Planning 规划模块

Apollo 自动驾驶规划模块负责根据感知、预测、定位和路由信息，生成安全、舒适、可执行的行驶轨迹。

模块职责

Planning 模块是 Apollo 自动驾驶系统的核心决策与规划层，其主要职责包括：

接收上游模块（感知、预测、定位、路由）的数据，构建当前帧的规划环境
基于高精地图和路由结果生成参考线（Reference Line）
根据当前驾驶场景选择合适的 Scenario 进行决策
在参考线上执行路径规划（Path Planning）和速度规划（Speed Planning）
将路径和速度合成为时空轨迹（Trajectory），发布给下游控制模块执行

目录结构

modules/planning/
├── planning_component/       # 组件入口，CyberRT Component 实现
├── planning_base/            # 基础库：参考线、数学工具、公共数据结构、proto 定义
├── planning_interface_base/  # 接口层：Planner、Scenario、Stage、Task 基类
├── planners/                 # Planner 实现（PublicRoad、Lattice、Navi、RTK）
├── scenarios/                # 各驾驶场景实现（lane_follow、traffic_light 等）
├── tasks/                    # 各规划任务实现（路径生成、速度优化、决策器等）
├── traffic_rules/            # 交通规则（红绿灯、人行横道、停车标志等）
├── planning_open_space/      # 开放空间规划（泊车等）
├── pnc_map/                  # PnC 地图（从路由结果提取可行驶区域）
└── park_data_center/         # 泊车数据中心

核心类与接口

组件入口

PlanningComponent（planning_component/planning_component.h）是 CyberRT 的 Component，接收三路触发消息：

prediction::PredictionObstacles — 预测障碍物
canbus::Chassis — 底盘状态
localization::LocalizationEstimate — 定位信息

它在 Proc() 中将所有输入汇聚到 LocalView 结构体，然后调用 PlanningBase::RunOnce() 完成一帧规划，最终将 ADCTrajectory 发布到 /apollo/planning 话题。

PlanningComponent::Proc()
  → 汇聚 LocalView（prediction, chassis, localization, traffic_light, planning_command ...）
  → PlanningBase::RunOnce(local_view, &adc_trajectory)
  → planning_writer_->Write(adc_trajectory)

PlanningBase 与 OnLanePlanning

PlanningBase（planning_component/planning_base.h）是规划的抽象基类，定义了 RunOnce() 和 Plan() 纯虚接口。

OnLanePlanning（planning_component/on_lane_planning.h）是结构化道路场景下的主要实现，其核心流程：

更新车辆状态，对齐时间戳
计算轨迹拼接点（Trajectory Stitching）
更新 ReferenceLineProvider，获取参考线
初始化 Frame（包含参考线、障碍物等一帧数据）
执行交通规则决策（TrafficDecider）
调用 Planner::Plan() 进行规划
合成最终可发布轨迹

Planner 接口

Planner（planning_interface_base/planner_base/planner.h）是规划器基类：

cpp

class Planner {
  virtual Status Plan(const TrajectoryPoint& planning_init_point,
                      Frame* frame,
                      ADCTrajectory* ptr_computed_trajectory) = 0;
};

class PlannerWithReferenceLine : public Planner {
  virtual Status PlanOnReferenceLine(const TrajectoryPoint& planning_init_point,
                                     Frame* frame,
                                     ReferenceLineInfo* reference_line_info);
};

系统提供四种 Planner 实现：

Planner	路径	说明
`PublicRoadPlanner`	`planners/public_road/`	公共道路规划器，基于 Scenario 的主力规划器
`LatticePlanner`	`planners/lattice/`	Lattice 采样规划器
`NaviPlanner`	`planners/navi/`	导航模式规划器
`RTKReplayPlanner`	`planners/rtk/`	RTK 轨迹回放规划器

DependencyInjector

DependencyInjector（planning_base/common/dependency_injector.h）是全局依赖注入容器，持有规划过程中的共享状态：

PlanningContext — 跨帧持久化的规划上下文
FrameHistory — 历史帧缓存
History — 历史轨迹记录
EgoInfo — 自车信息
VehicleStateProvider — 车辆状态提供者
LearningBasedData — 学习模型数据

Frame 与 LocalView

Frame（planning_base/common/frame.h）封装了一帧规划所需的全部数据：参考线信息列表（ReferenceLineInfo）、障碍物列表、车辆状态、开放空间信息等。

