Motion Velocity Smoother#
Purpose#
motion_velocity_smootherは目標軌道上の各点における望ましい車速を計画して出力するモジュールである。
このモジュールは、速度の最大化と乗り心地の良さを両立するために、事前に指定された制限速度、制限加速度および制限躍度の範囲で車速を計画する。
加速度や躍度の制限を与えることは車速の変化を滑らかにすることに対応するため、このモジュールをmotion_velocity_smootherと呼んでいる。
Inner-workings / Algorithms#
Flow chart#
Extract trajectory#
自車後輪軸中心位置に最も近い参照経路上の点に対し、extract_behind_distだけ戻った点からextract_ahead_distだけ進んだ点までの参照経路を抜き出す。
Apply external velocity limit#
モジュール外部から指定された速度制限を適用する。
ここで扱う外部の速度制限は/planning/scenario_planning/max_velocityの topic で渡されるもので、地図上で設定された速度制限など、参照経路にすでに設定されている制限速度とは別である。
外部から指定される速度制限は、パラメータで指定されている減速度および躍度の制限の範囲で減速可能な位置から速度制限を適用する。
Apply stop approaching velocity#
停止点に近づいたときの速度を設定する。障害物近傍まで近づく場合や、正着精度向上などの目的に用いる。
Apply lateral acceleration limit#
経路の曲率に応じて、指定された最大横加速度max_lateral_accelを超えない速度を制限速度として設定する。ただし、制限速度はmin_curve_velocityを下回らないように設定する。
Resample trajectory#
指定された時間間隔で経路の点を再サンプルする。ただし、経路全体の長さはmin_trajectory_lengthからmax_trajectory_lengthの間となるように再サンプルを行い、点の間隔はmin_trajectory_interval_distanceより小さくならないようにする。
現在車速でresample_timeの間進む距離までは密にサンプリングし、それ以降は疎にサンプリングする。
この方法でサンプリングすることで、低速時は密に、高速時は疎にサンプルされるため、停止精度と計算負荷軽減の両立を図っている。
Calculate initial state#
速度計画のための初期値を計算する。初期値は状況に応じて下表のように計算する。
| 状況 | 初期速度 | 初期加速度 |
|---|---|---|
| 最初の計算時 | 現在車速 | 0.0 |
| 発進時 | engage_velocity |
engage_acceleration |
| 現在車速と計画車速が乖離 | 現在車速 | 前回計画値 |
| 通常時 | 前回計画値 | 前回計画値 |
Smooth velocity#
速度の計画を行う。速度計画のアルゴリズムはJerkFiltered, L2, Linfの 3 種類のうちからコンフィグで指定する。
最適化のソルバは OSQP[1]を利用する。
JerkFiltered#
速度の 2 乗（最小化で表すため負値で表現）、制限速度逸脱量の 2 乗、制限加度逸脱量の 2 乗、制限ジャーク逸脱量の 2 乗、ジャークの 2 乗の総和を最小化する。
L2#
速度の 2 乗（最小化で表すため負値で表現）、制限速度逸脱量の 2 乗、制限加度逸脱量の 2 乗、疑似ジャーク[2]の 2 乗の総和を最小化する。
Linf#
速度の 2 乗（最小化で表すため負値で表現）、制限速度逸脱量の 2 乗、制限加度逸脱量の 2 乗の総和と疑似ジャーク[2]の絶対最大値の和の最小化する。
Post process#
計画された軌道の後処理を行う。
- 停止点より先の速度を 0 に設定
- 速度がパラメータで与えられる
max_velocity以下となるように設定 - 自車位置より手前の点における速度を設定
- Trajectory の仕様に合わせてリサンプリング(
post resampling) - デバッグデータの出力
最適化の計算が終わったあと、次のノードに経路を渡す前にpost resamplingと呼ばれるリサンプリングを行う。ここで再度リサンプリングを行っている理由としては、最適化前で必要な経路間隔と後段のモジュールに渡す経路間隔が必ずしも一致していないからであり、その差を埋めるために再度サンプリングを行っている。そのため、post resamplingでは後段モジュールの経路仕様を確認してパラメータを決める必要がある。なお、最適化アルゴリズムの計算負荷が高く、最初のリサンプリングで経路間隔が後段モジュールの経路仕様より疎になっている場合、post resamplingで経路を蜜にリサンプリングする。逆に最適化アルゴリズムの計算負荷が小さく、最初のリサンプリングで経路間隔が後段の経路仕様より蜜になっている場合は、post resamplingで経路をその仕様に合わせて疎にリサンプリングする。
Inputs / Outputs#
Input#
| Name | Type | Description |
|---|---|---|
~/input/trajectory |
autoware_planning_msgs/Trajectory |
Reference trajectory |
/planning/scenario_planning/max_velocity |
std_msgs/Float32 |
External velocity limit [m/s] |
/localization/twist |
geometry_msgs/TwistStamped |
Current twist |
/tf |
tf2_msgs/TFMessage |
TF |
/tf_static |
tf2_msgs/TFMessage |
TF static |
Output#
| Name | Type | Description |
|---|---|---|
~/output/trajectory |
autoware_planning_msgs/Trajectory |
Modified trajectory |
/planning/scenario_planning/current_max_velocity |
std_msgs/Float32 |
Current external velocity limit [m/s] |
~/closest_velocity |
std_msgs/Float32 |
Planned velocity closest to ego base_link (for debug) |
~/closest_acceleration |
std_msgs/Float32 |
Planned acceleration closest to ego base_link (for debug) |
~/closest_jerk |
std_msgs/Float32 |
Planned jerk closest to ego base_link (for debug) |
~/debug/trajectory_raw |
