CN106875710A - 一种面向网联自动驾驶车辆的交叉口自组织控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向网联自动驾驶车辆的交叉口自组织控制方法，包括：根据交叉口各进口道的流向对所有车辆进行分组，流向互不冲突的车辆分为一组；各进口道上的车辆以控制单元为中心形成一车队；各进口道上的第一个控制单元通信将自身状态作为通过申请信息发送给交叉口控制中心；交叉口控制中心确定第一个通过交叉口的车队，并向对应的控制单元发送通过时间，同时交叉口控制中心向在所述通过时间内能够完成通过的、与所述第一个通过交叉口的车队属于同组的控制单元发送所述通过时间；获得通过时间的控制单元根据所述通过时间生成行驶轨迹。与现有技术相比，本发明可以提高车辆行驶自主性，消除通信时延对网联车辆在交叉口处行驶带来的安全隐患。

Description

一种面向网联自动驾驶车辆的交叉口自组织控制方法

技术领域

本发明涉及道路交叉口车辆控制技术研究领域，尤其是涉及一种面向网联自动驾驶车辆的交叉口自组织控制方法。

背景技术

随着无线通信技术和智能车辆技术的不断发展，车联网成为物联网最活跃的分支，在智能交通领域备受关注，是当今国际公认的提高行车安全、提升运输效率和实现节能减排的最佳手段。

而事实上，真正制约交通运输效率和行车安全的一个核心问题就是在交叉口处的通行权分配问题。目前在国外已经有了相应的控制方法，但是其方法中仍存在控制对象几乎均为单车；被控制车队缺乏灵活性和自主性，没有自主规划轨迹的权力；对于交通的变化性考虑较少的问题。

因此，建立一个控制对象粒度丰富(单车或车队)、体现自主规划能力的基于滚动优化的面向网联自动驾驶车辆的交叉口自组织控制方法是非常必要的，不仅有助于车联网技术的发展应用，同时对于提升无信号交叉口的运行效率和安全水平有着重要的意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种面向网联自动驾驶车辆的交叉口自组织控制方法，该方法在保证安全的前提下，以控制单元(单车或车队)为控制对象，通过滚动优化通过顺序以及轨迹自主优化，达到提高交叉口通行效率、降低交叉口延误的目的。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种面向网联自动驾驶车辆的交叉口自组织控制方法，该方法在系统最优的基础上，实现了对交叉口处的网联自动驾驶车辆的协同控制。应用比较成熟的预约思想，结合通过时间最小为原则的滚动优化算法对交叉口处的联网自动驾驶车辆进行控制，这些车辆可以是单独行驶，也可以是编队行驶。交叉口控制中心计算当前每个进口道第一个控制单元的通过时间和冲突点，实时更新通过顺序，控制单元根据所给的冲突点的通过时间自行进行轨迹规划。

该方法包括以下步骤：

1)每个交叉口处设置有一交叉口控制中心，每个车辆行驶至交叉口处停车，根据交叉口各进口道的流向对所有车辆进行分组，流向互不冲突的车辆分为一组；

2)交叉口各进口道上的车辆以控制单元为中心形成一车队，所述控制单元为同时与交叉口控制中心及车队中其他车辆通信的车辆；

3)交叉口控制中心与各进口道上的第一个控制单元通信，所述第一个控制单元将自身状态作为通过申请信息发送给交叉口控制中心；

4)将所有进口道通过时间设为无穷大，交叉口控制中心根据交叉口冲突点与所述通过申请信息确定第一个通过交叉口的车队，并向对应的控制单元发送通过时间，同时交叉口控制中心向在所述通过时间内能够完成通过的、与所述第一个通过交叉口的车队属于同组的控制单元发送所述通过时间；

5)获得通过时间的控制单元根据所述通过时间生成行驶轨迹，驶出交叉口；

6)返回步骤1)，实时根据各控制单元的最新状态计算通过顺序。

所述步骤1)中，每个车辆在进入控制范围后与交叉口控制中心通信，若车辆前方有其他车辆，则按跟车模型停车，若车辆前方无其他车辆，则采用由交叉口控制中心计算的加速度在停车线前停车。

所述车队至少包含一辆车。

所述控制单元实时更新自身状态，所述自身状态包括位置、目的方向和粒度大小。

所述步骤4)中，确定第一个通过交叉口的车队具体为：计算各进口道第一个控制单元通过交叉口给其他所有车队造成的延误，选择总体延误最小的控制单元作为第一个通过交叉口的车队。

计算某一进口道第一个控制单元通过交叉口给其他所有车队造成的延误时，与该第一个控制单元属于同组的车队通过时间从当前时间点开始计算，其他车队通过时间从该第一个控制单元驶出交叉口时间点开始计算。