LocalView（planning_base/common/local_view.h）是输入数据的聚合结构：

cpp

struct LocalView {
  std::shared_ptr<prediction::PredictionObstacles> prediction_obstacles;
  std::shared_ptr<canbus::Chassis> chassis;
  std::shared_ptr<localization::LocalizationEstimate> localization_estimate;
  std::shared_ptr<perception::TrafficLightDetection> traffic_light;
  std::shared_ptr<PlanningCommand> planning_command;
  std::shared_ptr<storytelling::Stories> stories;
  // ...
};

算法概述

Scenario-based Planning 框架

Apollo Planning 采用基于场景的分层规划架构，核心层次为 Scenario → Stage → Task。

层次结构

PublicRoadPlanner
  └── ScenarioManager          # 场景管理器，负责场景切换
        └── Scenario            # 当前活跃场景
              └── Stage         # 当前阶段
                    └── Task[]  # 任务流水线（顺序执行）

Scenario（场景）

Scenario（planning_interface_base/scenario_base/scenario.h）是场景基类。每个场景代表一种特定的驾驶情境。系统通过 ScenarioManager 管理场景切换：

ScenarioManager::Update() 遍历所有已注册场景，调用 IsTransferable() 判断是否应切换
当前场景处于 STATUS_PROCESSING 时具有更高优先级，不会被抢占
场景切换时依次调用 Exit() → Reset() → Enter()
默认场景为 LANE_FOLLOW（车道跟随）

系统注册的场景列表（按优先级排序，定义在 conf/public_road_planner_config.pb.txt）：

场景	类名	说明
EMERGENCY_PULL_OVER	`EmergencyPullOverScenario`	紧急靠边停车
EMERGENCY_STOP	`EmergencyStopScenario`	紧急停车
VALET_PARKING	`ValetParkingScenario`	代客泊车
BARE_INTERSECTION_UNPROTECTED	`BareIntersectionUnprotectedScenario`	无保护裸交叉口
STOP_SIGN_UNPROTECTED	`StopSignUnprotectedScenario`	无保护停车标志
YIELD_SIGN	`YieldSignScenario`	让行标志
TRAFFIC_LIGHT_UNPROTECTED_LEFT_TURN	`TrafficLightUnprotectedLeftTurnScenario`	无保护左转
TRAFFIC_LIGHT_UNPROTECTED_RIGHT_TURN	`TrafficLightUnprotectedRightTurnScenario`	无保护右转
TRAFFIC_LIGHT_PROTECTED	`TrafficLightProtectedScenario`	有保护信号灯
PULL_OVER	`PullOverScenario`	靠边停车
PARK_AND_GO	`ParkAndGoScenario`	停车起步
LANE_FOLLOW	`LaneFollowScenario`	车道跟随（默认）

Stage（阶段）

Stage（planning_interface_base/scenario_base/stage.h）是阶段基类。一个 Scenario 可包含多个 Stage，按 pipeline 配置顺序执行。Stage 的 Process() 返回状态决定阶段转换：

RUNNING — 继续执行当前 Stage
FINISHED — 切换到 NextStage()，若为空则场景完成
ERROR — 场景异常

Stage 提供三种任务执行模式：

ExecuteTaskOnReferenceLine() — 在参考线上依次执行 Task 列表
ExecuteTaskOnOpenSpace() — 在开放空间中执行 Task 列表
ExecuteTaskOnReferenceLineForOnlineLearning() — 在线学习模式

Task（任务）

Task（planning_interface_base/task_base/task.h）是任务基类，提供 Execute(Frame*, ReferenceLineInfo*) 接口。Task 的主要子类型：

PathGeneration — 路径生成基类（task_base/common/path_generation.h）
SpeedOptimizer — 速度优化基类（task_base/common/speed_optimizer.h）
Decider — 决策器基类（task_base/common/decider.h）
TrajectoryFallbackTask — 轨迹降级基类

以 LANE_FOLLOW 场景为例，其 Task 流水线（定义在 scenarios/lane_follow/conf/pipeline.pb.txt）：

LANE_FOLLOW_STAGE:
  1. LANE_CHANGE_PATH        — 换道路径生成
  2. LANE_FOLLOW_PATH         — 车道跟随路径生成
  3. LANE_BORROW_PATH         — 借道路径生成
  4. FALLBACK_PATH            — 降级路径生成
  5. PATH_DECIDER             — 路径决策（对障碍物做 nudge/ignore 决策）
  6. RULE_BASED_STOP_DECIDER  — 基于规则的停车决策
  7. SPEED_BOUNDS_PRIORI_DECIDER — 速度边界先验决策
  8. SPEED_HEURISTIC_OPTIMIZER  — 速度启发式优化（DP 搜索）
  9. SPEED_DECIDER            — 速度决策
  10. SPEED_BOUNDS_FINAL_DECIDER — 速度边界最终决策
  11. PIECEWISE_JERK_SPEED     — 分段 Jerk 速度优化（QP 求解）

