CN109272748A - 车车通信结合辅助驾驶环境下匝道协同汇入方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车车通信结合辅助驾驶环境下匝道协同汇入方法及系统，该方法中匝道车辆向每一辆建立通信的主路上游车辆发送汇入请求，主路车辆估计出允许匝道车辆汇入的代价，并判断是否接受汇入请求；如果有主路车辆同意匝道车辆在其前方汇入，则匝道车辆选择一辆与其配合进行汇入操作；否则匝道车辆不断发送请求，直到请求被允许，或者直到匝道车辆离停车线小于一定距离，必须减速停车为止。与现有技术相比，本发明能够在匝道车辆准备汇入主路时提前与主路车辆进行协商，并且辅助驾驶系统能够对允许匝道车辆在前方汇入的代价进行估计，帮助驾驶员做出是否接受请求的判断。最终实现匝道车辆顺利汇入主路并使得主路车流受到尽量小的影响。

Description

车车通信结合辅助驾驶环境下匝道协同汇入方法及系统
技术领域
本发明属于交通信号控制中匝道汇入控制领域，具体涉及一种车车通信结合辅助驾驶环境下匝道协同汇入方法及系统。
背景技术
随着各大城市交通基础建设的大力投入，特别是对快速路建设的热情日益高涨。快速路作为城市道路系统的骨架，承担着城市的主要交通流量，能有效缓解城市交通拥堵，提升城市路网的运行效率及服务水平，具有畅通、快速、舒适、方便的特点。但是随着城市交通量的日益剧增，城市快速路正在失去其快速、高效的作用，处理不好反而成为城市交通系统中的拥堵节点。如何采用有效的控制方法提高快速路系统的使用效率，加强快速路系统的交通管制，恢复其应有的功能，已经成为城市所要解决的交通问题的重中之重。
如果快速路的几何设计合理，入口匝道附近的加速车道一般可以保证驶入加速车道的车辆安全地汇入主线车流，但不能保证驶入车辆在汇入主线的过程中不对主线车流产生"挤压"或阻滞作用。如果能采取一定形式的"汇入控制"，则可以减少"挤压"或阻滞，避免出现主线车辆被迫变换车道的情况。
在传统场景下，匝道车辆通过驾驶员自身判断主路车流量，寻找合适的间隙插入主路车流。但匝道车辆和主路车辆缺少协商，常常发生匝道车辆无法汇入主路，或强行汇入主路造成主路车流阻塞的情况。
随着互联网硬件和软件技术的迅速发展，车联网技术也得到了深入研究，车车协同系统进入人们的视野。车车协同系统是指基于无线通信、传感探测等技术获取车辆信息，进行信息交互和共享，实现车辆之间智能协同与配合，达到优化利用系统资源、提高道路交通安全、缓解交通拥堵的目标的一种系统。
但现有研究大多是为合流区车辆提供安全预警和换道提示，对面向车车通信环境下辅助驾驶车辆协同控制方法研究较少，现有研究辅助驾驶系统也不能预测出匝道汇入的代价帮助驾驶员做决策。
发明内容
发明目的：自动驾驶和车车协同技术都在迅猛发展，辅助驾驶是自动驾驶的一个重要阶段，车车通信技术也是车车协同技术的重要组成，针对现有技术的不足，本发明目的在于提供了一种车车通信结合辅助驾驶环境下匝道协同汇入方法及系统，通过车车通信系统进行主路车辆和匝道车辆对汇入进行协商，通过辅助驾驶系统对汇入代价做出估计协助主路驾驶员做决策，帮助其决定是否接受匝道车辆的汇入请求,最终使得匝道车辆顺利汇入主路并使得主路车流受到尽可能小的影响。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种车车通信结合辅助驾驶环境下匝道协同汇入方法，包括以下步骤：
(1)匝道车辆向每一辆建立通信的主路上游车辆发送汇入请求；
(2)接收到所述汇入请求的主路车辆估计出允许匝道车辆汇入的代价，以及如果允许匝道车辆汇入，主路车辆需要保持的加速度与匝道车辆需要保持的加速度，由主路车辆驾驶员根据估计的汇入代价判断是否接受汇入请求，或根据预先设定的是否接受汇入请求的策略判断是否接受汇入请求，并将结果反馈至匝道车辆；其中允许汇入的代价包括汇合时的速度、当前时刻到汇入时刻所需的时间t、以及如果不接受汇入请求t时间后的位置信息；