与现有技术相比，本发明不仅有助于车联网技术的发展应用，同时可以提高车辆行驶自主性，消除通信时延对网联车辆在交叉口处行驶带来的安全隐患，对于提升交叉口的运行效率和安全水平有着重要的意义，具有以下优点：

1、本方法控制粒度灵活，既可以控制单车，也可以控制车队，一方面提高了路段方面的交通组织和控制的灵活性，另一方面通过车队的内部一致性提高了交叉口通行能力，而传统的针对单车的交叉口控制模型是利用可穿越间隙通行的，会受到可穿越间隙的限制从而使通行能力具有上限，本方法则可消除这种影响；

2、本方法考虑了控制单元的自主性，在交叉口处不是全程接管控制单元的行驶轨迹，而是给控制单元一个通过时间并让其自主规划，这样做一方面有利于车辆技术的发展，车辆可以通过时间点和地点对自己做出最舒适、最环保的轨迹规划，另一方面会降低时延对交通安全的影响，如果是全程接管，一旦出现较大的时延，可能就会带来严重的交通事故，而本方法则可以消除这类安全隐患；

3、本方法采用了滚动优化思想，从优化策略上来看，由于车辆不断到达的特性使得在建模中很难去定义和获取真正的全局最优解，因此采用滚动优化思路进行控制更加有效；

4、本方法对车辆进行了分组，可方便适用于多车道的运行控制，提高道路通行能力。

5、经过仿真，本方法在通过量小于2000pcu/(ln·h)时，模型延误稳定在5秒以内，在通过量小于4000pcu/(ln·h)的情况下延误为25秒以内，且在更大的到达量情况下保持稳定，未出现相变。

附图说明

图1为本发明的总体流程图；

图2为本发明的控制单元示意图；

图3为本发明实施例的应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例基于以下假设：

(1)实施例处于车联网环境下，交叉口设置中心控制器，所有车辆可以实现车-车通信和车-路通信，所需信息可以通过车-车通信和车-路通信进行传输；

(2)信息传输和处理的速度相比车辆速度足够快，过程中延迟可忽略；

(3)不考虑行人和非机动车的影响。

如图1所示，本实施例提供一种面向网联自动驾驶车辆的交叉口自组织控制方法，包括以下步骤：

1)每个交叉口处设置有一交叉口控制中心，每个车辆行驶至交叉口处停车，根据交叉口各进口道的流向对所有车辆进行分组，流向互不冲突的车辆分为一组，即不同组间的流向不可同时放行，一个组内的各流向可以同时放行。每个车辆在进入控制范围后与交叉口控制中心通信，若车辆前方有其他车辆，则按跟车模型停车，若车辆前方无其他车辆，则采用由交叉口控制中心计算的加速度在停车线前停车。

2)交叉口各进口道上的车辆以控制单元为中心形成一车队，每个车队至少包含一辆车，所述控制单元为同时与交叉口控制中心及车队中其他车辆通信的车辆，控制单元实时更新自身状态，所述自身状态包括位置、目的方向和粒度大小(即车辆数目)。若有车辆加入某个控制单元，通知该控制单元车辆，更新控制单元状态。如图2中具有填充色的车辆为控制单元车辆。

3)交叉口控制中心与各进口道上的第一个控制单元通信，所述第一个控制单元将自身状态作为通过申请信息发送给交叉口控制中心。

4)将所有进口道通过时间设为无穷大，交叉口控制中心根据交叉口冲突点与所述通过申请信息确定第一个通过交叉口的车队，并向对应的控制单元发送通过时间，同时交叉口控制中心向在所述通过时间内能够完成通过的、与所述第一个通过交叉口的车队属于同组的控制单元发送所述通过时间。

确定第一个通过交叉口的车队具体为：计算各进口道第一个控制单元通过交叉口给其他所有车队造成的延误，选择总体延误最小的控制单元作为第一个通过交叉口的车队。计算某一进口道第一个控制单元通过交叉口给其他所有车队造成的延误时，与该第一个控制单元属于同组的车队通过时间从当前时间点开始计算，其他车队通过时间从该第一个控制单元驶出交叉口时间点开始计算。

5)获得通过时间的控制单元根据所述通过时间进行自组织路径规划生成行驶轨迹，只要保证可以在指定时间点到达冲突点即可。

6)返回步骤1)，实时根据各控制单元的最新状态计算通过顺序。

本实施例的应用场景设定为一条双向两车道的交叉口，不考虑转向车辆，控制范围100米，设计确认第一个通过交叉口的车队的计算模型为：

min f＝(t_j-t_u)*∑(m_i-m_j)-t_jl*m_j，i＝1,2,3,4且i≠j

s.t.

