǐng)域技術(shù)人員現(xiàn)在將想到許多修改、替代、改變和等同物。因此，應(yīng)當(dāng)理解的是，所附權(quán)利要求意圖覆蓋落在本發(fā)明的真正精神內(nèi)的所有這樣的修改和改變。