(3)若存在至少一辆主路车辆接受匝道车辆的汇入请求，则由匝道车辆驾驶员选择一辆主路车辆或根据预设的汇入选择策略选择一辆主路车辆，匝道车辆与选择的主路车辆配合进行汇入操作；否则匝道车辆不断发送请求，直到请求被允许，或者直到匝道车辆离停车线小于设定距离，必须减速停车为止。
进一步地，步骤(2)中，如果允许匝道车辆汇入，主路车辆Ci需要保持的加速度ai在范围S内取值：
其中，下标i为与匝道车辆C0通信的主路车辆的编号，v0为匝道车辆的速度，vi为主路车辆Ci的速度，bm为最大减速度，am为最大加速度，h0为匝道车辆C0与合流汇入点的距离，hi为主路车辆Ci与合流汇入点的距离，hg为汇入时匝道车辆C0与主路车辆Ci的间距；
匝道车辆C0需要保持的加速度a0的计算公式为：
进一步地，步骤(2)中，主路车辆Ci与匝道车辆C0汇合时的速度从当前时刻到汇入时刻所需的时间主路车辆Ci如果不接受匝道车辆C0的汇入请求，Ci经过t时间所行驶的距离x＝vi×t。
作为优选，步骤(2)中，若不满足主路车辆Ci与合流汇入点的距离大于设定的汇入时匝道车辆C0与主路车辆Ci的间距，或者不满足主路车辆速度vi大于匝道车辆速度v0，则不允许主路车辆Ci接受汇入请求。
作为优选，步骤(3)中，匝道车辆与选择的主路车辆配合进行汇入操作时，匝道车辆与被选择的主路车辆按照步骤(2)中计算的加速度行驶，其它主路车辆按照原来的状态行驶。
作为优选，步骤(3)中，在匝道车辆的汇入请求没有被任何一辆主路上游车辆允许时，若匝道车辆与停车线的距离大于则匝道车辆保持当前速度照常行驶，回到步骤(1)继续发送汇入请求；若匝道车辆与停车线的距离不大于d，则匝道车辆以bmax的加速度减速并在停车线前停车等待；其中，v0为匝道车辆的速度，bmax为设定的最大减速度。
进一步地，步骤(3)中，在停车线处等待的过程中，匝道车辆的继续侦察与主路上游第一辆车的距离，若距离大于500m则以不低于3m/s2的加速度全力加速并汇入主路。
进一步地，步骤(1)中，匝道车辆根据获取到的主路车辆的经纬度信息，将建立了通讯联系的主路车辆标记到本车的导航地图上；步骤(2)中，主路车辆将不接受汇入请求t时间后的虚拟位置点标记到本车的导航地图上。
一种实现上述匝道协同汇入方法的车车通信结合辅助驾驶环境下匝道协同汇入系统，包括车车通信系统和辅助驾驶系统；所述车车通信系统分别安装在主路车辆和匝道车辆上，用于主路车辆与匝道车辆之间的通信；所述辅助驾驶系统也分别安装在主路车辆和匝道车辆上，包括如下模块：
汇入请求模块，用于匝道车辆向每一辆建立通信的主路上游车辆发送汇入请求；
汇入评估模块，用于接收到汇入请求的主路车辆估计出允许匝道车辆汇入的代价，以及如果允许匝道车辆汇入，主路车辆需要保持的加速度与匝道车辆需要保持的加速度，由主路车辆驾驶员根据估计的汇入代价判断是否接受汇入请求，或根据预先设定的是否接受汇入请求的策略判断是否接受汇入请求，并将结果反馈至匝道车辆；其中允许汇入的代价包括汇合时的速度、当前时刻到汇入时刻所需的时间t、以及如果不接受汇入请求t时间后的位置信息；
汇入执行模块，用于在存在至少一辆主路车辆接受匝道车辆的汇入请求时，由匝道车辆驾驶员选择一辆主路车辆或根据预设的汇入选择策略选择一辆主路车辆，匝道车辆与选择的主路车辆配合进行汇入操作；
以及汇入被拒处理模块，用于在匝道车辆的汇入请求没有被任何一辆主路上游车辆允许时，匝道车辆不断发送请求，直到请求被允许，或者直到匝道车辆离停车线小于设定距离，必须减速停车为止。
进一步地，所述辅助驾驶系统还包括地图展示模块，用于展示车辆导航地图，以及用于匝道车辆根据获取到的主路车辆的经纬度信息，将建立了通讯联系的主路车辆标记到导航地图上，以及用于主路车辆将不接受汇入请求t时间后的虚拟位置点标记到导航地图上。
