CN105160917A

CN105160917A - 基于车路协同的信号控制交叉口车速引导系统及方法

Info

Publication number: CN105160917A
Application number: CN201510522710.5A
Authority: CN
Inventors: 张存保; 王勇刚; 严新平; 常骐运
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan CITMS High-tech Co., Ltd.
Priority date: 2015-08-24
Filing date: 2015-08-24
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2035-08-24
Also published as: CN105160917B

Abstract

本发明提供一种基于车路协同的信号控制交叉口车速引导系统，包括信息通讯模块；信息采集处理模块，通过GPS和INS组合采集处理得到本车车辆信息，通过信息通讯模块采集前车车辆信息及信号机信号状态信息；车速引导建议模块，当本车进入引导范围时，根据引导范围内车辆的车辆信息以及信号机信号状态信息，判断车辆是否在允许变道的路段范围内，提供车辆速度引导建议及行驶车道建议；车辆安全预警模块，根据本车和前车的车辆信息，计算两车之间的安全裕度值，根据该安全裕度值进行碰撞危险状态判别。本发明充分考虑车辆的实时位置、实时速度以及车辆间的相互影响，使车辆在通过信号控制交叉口时减少停车延误，以提高道路的通行效率并减少环境污染。

Description

基于车路协同的信号控制交叉口车速引导系统及方法

技术领域

本发明涉及智能交通领域，具体为一种基于车路协同的信号控制交叉口车速引导系统及方法。

背景技术

现有交通信号控制系统中，车辆与车辆之间以及车辆与信号控制设备之间缺乏数据交互，导致红灯和绿灯的切换时间对驾驶人而言是随机的，难以预测到达下一个路口时的通行状态(绿灯放行或是红灯禁行)，因而无法提前对车辆行驶速度进行优化调整，对交叉口的通行效率和安全性存在不利影响。

针对上述问题，国内外研究人员提出了基于车路协同的单车车速引导方法，在提高交叉口通行效率、降低交叉口交通事故方面取得了一定的效果，但也存在一些不足。现有基于车路协同的单车车速引导方法虽然加强了驾驶员与信号机的交互，但忽略了前、后车辆间相互作用对行驶状态的影响，因而其在实际应用中的效果欠佳。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于车路协同的信号控制交叉口车速引导系统及方法，使车辆在通过信号控制交叉口时减少停车延误，以提高道路的通行效率并减少环境污染。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于车路协同的信号控制交叉口车速引导系统，其特征在于：它包括：

信息通讯模块，用于利用专用短程通讯技术DSRC与引导区间内其它车辆和信号机连接，进行实时的数据交互；

信息采集处理模块，用于通过GPS和INS组合采集并处理得到本车的车辆信息，通过信息通讯模块采集前车的车辆信息以及信号机信号状态信息；其中车辆信息包括车辆位置信息、车道信息和车速信息；

车速引导建议模块，用于当本车进入引导范围时，根据引导范围内车辆的车辆信息以及信号机信号状态信息，判断车辆是否在允许变道的路段范围内，提供车辆速度引导建议及行驶车道建议，所述的引导范围为停车线前若干米范围内的任意车道中，为预设值；

车辆安全预警模块，用于根据本车和前车的车辆信息，计算两车之间的安全裕度值，并根据该安全裕度值进行碰撞危险状态判别，当安全裕度值大于预设裕度值时，对本车发出预警信号；其中两车之间的安全裕度值的计算公式如下：

{SM}_{n} (t) = \frac{v_{n} (t) \cdot t_{d} + \frac{{[v_{n} (t)]}^{2}}{2 d_{n} (t)} - \frac{{[v_{n - 1} (t)]}^{2}}{2 d_{n - 1} (t)}}{D_{n}},

式中，SM_n(t)为两车之间的安全裕度值；v_n(t)为本车的实时速度；d_n(t)为本车的实时减速度；v_n-1(t)为前车的实时速度；d_n-1(t)为前车的实时减速度；D_n(t)为两车的实时距离；t_d为制动反应时间。

按上述系统，车速引导建议模块包括：

允许变道路段范围判断模块，用于当本车进入引导范围时，根据获取的本车的车辆信息，判断车辆是否在允许变道的路段范围内；

车道建议模块，用于在本车在允许变道的路段范围内时，比较相邻车道前车到达停车线的时间的大小，选取时间最短的车道作为目标车道，建议本车换到该目标车道上；

车速建议模块，用于在车辆不在允许变道的路段范围内时，在没有前车时建议车速为该路段范围最大限速值，在有前车时根据本车与前车之间车头时距确定加速或减速策略，并计算本车的安全速度范围，选取安全车速范围内10km/h的整数倍的车速值作为备选车速，核算本车按照备选车速行驶到停车线时，其与前车之间是否满足安全车头时距要求，选取满足安全车头时距要求的最大备选车速作为引导车速，建议给本车。