Reference Line（参考线）

参考线是规划的几何基础，代表车辆应当跟随的道路中心线。

生成流程

ReferenceLineProvider（planning_base/reference_line/reference_line_provider.h）负责参考线的生成和维护：

从 PlanningCommand（路由结果）中获取路由信息
通过 PncMapBase（默认 LaneFollowMap）将路由转换为 RouteSegments
从 RouteSegments 提取原始参考线点
对原始参考线进行平滑处理
缓存并提供给规划主流程使用

ReferenceLine 类

ReferenceLine（planning_base/reference_line/reference_line.h）提供参考线的核心功能：

Frenet 坐标系转换：XYToSL() / SLToXY() / GetFrenetPoint()
参考点查询：GetReferencePoint(s) / GetNearestReferencePoint()
车道信息查询：GetLaneWidth() / GetRoadWidth() / GetSpeedLimitFromS()
SL 边界计算：GetSLBoundary()
参考线拼接：Stitch() — 将新旧参考线拼接以保持连续性
参考线裁剪：Segment() — 根据车辆位置裁剪前后视距

参考线平滑

ReferenceLineSmoother（planning_base/reference_line/reference_line_smoother.h）是平滑器基类，提供三种实现：

平滑器	类名	算法
离散点平滑	`DiscretePointsReferenceLineSmoother`	FEM 位置偏差平滑 / CosTheta 平滑
QP 样条平滑	`QpSplineReferenceLineSmoother`	二次规划样条拟合
螺旋线平滑	`SpiralReferenceLineSmoother`	螺旋线优化（IPOPT 求解）

默认使用离散点平滑器的 FEM 位置偏差平滑方法（FEM_POS_DEVIATION_SMOOTHING），通过最小化参考点偏差和曲率变化来生成平滑的参考线。

Path Optimizer（路径优化）

路径规划在 Frenet 坐标系（SL 坐标系）下进行，核心流程为"边界计算 → 路径优化 → 路径评估"。

以 LaneFollowPath（tasks/lane_follow_path/lane_follow_path.h）为例：

LaneFollowPath::Process()
  → DecidePathBounds()     # 计算路径边界（考虑车道边界、静态障碍物）
  → OptimizePath()         # 在边界内优化路径（Piecewise Jerk Path Optimizer）
  → AssessPath()           # 评估候选路径，选择最优

路径优化使用 Piecewise Jerk 方法，将路径优化建模为二次规划（QP）问题：

优化变量：沿参考线的横向偏移 l(s)
目标函数：最小化横向偏移、横向速度、横向加速度、横向 jerk
约束条件：路径边界约束、曲率约束、起点状态约束

系统提供多种路径生成 Task：

Task	说明
`LaneFollowPath`	车道跟随路径
`LaneChangePath`	换道路径
`LaneBorrowPath`	借道路径
`FallbackPath`	降级路径
`PullOverPath`	靠边停车路径
`ReusePath`	路径复用

Speed Optimizer（速度优化）

速度规划在 ST 坐标系（纵向距离-时间）下进行，采用两阶段策略：

第一阶段：速度启发式搜索（DP）

PathTimeHeuristicOptimizer（tasks/path_time_heuristic/）使用动态规划在 ST 图上搜索粗略的速度曲线，为后续 QP 优化提供初始解和边界。

第二阶段：Piecewise Jerk Speed 优化（QP）

PiecewiseJerkSpeedOptimizer（tasks/piecewise_jerk_speed/piecewise_jerk_speed_optimizer.h）将速度优化建模为 QP 问题：

优化变量：s(t)、s'(t)、s''(t)
目标函数：最小化与 DP 结果的偏差、加速度、jerk
约束条件：ST 边界约束（来自障碍物决策）、速度限制、加速度限制、jerk 限制

速度规划相关的 Task 链：

SPEED_BOUNDS_PRIORI_DECIDER   → 构建 ST 边界（先验）
SPEED_HEURISTIC_OPTIMIZER     → DP 搜索粗略速度曲线
SPEED_DECIDER                 → 对障碍物做纵向决策（超车/让行）
SPEED_BOUNDS_FINAL_DECIDER    → 更新 ST 边界（最终）
PIECEWISE_JERK_SPEED          → QP 优化最终速度曲线