autoware_planning_msgs/Trajectory |
Extracted trajectory (for debug) |
~/debug/trajectory_external_velocity_limited |
autoware_planning_msgs/Trajectory |
External velocity limited trajectory (for debug) |
~/debug/trajectory_lateral_acc_filtered |
autoware_planning_msgs/Trajectory |
Lateral acceleration limit filtered trajectory (for debug) |
~/debug/trajectory_time_resampled |
autoware_planning_msgs/Trajectory |
Time resampled trajectory (for debug) |
~/distance_to_stopline |
std_msgs/Float32 |
Distance to stop line from current ego pose (max 50 m) (for debug) |
~/stop_speed_exceeded |
std_msgs/Bool |
It publishes true if planned velocity on the point which the maximum velocity is zero is over threshold |
Parameters#
Constraint parameters#
| Name | Type | Description | Default value |
|---|---|---|---|
max_velocity |
double |
Max velocity limit [m/s] | 20.0 |
max_accel |
double |
Max acceleration limit [m/ss] | 1.0 |
min_decel |
double |
Min deceleration limit [m/ss] | -0.5 |
stop_decel |
double |
Stop deceleration value at a stop point [m/ss] | 0.0 |
max_jerk |
double |
Max jerk limit [m/sss] | 1.0 |
min_jerk |
double |
Min jerk limit [m/sss] | -0.5 |
External velocity limit parameter#
| Name | Type | Description | Default value |
|---|---|---|---|
margin_to_insert_external_velocity_limit |
double |
margin distance to insert external velocity limit [m] | 0.3 |
Curve parameters#
| Name | Type | Description | Default value |
|---|---|---|---|
max_lateral_accel |
double |
Max lateral acceleration limit [m/ss] | 0.5 |
min_curve_velocity |
double |
Min velocity at lateral acceleration limit [m/ss] | 2.74 |
decel_distance_before_curve |
double |
Distance to slowdown before a curve for lateral acceleration limit [m] | 3.5 |
decel_distance_after_curve |
double |
Distance to slowdown after a curve for lateral acceleration limit [m] | 2.0 |
Engage & replan parameters#
| Name | Type | Description | Default value |
|---|---|---|---|
replan_vel_deviation |
double |
Velocity deviation to replan initial velocity [m/s] | 5.53 |
engage_velocity |
double |
Engage velocity threshold [m/s] (if the trajectory velocity is higher than this value, use this velocity for engage vehicle speed) | 0.25 |
engage_acceleration |
double |
Engage acceleration [m/ss] (use this acceleration when engagement) | 0.1 |
engage_exit_ratio |
double |
Exit engage sequence to normal velocity planning when the velocity exceeds engage_exit_ratio x engage_velocity. | 0.5 |
stop_dist_to_prohibit_engage |
double |
If the stop point is in this distance, the speed is set to 0 not to move the vehicle [m] | 0.5 |
Stopping velocity parameters#
| Name | Type | Description | Default value |
|---|---|---|---|
stopping_velocity |
double |
change target velocity to this value before v=0 point [m/s] | 2.778 |
stopping_distance |
double |
distance for the stopping_velocity [m]. 0 means the stopping velocity is not applied. | 0.0 |
Extraction parameters#
| Name | Type | Description | Default value |
|---|---|---|---|
extract_ahead_dist |
double |
Forward trajectory distance used for planning [m] | 200.0 |
extract_behind_dist |
double |
backward trajectory distance used for planning [m] | 5.0 |
delta_yaw_threshold |
double |