利用上述基于车路协同的信号控制交叉口车速引导系统实现的车速引导方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、通过GPS和INS组合采集并处理得到本车的车辆信息；利用专用短程通讯技术DSRC与引导区间内其它车辆和信号机连接，进行实时的数据交互；车辆信息包括车辆位置信息、车道信息和车速信息；

S2、当本车进入引导范围时，根据获取的本车的车辆信息，判断车辆是否在允许变道的路段范围内，若是，则进入S3，若否则进入S4；

S3、车道建议：

比较相邻车道前车到达停车线的时间的大小，选取时间最短的车道作为目标车道，建议本车换到该目标车道上；

S4、车速建议：

在没有前车时建议车速为该路段范围最大限速值，在有前车时根据本车与前车之间车头时距确定加速或减速策略，并计算本车的安全速度范围，选取安全车速范围内10km/h的整数倍的车速值作为备选车速，核算本车按照备选车速行驶到停车线时，其与前车之间是否满足安全车头时距要求，选取满足安全车头时距要求的最大备选车速作为引导车速，建议给本车；

S5、在车辆行驶过程中，实时监测本车与前车的车辆信息，计算两车之间的安全裕度值，并根据该安全裕度值进行碰撞危险状态判别，当安全裕度值大于预设裕度值时，对本车发出预警信号；其中两车之间的安全裕度值的计算公式如下：

{SM}_{n} (t) = \frac{v_{n} (t) \cdot t_{d} + \frac{{[v_{n} (t)]}^{2}}{2 d_{n} (t)} - \frac{{[v_{n - 1} (t)]}^{2}}{2 d_{n - 1} (t)}}{D_{n}},

按上述方法，所述的S3具体步骤如下：

3.1、预测各车道车辆排队消散的时间，其计算方法如下：

T_{d} = T_{g} + \frac{Q}{S} + t_{c}

式中：T_d为排队消散时间；T_g为交叉口绿灯亮起时间；Q为交叉口饱和流率，t_c为启动损失时间；

3.2、判断前方排队是否消散完毕，若是则比较此状态下相邻车道前车到达停车线的时间的大小，选取时间最短的车道作为目标车道，建议车辆换到该目标车道上；若前方排队未消散完毕则执行3.3；

3.3、按如下步骤确定车辆的目标车道：

a.获取本车所在车道排队队尾车辆的位置信息；

b.预测队尾车辆到达停车线的时间t，其计算方法如下：

t = \sqrt{\frac{2 D}{a}}

式中：D为队尾车辆距离停车线的距离；a为队尾车辆的加速度；

c.预测本车到达停车线的时间T_本：

T_本＝t+t_h安N

式中：t_h安为安全车头时距；N为本车与队尾车辆之间的车辆数；

d.按a-c的方法分别预测该状态下相邻车道前车到达停车线的时间T_邻，比较T_本和T_邻，选取时间最短的车道作为目标车道，并建议车辆换道到目标车道行驶。

按上述方法，所述的S4存在前车时，

4.1、计算当前时刻本车与前车车头时距t_h：

t_{h} = \frac{D_{n} - D_{n - 1}}{v_{n}}

式中：D_n为当前时刻本车距离停车线的距离；D_n-1为当前时刻前车距离停车线的距离；

当t_h>t_h安，本车采取加速策略，当t_h≤t_h安，本车采取减速策略；t_h安为安全车头时距；

4.2、确定本车的安全速度范围：

a.预计本车到达停车线的时间，本车与前车之间要保持安全车头时距，则预计后车到达停车线的时间为v_n-1为当前时刻前车的速度；

b.计算本车能加速到的最大车速v_gmax和能减速到的最小车速v_gmin：

v_{g_{m a x}} = v_{n} + a (\frac{D_{n - 1}}{v_{n - 1}} + t_{h}), v_{g_{\min}} = v_{n} - d (\frac{D_{n - 1}}{v_{n - 1}} + t_{h}),