轨迹合成

路径和速度规划完成后，ReferenceLineInfo::CombinePathAndSpeedProfile() 将二者合成为时空轨迹（DiscretizedTrajectory），包含每个轨迹点的 (x, y, theta, kappa, s, t, v, a) 信息。

数据流

                    ┌─────────────────┐
                    │  PlanningCommand │ (路由/导航指令)
                    └────────┬────────┘
                             │
  ┌──────────────┐  ┌───────┴────────┐  ┌──────────────────┐
  │ Prediction   │  │ Localization   │  │ Chassis          │
  │ Obstacles    │  │ Estimate       │  │ (底盘状态)        │
  └──────┬───────┘  └───────┬────────┘  └────────┬─────────┘
         │                  │                     │
         └──────────────────┼─────────────────────┘
                            │
                   ┌────────▼────────┐
                   │ PlanningComponent│  ← CyberRT Component 入口
                   │   Proc()        │
                   └────────┬────────┘
                            │
                   ┌────────▼────────┐
                   │  OnLanePlanning │
                   │   RunOnce()     │
                   └────────┬────────┘
                            │
              ┌─────────────┼─────────────┐
              │             │             │
    ┌─────────▼──────┐ ┌───▼────┐ ┌──────▼───────┐
    │ ReferenceLine  │ │ Frame  │ │ TrafficDecider│
    │ Provider       │ │ Init   │ │ (交通规则)     │
    └─────────┬──────┘ └───┬────┘ └──────┬───────┘
              │            │             │
              └────────────┼─────────────┘
                           │
                  ┌────────▼────────┐
                  │ PublicRoadPlanner│
                  │   Plan()        │
                  └────────┬────────┘
                           │
                  ┌────────▼────────┐
                  │ ScenarioManager │
                  │   Update()      │
                  └────────┬────────┘
                           │
                  ┌────────▼────────┐
                  │ Current Scenario│
                  │   Process()     │
                  └────────┬────────┘
                           │
                  ┌────────▼────────┐
                  │ Current Stage   │
                  │   Process()     │
                  └────────┬────────┘
                           │
            ┌──────────────┼──────────────┐
            │              │              │
   ┌────────▼───────┐ ┌───▼────┐ ┌───────▼──────┐
   │ Path Tasks     │ │Deciders│ │ Speed Tasks  │
   │ (路径生成)      │ │(决策器) │ │ (速度优化)    │
   └────────┬───────┘ └───┬────┘ └───────┬──────┘
            │             │              │
            └─────────────┼──────────────┘
                          │
                 ┌────────▼────────┐
                 │ CombinePath &   │
                 │ SpeedProfile    │
                 └────────┬────────┘
                          │
                 ┌────────▼────────┐
                 │ ADCTrajectory   │ → 发布到 /apollo/planning
                 └─────────────────┘

输入数据

数据源	话题	说明
预测模块	`/apollo/prediction`	障碍物预测轨迹（触发消息之一）
底盘	`/apollo/canbus/chassis`	车速、档位、转向等（触发消息之一）
定位	`/apollo/localization/pose`	车辆位姿（触发消息之一）
交通灯感知	`/apollo/perception/traffic_light`	交通灯检测结果
路由指令	`/apollo/planning/command`	导航路由指令（PlanningCommand）
故事讲述	`/apollo/storytelling`	场景触发信息
控制交互	`/apollo/control/interactive`	控制模块反馈

输出数据

数据	话题	说明
ADCTrajectory	`/apollo/planning`	规划轨迹，包含轨迹点序列、决策信息、档位等

配置方式

Planning 模块采用 Protobuf 文本格式（.pb.txt）进行配置，配置文件分布在多个层级。

全局配置

planning_component/conf/planning_config.pb.txt — 模块级配置：

protobuf

// planning_base/proto/planning_config.proto
message PlanningConfig {
  optional TopicConfig topic_config = 1;       // 话题配置
  optional PlanningLearningMode learning_mode = 2;  // 学习模式
  optional ReferenceLineConfig reference_line_config = 3;  // 参考线配置
  optional string planner = 4;                 // Planner 插件名
}

Planner 配置

planning_component/conf/public_road_planner_config.pb.txt — 定义场景列表及优先级顺序。场景按列表顺序进行优先级判断，排在前面的场景优先级更高。