其中：

f——j先通过给交叉口带来的总体延误；

t_i——第i个进口道第一个未放行车队全车队通过交叉口所用时间，i＝1,2,3,4；

x_k——第k个进口道未放行车队数量，k＝1,2,3,4；

y_k——第k个进口道第一个未放行车队至交叉口距离；

v_k——第k个进口道第一个未放行车队的车速；

l_i——第i个进口道未放行车队的车队长度；

t_ij——冲突点在先放行i车队再放行j车队的情况下的最小清空时间，i＝1,2,3,4，j＝1,2,3,4；

m_i——第i个车队车辆数目；

lj_i——第i个冲突点的逻辑值，在数值上等于该冲突点上最先到达车队的进口道编号；

i——被放行的第一个车队的进口道编号；

u——最优车队编号，若当前通过交叉口控制单元为同组车辆，则u为当前通过交叉口的最优控制单元，若非同组车辆则u为nobody；

t_jl——j车队占用冲突点的最小时间；

lj_j——判断是否放行正在放行的对向车辆的逻辑值；

∑——表示由于车队j通过导致的i车队滞留车辆数，即若不是j优先通行而是i优先通行，则i在j车队通过完成的时间点应当通过了m_j辆车，即造成影响的有m_i-m_j辆车。

若根据上述计算模型获得的i作为第一个通过交叉口车队对应的进口道编号，则其通过时间为

优先通过交叉口的控制单元对应的车队为优先车队，该优先车队在其路径上各冲突点处均处于优先地位，优先车队以给定的时间点通过交叉口。在获得第一个通过交叉口的车队后，还需要对其他车队的通过时间点进行确定。在本实施例中，其他车队包括侧向车队和对向车队，计算各侧向车队在优先车队通过后通过所需的时间，计算对向车队在优先车队放行后同时放行通过所需的时间，判断对向车队带来的总体延误是否小于侧向车队带来的总体延误，若是对向车队优先放行，侧向车队重新进行顺序计算，若否，则所有其他车队(包括对向车队和侧向车队)均重新进行顺序计算，如图1所示。

如图3所示，根据如下公式确定次优控制单元为对象还是侧向控制单元，该过程即为保证若当前正在通过的最优控制单元与本控制单元为同组则其开始通过时间从当前时间点开始计算，否则从最优控制单元驶出交叉口时间点开始计算：

t_jl——j车队占用冲突点的最小时间；

lj_j——判断是否放行正在放行的对向车辆的逻辑值

如果lj_j＝1，给j进口道第一个控制单元发送通过命令，通过时间区间[t_i，t_ij]。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种面向网联自动驾驶车辆的交叉口自组织控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)每个交叉口处设置有一交叉口控制中心，每个车辆行驶至交叉口处停车，根据交叉口各进口道的流向对所有车辆进行分组，流向互不冲突的车辆分为一组；

2)交叉口各进口道上的车辆以控制单元为中心形成一车队，所述控制单元为同时与交叉口控制中心及车队中其他车辆通信的车辆；

3)交叉口控制中心与各进口道上的第一个控制单元通信，所述第一个控制单元将自身状态作为通过申请信息发送给交叉口控制中心；

4)将所有进口道通过时间设为无穷大，交叉口控制中心根据交叉口冲突点与所述通过申请信息确定第一个通过交叉口的车队，并向对应的控制单元发送通过时间，同时交叉口控制中心向在所述通过时间内能够完成通过的、与所述第一个通过交叉口的车队属于同组的控制单元发送所述通过时间；

5)获得通过时间的控制单元根据所述通过时间生成行驶轨迹，驶出交叉口；

6)返回步骤1)，实时根据各控制单元的最新状态计算通过顺序。

2.根据权利要求1所述的面向网联自动驾驶车辆的交叉口自组织控制方法，其特征在于，所述步骤1)中，每个车辆在进入控制范围后与交叉口控制中心通信，若车辆前方有其他车辆，则按跟车模型停车，若车辆前方无其他车辆，则采用由交叉口控制中心计算的加速度在停车线前停车。

3.根据权利要求1所述的面向网联自动驾驶车辆的交叉口自组织控制方法，其特征在于，所述车队至少包含一辆车。

4.根据权利要求1所述的面向网联自动驾驶车辆的交叉口自组织控制方法，其特征在于，所述控制单元实时更新自身状态，所述自身状态包括位置、目的方向和粒度大小。

5.根据权利要求1所述的面向网联自动驾驶车辆的交叉口自组织控制方法，其特征在于，所述步骤4)中，确定第一个通过交叉口的车队具体为：计算各进口道第一个控制单元通过交叉口给其他所有车队造成的延误，选择总体延误最小的控制单元作为第一个通过交叉口的车队。

6.根据权利要求5所述的面向网联自动驾驶车辆的交叉口自组织控制方法，其特征在于，计算某一进口道第一个控制单元通过交叉口给其他所有车队造成的延误时，与该第一个控制单元属于同组的车队通过时间从当前时间点开始计算，其他车队通过时间从该第一个控制单元驶出交叉口时间点开始计算。