自动驾驶之轨迹规划8——Apollo参考线和轨迹

1. abstract

本文主要讲解routing和planning模块中的reference line，我之前一直搞不明白这个reference line是如何生成的，有什么作用，和routing以及planning的关系。现在有了一些心得打算梳理一下：

决策规划模块负责生成车辆的行驶轨迹。要做到这一点，决策规划模块需要从宏观到局部经过三个层次来进行决策。

• 第一个层次是Routing的搜索结果。Routing模块的输入是若干个按顺序需要达到的途径点（也可能只有一个起点和终点）。Routing模块根据地图的拓扑结构搜索出可达的完整路线来，这个路线的长度可能是几公里甚至几百公里。因此这个是最为宏观的数据。另外，Routing的搜索结果是相对固定的。在没有障碍物的情况下，车辆会一直沿着原先获取到的Routing路线行驶。只有当车辆驶出了原先规划的路线之外（例如：为了避障），才会重新发送请求给Routing模块，以重新计算路线。
• 第二个层次就是reference line。决策规划模块会实时的根据车辆的具体位置来计算reference line。reference line的计算会以Routing的路线为基础。但同时，reference line会考虑车辆周边的动态信息，例如：障碍物，交通规则等。reference line是包含车辆所在位置周边一定的范围，通常是几百米的长度。相较于Routing结果，它是较为局部的数据。
• 第三个层次是Trajectory。Trajectory是决策规划模块的最终输出结果。它的依据是reference line。在同一时刻，reference line可能会有多条，例如：在变道的时候，自车所在车道和目标车道都会有一条reference line。而Trajectory，是在所有可能的结果中，综合决策和优化的结果，最终的唯一结果。因此它是更为具体和局部的数据。轨迹不仅仅包含了车辆的路线，还包含了车辆行驶这条路线时的详细状态，例如：车辆的方向，速度，加速度等等。

参考线是整个决策规划算法的基础。在Planning模块的每个计算循环中，都会先生成参考线，然后在这个基础上进行后面的处理，例如：交通规则逻辑，障碍物投影，路径优化，速度决策等等。可以说，参考线贯穿了整个Planning模块的实现。下面就看下reference line如何在routing和plannin中承前启后的：

从这幅图中可以看出，这里涉及到三个模块，下面会挨个梳理：

• routing模块，这部分内容追在Routing模块一文中讲解，本文不再赘述。
• **pnc_map模块：负责读取和处理Routing搜索结果。**是planning的子模块，因为重要就把他单独拎出来了。
• planning模块：根据Routing结果和车辆的实时状态（包括周边环境）生成reference line和trajectory。

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2. routing

Routing模块正如其名称所示，其主要作用就是根据请求生成路由信息。

模块输入：

• 地图数据
• 请求，包括：
• 开始和结束位置

模块输出：

• 路由导航信息

2.1 Topo地图
为了计算路由路径，在Routing模块中包含一系列的类用来描述Topo地图的详细结构。这些类的定义位于modules/routing/graph/目录下。它们的说明如下：

简单来说，Topo地图中最重要的就是节点和边，本质上是一系列的Topo节点以及它们的连接关系，节点对应了道路，边对应了道路的连接关系，这个在Apollo开发者社区的技术文章中着重讲过。如下图所示：

Routing模块需要的地图结构通过TopoGraph来描述，而TopoGraph的初始化需要一个地图文件。但该地图文件与其他模块需要的地图文件并不一样，这里的地图文件是Proto结构导出的数据。之所以这样做是因为：Routing模块不仅需要地图的Topo结构，还需要知道每条路线的行驶代价。在Proto结构中包含了这些信息。在下面的内容中，我们将看到这个行驶代价是从哪里来的。

很显然，两个地点的导航路径结果通常会有多个。而计算导航路径的时候需要有一定的倾向，这个倾向就是行驶的代价越小越好。我们很自然的想到，影响行驶代价最大的因素就是行驶的距离。

但实际上，影响行驶代价的因素远不止距离这一个因素。距离只是宏观上的考虑，而从微观的角度来看，行驶过程中，需要进行多少次转弯，多少次掉头，多少变道，这些都是影响行驶代价的因素。所以，在计算行驶代价的时候，需要综合考虑这些因素。

再从另外一个角度来看，（在路线已经确定的情况下）行驶的距离是一个物理世界客观存在的结果，这是我们无法改变的。不过，对于行驶过程中，有多在意转弯，掉头和变道，每个人或者每个场景下的偏好就不一样了。而这，就是配置文件“/apollo/modules/routing/conf/routing/config.pb.txt“存在的意义了。这里面配置了上面提到的这些动作的惩罚基数，而这些基数会影响路线时的计算代价。

routing的请求接口是下面这个：

bool Routing::Process(const std::shared_ptr<RoutingRequest> &routing_request, RoutingResponse* const routing_response);