式中，v_n为当前时刻本车的速度，a为本车加速度，d为本车减速度；

c.比较和路段最高限速v_max的及和路段最低限速v_min(对普通城市道路，通常为0km/h)的大小，当时，本车的安全车速范围是v_n<v_g≤v_max；当时，本车的安全车速范围是当时，本车的安全车速范围是v_min≤v_g<v_n；当时，本车的安全车速范围是

d.确定引导车速：

选取安全车速范围内10km/h的整数倍的车速值作为备选车速，核算本车按照备选车速行驶到停车线时，其与前车之间是否满足安全车头时距要求，选取满足安全车头时距要求的最大备选车速作为引导车速。

本发明的有益效果为：本发明在充分分析现有车速引导策略不足的基础上，充分考虑车辆的实时位置、实时速度以及车辆间的相互影响，提出了基于车路协同的信号控制交叉口车速引导系统及方法，利用专用短程通讯技术，将引导区间内的车辆和信号灯组成网络进行数据交互，可将本发明系统植入在智能终端，分别根据外部车辆及信号灯的情况对本车进行引导，使车辆在通过信号控制交叉口时减少停车延误，以提高道路的通行效率并减少环境污染，并且具有交互性强、车速建议灵活及实用性高的效果。

附图说明

图1为车速引导示意图；

图2为本发明一实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

图1为车速引导示意图，本发明提供一种基于车路协同的信号控制交叉口车速引导系统，它包括：

信息通讯模块，用于利用专用短程通讯技术DSRC与引导区间内其它车辆和信号机连接，进行实时的数据交互。

信息采集处理模块，用于通过GPS和INS组合采集并处理得到本车的车辆信息，通过信息通讯模块采集前车的车辆信息以及信号机信号状态信息；其中车辆信息包括车辆位置信息、车道信息和车速信息。在本实施例中，本车的车辆信息主要是借助于百度地图AndroidSDK将其嵌入到智能终端中，采用GPS/INS组合导航定位获取多源定位信息，并采用联合卡尔曼滤波器对多源定位信息进行融合处理，得到高精度的车辆位置信息、车道信息和车速信息。

车速引导建议模块，用于当本车进入引导范围时，根据引导范围内车辆的车辆信息以及信号机信号状态信息，判断车辆是否在允许变道的路段范围内，提供车辆速度引导建议及行驶车道建议，所述的引导范围为停车线前若干米范围(本实施例选取200米)内的任意车道中，为预设值；

{SM}_{n} (t) = \frac{v_{n} (t) \cdot t_{d} + \frac{{[v_{n} (t)]}^{2}}{2 d_{n} (t)} - \frac{{[v_{n - 1} (t)]}^{2}}{2 d_{n - 1} (t)}}{D_{n}},

式中，SM_n(t)为两车之间的安全裕度值；v_n(t)为本车的实时速度，m/s；d_n(t)为本车的实时减速度，m/s²；v_n-1(t)为前车的实时速度，m/s；d_n-1(t)为前车的实时减速度，m/s²；D_n(t)为两车的实时距离，m；t_d为制动反应时间，s。

车速引导建议模块包括：

利用上述基于车路协同的信号控制交叉口车速引导系统实现的车速引导方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1、通过GPS和INS组合采集并处理得到本车的车辆信息；利用专用短程通讯技术DSRC与引导区间内其它车辆和信号机连接，进行实时的数据交互；车辆信息包括车辆位置信息、车道信息和车速信息。

S2、当本车进入引导范围时，根据获取的本车的车辆信息，判断车辆是否在允许变道的路段范围内，若是，则进入S3，若否则进入S4。

S3、车道建议：比较相邻车道前车到达停车线的时间的大小，选取时间最短的车道作为目标车道，建议本车换到该目标车道上。

S3具体步骤如下：

3.1、预测各车道车辆排队消散的时间，其计算方法如下：

T_{d} = T_{g} + \frac{Q}{S} + t_{c}

3.3、按如下步骤确定车辆的目标车道：

a.获取本车所在车道排队队尾车辆的位置信息；

b.预测队尾车辆到达停车线的时间t，其计算方法如下：

t = \sqrt{\frac{2 D}{a}}

c.预测本车到达停车线的时间T_本：

T_本＝t+t_h安N

S4、车速建议：在没有前车时建议车速为该路段范围最大限速值，在有前车时根据本车与前车之间车头时距确定加速或减速策略，并计算本车的安全速度范围，选取安全车速范围内10km/h的整数倍的车速值作为备选车速，核算本车按照备选车速行驶到停车线时，其与前车之间是否满足安全车头时距要求，选取满足安全车头时距要求的最大备选车速作为引导车速，建议给本车。