Allowed delta yaw between ego pose and trajectory pose [radian] | 1.0472 |
Resampling parameters#
| Name | Type | Description | Default value |
|---|---|---|---|
max_trajectory_length |
double |
Max trajectory length for resampling [m] | 200.0 |
min_trajectory_length |
double |
Min trajectory length for resampling [m] | 30.0 |
resample_time |
double |
Resample total time [s] | 10.0 |
dense_dt |
double |
resample time interval for dense sampling [s] | 0.1 |
dense_min_interval_distance |
double |
minimum points-interval length for dense sampling [m] | 0.1 |
sparse_dt |
double |
resample time interval for sparse sampling [s] | 0.5 |
sparse_min_interval_distance |
double |
minimum points-interval length for sparse sampling [m] | 4.0 |
Resampling parameters for post process#
| Name | Type | Description | Default value |
|---|---|---|---|
post_max_trajectory_length |
double |
max trajectory length for resampling [m] | 300.0 |
post_min_trajectory_length |
double |
min trajectory length for resampling [m] | 30.0 |
post_resample_time |
double |
resample total time for dense sampling [s] | 10.0 |
post_dense_dt |
double |
resample time interval for dense sampling [s] | 0.1 |
post_dense_min_interval_distance |
double |
minimum points-interval length for dense sampling [m] | 0.1 |
post_sparse_dt |
double |
resample time interval for sparse sampling [s] | 0.1 |
post_sparse_min_interval_distance |
double |
minimum points-interval length for sparse sampling [m] | 1.0 |
Weights for optimization#
JerkFiltered#
| Name | Type | Description | Default value |
|---|---|---|---|
jerk_weight |
double |
Weight for "smoothness" cost for jerk | 10.0 |
over_v_weight |
double |
Weight for "over speed limit" cost | 100000.0 |
over_a_weight |
double |
Weight for "over accel limit" cost | 5000.0 |
over_j_weight |
double |
Weight for "over jerk limit" cost | 1000.0 |
L2#
| Name | Type | Description | Default value |
|---|---|---|---|
pseudo_jerk_weight |
double |
Weight for "smoothness" cost | 100.0 |
over_v_weight |
double |
Weight for "over speed limit" cost | 100000.0 |
over_a_weight |
double |
Weight for "over accel limit" cost | 1000.0 |
Linf#
| Name | Type | Description | Default value |
|---|---|---|---|
pseudo_jerk_weight |
double |
Weight for "smoothness" cost | 100.0 |
over_v_weight |
double |
Weight for "over speed limit" cost | 100000.0 |
over_a_weight |
double |
Weight for "over accel limit" cost | 1000.0 |
Others#
| Name | Type | Description | Default value |
|---|---|---|---|
over_stop_velocity_warn_thr |
double |
Threshold to judge that the optimized velocity exceeds the input velocity on the stop point [m/s] | 1.389 |
Assumptions / Known limits#
- 参照経路上の点には制限速度（停止点）が正しく設定されていることを仮定
- 参照経路に設定されている制限速度を指定した減速度やジャークで達成不可能な場合、可能な範囲で速度、加速度、ジャークの逸脱量を抑えながら減速
- 各逸脱量の重視の度合いはパラメータにより指定
(Optional) Error detection and handling#
(Optional) Performance characterization#
(Optional) References/External links#
[1] B. Stellato, et al., "OSQP: an operator splitting solver for quadratic programs", Mathematical Programming Computation, 2020, 10.1007/s12532-020-00179-2.
[2] Y. Zhang, et al., "Toward a More Complete, Flexible, and Safer Speed Planning for Autonomous Driving via Convex Optimization", Sensors, vol. 18, no. 7, p. 2185, 2018, 10.3390/s18072185