这个接口只有很简洁的两个参数：一个是描述请求的输入参数routing_request，一个是包含结果的输出参数routing_response。它们都是在proto文件中定义的。

2.2 RoutingRequest

message LaneWaypoint {
  optional string id = 1;
  optional double s = 2;
  optional apollo.common.PointENU pose = 3;
}

message LaneSegment {
  optional string id = 1;
  optional double start_s = 2;
  optional double end_s = 3;
}

message RoutingRequest {
  optional apollo.common.Header header = 1;
  repeated LaneWaypoint waypoint = 2;
  repeated LaneSegment blacklisted_lane = 3;
  repeated string blacklisted_road = 4;
  optional bool broadcast = 5 [default = true];
  optional apollo.hdmap.ParkingSpace parking_space = 6;
}

2.3 RoutingResponse：

message RoutingResponse {
  optional apollo.common.Header header = 1;
  repeated RoadSegment road = 2;
  optional Measurement measurement = 3;
  optional RoutingRequest routing_request = 4;

  optional bytes map_version = 5;
  optional apollo.common.StatusPb status = 6;
}

message RoadSegment {
  optional string id = 1;
  repeated Passage passage = 2;
}

message Passage {
  repeated LaneSegment segment = 1;
  optional bool can_exit = 2;
  optional ChangeLaneType change_lane_type = 3 [default = FORWARD];
}

message LaneSegment {
  optional string id = 1;
  optional double start_s = 2;
  optional double end_s = 3;
}

enum ChangeLaneType {
  FORWARD = 0;
  LEFT = 1;
  RIGHT = 2;
};

message Measurement {
  optional double distance = 1;
}

RoutingResponse中的属性说明如下：

这里的RoadSegment road是最重要的数据。这个数据其实是一个三层的结构体嵌套，它们的说明如下：

• RoadSegment road：描述道路，一条道路可能包含了并行的几条通路（Passage）。
• Passage：描述通路，通路是直连不含变道的可行驶区域。一个通路可能包含了前后连接的多个车道。（对应了pac_map中的RouteSegments）
• LaneSegment：描述车道，车道是道路中的一段，自动驾驶车辆会尽可能沿着车道的中心线行驶。

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3. pnc_map

pnc全称是Planning And Control，是Planning用来对接Routing搜索结果的子模块，但他比较重要，这里我把它单独拎出来梳理下。

PncMap类负责对接Routing搜索结果的更新：会根据车辆当前位置，提供车辆周边的RouteSegments信息供ReferenceLineProvider生成ReferenceLine。而这里的RouteSegments对应了routing模块里RoutingResponse里的Passage结构，它其中会包含若干个车道信息。这个RouteSegments类继承自std::vector。RouteSegments中有如下一些方法值得关注：

• NextAction()：车辆接下来要采取的动作。可能是直行，左变道，或者右变道。
• CanExit()：当前通路是否可以接续到Routing结果的另外一个通路上。
• GetProjection()：将一个点投影到当前通路上。返回SLPoint和LaneWaypoint。
• Stitch()：缝合另外一个RouteSegments。即：去除两个RouteSegments间重合的多余部分，然后连接起来。
• Shrink()：缩短到指定范围。
• IsOnSegment()：车辆是否在当前RouteSegments上。
• IsNeighborSegment()：当前RouteSegments是否是车辆的临近RouteSegments。

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4. planning

在Planning模块中有以下三个数据结构将是本文关注的重点：

• ReferenceLine：原始参考线，源码位于planning/reference_line/目录下。根据Routing的搜索结果生成。
• ReferenceLineInfo：源码位于planning/reference_line/目录下。Planning实现中，逻辑计算的基础数据结构，很多操作都会在这个数据结构上进行（例如：交通规则逻辑，障碍物投影，路径优化，速度决策等）。本文中的“参考线”一词将不区分ReferenceLine和ReferenceLineInfo两个结构。
• Trajectory：下文中我们将看到，有好几个结构用来描述轨迹。它们在不同的场合下使用。这其中，ADCTrajectory是Planning模块的输出。它是Planning模块一次计算循环中，处理了所有逻辑的最终结果，包含了车辆行驶需要的所有信息。因此，这个数据将直接影响到自动驾驶车辆的行车行为。

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5. reference

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