S4存在前车时，

4.1、计算当前时刻本车与前车车头时距t_h：

t_{h} = \frac{D_{n} - D_{n - 1}}{v_{n}}

4.2、确定本车的安全速度范围：

v_{g_{m a x}} = v_{n} + a (\frac{D_{n - 1}}{v_{n - 1}} + t_{h}), v_{g_{\min}} = v_{n} - d (\frac{D_{n - 1}}{v_{n - 1}} + t_{h}),

d.确定引导车速：

选取安全车速范围内10km/h的整数倍的车速值作为备选车速，核算本车按照备选车速行驶到停车线时，其与前车之间是否满足安全车头时距要求，选取满足安全车头时距要求的最大备选车速作为引导车速。其计算方法如下：

(1)本车加速，则应满足不等式：

\frac{D_{n - 1}}{v_{n - 1}} + t_{h} \leq \frac{D_{n} - \frac{v_{g}^{2} - v_{n}^{2}}{2 a}}{v_{g}} + \frac{v_{g} - v_{n}}{a} \leq t_{g}

选取区间内满足不等式的最大备选车速，作为引导车速v_g。

(2)本车减速，则应该满足不等式：

\frac{D_{n - 1}}{v_{n - 1}} + t_{h} \leq \frac{D_{n} - \frac{v_{n}^{2} - v_{g}^{2}}{2 d}}{v_{g}} + \frac{v_{n} - v_{g}}{d} \leq t_{g}

选取满足不等式的最大备选车速，作为引导车速v_g。

{SM}_{n} (t) = \frac{v_{n} (t) \cdot t_{d} + \frac{{[v_{n} (t)]}^{2}}{2 d_{n} (t)} - \frac{{[v_{n - 1} (t)]}^{2}}{2 d_{n - 1} (t)}}{D_{n}},

在具体实施时，可设定周期时间，例如5秒，每周期执行一次上述步骤。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于车路协同的信号控制交叉口车速引导系统，其特征在于：它包括：

{SM}_{n} (t) = \frac{v_{n} (t) \cdot t_{d} + \frac{{[v_{n} (t)]}^{2}}{2 d_{n} (t)} - \frac{{[v_{n - 1} (t)]}^{2}}{2 d_{n - 1} (t)}}{D_{n}},

2.根据权利要求1所述的基于车路协同的信号控制交叉口车速引导系统，其特征在于：车速引导建议模块包括：

3.利用权利要求2所述的基于车路协同的信号控制交叉口车速引导系统实现的车速引导方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S3、车道建议：

S4、车速建议：

{SM}_{n} (t) = \frac{v_{n} (t) \cdot t_{d} + \frac{{[v_{n} (t)]}^{2}}{2 d_{n} (t)} - \frac{{[v_{n - 1} (t)]}^{2}}{2 d_{n - 1} (t)}}{D_{n}},

4.根据权利要求3所述的车速引导方法，其特征在于：所述的S3具体步骤如下：

3.1、预测各车道车辆排队消散的时间，其计算方法如下：

T_{d} = T_{g} + \frac{Q}{S} + t_{c}

3.3、按如下步骤确定车辆的目标车道：

a.获取本车所在车道排队队尾车辆的位置信息；

b.预测队尾车辆到达停车线的时间t，其计算方法如下：

t = \sqrt{\frac{2 D}{a}}

c.预测本车到达停车线的时间T_本：

T_本＝t+t_h安N

5.根据权利要求3所述的车速引导方法，其特征在于：所述的S4存在前车时，

4.1、计算当前时刻本车与前车车头时距t_h：

t_{h} = \frac{D_{n} - D_{n - 1}}{v_{n}}

4.2、确定本车的安全速度范围：

a.预计本车到达停车线的时间，本车与前车之间要保持安全车头时距，则预计后车到达停车线的时间为

t = \frac{D_{n - 1}}{v_{n - 1}} + t_{h};

v_n-1为当前时刻前车的速度；

v_{g_{m a x}} = v_{n} + a (\frac{D_{n - 1}}{v_{n - 1}} + t_{h}), v_{g_{\min}} = v_{n} - d (\frac{D_{n - 1}}{v_{n - 1}} + t_{h}),

c.比较v_gmax和路段最高限速v_max的及和路段最低限速v_min的大小，当时，本车的安全车速范围是v_n<v_g≤v_max；当时，本车的安全车速范围是当v_gmin≤v_min时，本车的安全车速范围是v_min≤v_g<v_n；当时，本车的安全车速范围是

d.确定引导车速：