Scenario Pipeline 配置

每个场景目录下的 conf/pipeline.pb.txt 定义了该场景的 Stage 和 Task 流水线。例如 scenarios/lane_follow/conf/pipeline.pb.txt：

protobuf

stage: {
  name: "LANE_FOLLOW_STAGE"
  type: "LaneFollowStage"
  task { name: "LANE_CHANGE_PATH"  type: "LaneChangePath" }
  task { name: "LANE_FOLLOW_PATH"  type: "LaneFollowPath" }
  task { name: "LANE_BORROW_PATH"  type: "LaneBorrowPath" }
  // ... 更多 task
}

Task 配置

每个 Task 在其目录下有独立的 proto 配置文件（如 tasks/lane_follow_path/proto/lane_follow_path.proto），通过 Task::LoadConfig() 加载。Task 支持两级配置合并：默认配置（Task 插件目录）和场景级覆盖配置（Scenario 的 conf 目录下按 Stage 名分子目录）。

参考线平滑器配置

planning_component/conf/discrete_points_smoother_config.pb.txt — 参考线平滑参数：

protobuf

// planning_base/proto/reference_line_smoother_config.proto
message ReferenceLineSmootherConfig {
  optional double max_constraint_interval = 1;     // 约束点最大间距
  optional double longitudinal_boundary_bound = 2;  // 纵向边界
  optional double max_lateral_boundary_bound = 3;   // 最大横向边界
  optional double min_lateral_boundary_bound = 4;   // 最小横向边界
  oneof SmootherConfig {
    QpSplineSmootherConfig qp_spline = 20;
    SpiralSmootherConfig spiral = 21;
    DiscretePointsSmootherConfig discrete_points = 22;
  }
}

交通规则配置

planning_component/conf/traffic_rule_config.pb.txt — 定义启用的交通规则插件列表：

规则	类名	说明
BACKSIDE_VEHICLE	`BacksideVehicle`	后方车辆处理
CROSSWALK	`Crosswalk`	人行横道
DESTINATION	`Destination`	目的地处理
KEEP_CLEAR	`KeepClear`	禁停区
REFERENCE_LINE_END	`ReferenceLineEnd`	参考线末端处理
REROUTING	`Rerouting`	重新路由
STOP_SIGN	`StopSign`	停车标志
TRAFFIC_LIGHT	`TrafficLight`	交通信号灯
YIELD_SIGN	`YieldSign`	让行标志

插件机制

Planning 模块大量使用 Apollo 的 CyberRT 插件机制（cyber::plugin_manager::PluginManager）。Planner、Scenario、Stage、Task、TrafficRule 均通过 CYBER_PLUGIN_MANAGER_REGISTER_PLUGIN 宏注册为插件，运行时通过配置文件中的类名动态加载。这使得新增场景或任务只需：

实现对应基类的子类
注册为插件
在 pipeline 配置中引用

无需修改框架代码。

贡献者

Steven Moder

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Planning 规划模块 ​

模块职责 ​

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核心类与接口 ​

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DependencyInjector ​

Frame 与 LocalView ​

算法概述 ​

Scenario-based Planning 框架 ​

层次结构 ​

Scenario（场景） ​

Stage（阶段） ​

Task（任务） ​

Reference Line（参考线） ​

生成流程 ​

ReferenceLine 类 ​

参考线平滑 ​

Path Optimizer（路径优化） ​

Speed Optimizer（速度优化） ​

第一阶段：速度启发式搜索（DP） ​

第二阶段：Piecewise Jerk Speed 优化（QP） ​

轨迹合成 ​

数据流 ​

输入数据 ​

输出数据 ​

配置方式 ​

全局配置 ​

Planner 配置 ​

Scenario Pipeline 配置 ​

Task 配置 ​

参考线平滑器配置 ​

交通规则配置 ​

插件机制 ​

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核心类与接口

组件入口

PlanningBase 与 OnLanePlanning

Planner 接口

DependencyInjector

Frame 与 LocalView

算法概述

Scenario-based Planning 框架

层次结构

Scenario（场景）

Stage（阶段）

Task（任务）

Reference Line（参考线）

生成流程

ReferenceLine 类

参考线平滑

Path Optimizer（路径优化）

Speed Optimizer（速度优化）

第一阶段：速度启发式搜索（DP）

第二阶段：Piecewise Jerk Speed 优化（QP）

轨迹合成

数据流

输入数据

输出数据

配置方式

全局配置

Planner 配置

Scenario Pipeline 配置

Task 配置

参考线平滑器配置

交通规则配置

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