有益效果：匝道车辆在车车通信结合辅助驾驶条件下，能够与主路车辆进行科学合理的协同控制。依据本发明的汇入控制策略，匝道车辆和主路车流按照事前协商来决定汇入位置，可以减少"挤压"或阻滞情况的发生，避免出现主线车辆被迫变换车道的情况；而且辅助驾驶系统提供了汇入的代价信息，为主路车辆驾驶员进行决策提供辅助信息，有利于避免人类驾驶员的短视性、盲目性。由此，匝道车辆汇入主路的同时，主路车流受到的干扰尽可能低，达到局部的动态最优效果。
附图说明
图1为本发明实施例的方法流程图。
图2为本发明实施例的场景示意图，包括匝道几何形态、车辆坐标、距离示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明实施例公开的一种车车通信结合辅助驾驶环境下匝道汇入协同方法，使用这种方法的场景是，道路上所有车辆皆安装了辅助驾驶系统，并且依靠车辆之间的通信实现换道汇入的协同。该方法中，匝道车辆向每一辆建立通信的主路上游车辆都发送汇入请求；主路车辆的辅助驾驶系统估计出允许匝道车辆汇入的代价，主路车辆驾驶员根据估计的汇入代价判断是否接受汇入请求；如果有主路车辆同意匝道车辆在其前方汇入，则匝道车辆驾驶员选择其中一辆，与其配合进行汇入操作；否则匝道车辆不断发送请求，直到请求被允许，或者直到匝道车辆离停车线小于一定距离，必须减速停车为止。
与上述匝道协同汇入方法对应的车车通信结合辅助驾驶环境下匝道协同汇入系统，主要包括车车通信系统和辅助驾驶系统两大部分，其中车车通信系统主要用于主路车辆与匝道车辆之间的通信；辅助驾驶系统用于实现汇入协商与指导，主要包括：汇入请求模块，用于匝道车辆向每一辆建立通信的主路上游车辆发送汇入请求；汇入评估模块，用于主路车辆估计出允许匝道车辆汇入的代价，并判断是否接受汇入请求；汇入执行模块，用于在存在至少一辆主路车辆接受匝道车辆的汇入请求时，指导匝道车辆与选择的主路车辆配合进行汇入操作；以及汇入被拒处理模块，用于在匝道车辆的汇入请求没有被任何一辆主路上游车辆允许时，匝道车辆不断发送请求，直到请求被允许，或者直到匝道车辆离停车线小于设定距离，必须减速停车为止。此外，辅助驾驶系统还设地图展示模块，用于展示车辆导航地图，并在导航地图上标记协同汇入的关键信息，如车辆位置点等。
下面结合图2所示具体场景，对本发明实施例的方案做详细说明。一种车车通信结合辅助驾驶环境下匝道协同汇入方法，包括以下步骤：
(1)匝道车辆通过车载车车通信系统，与以自身为圆心，半径一公里(具体值可以根据车车通信范围由系统设定)的圆内的主路上游车辆建立通讯联系，确定建立通讯联系的主路上游车辆的数目n；建立了通讯联系的车辆，可以互相获取对方的静态信息和动态信息；静态信息包括：车牌号、司机姓氏、车辆类型、车辆颜色；动态信息包括：车辆此瞬时的经度、纬度、速度、加速度、所处路段编号、从路段起点到车辆位置的长度(便于将车辆投射到导航地图)；
(2)建立车辆编号：匝道车辆将自身编号为C0，将主路上匝道汇入点上游的车辆以从下游到上游的顺序，根据距离匝道汇入点的远近依次编号为C1、C2……Cn，第i辆主路上游车辆编号为Ci；
(3)根据车辆C1、C2……Cn的经纬度信息，C0把建立了通讯联系的n辆主路车辆标记到本车的导航地图上；
(3)借助车车通信系统，匝道车辆C0向建立了通讯联系的n辆主路上游车辆都发送汇入请求；
(4)建立了通讯联系的n辆主路上游车辆接收匝道车辆C0发送的匝道汇入请求；
(5)主路车辆Ci(i＝1～n)装备的辅助驾驶系统，对允许匝道车辆C0汇入的代价进行估计，以及计算出如果允许匝道车辆C0汇入，主路车辆Ci(i＝1～n)需要保持的加速度ai(i＝1～n)与匝道车辆C0需要保持的加速度a0；
(6)主路上游车辆Ci(i＝1～n)驾驶员，根据Ci辅助驾驶系统计算出的允许汇入代价，决定是否接受匝道车辆汇入；
(6.1)如果主路驾驶员选择接受请求，则Ci发送消息通知匝道车辆C0，告知C0其请求已被接受；
(6.2)如果主路驾驶员选择拒绝请求，Ci也发送消息通知匝道车辆C0，告知C0其请求已被拒绝；
(7)如果匝道车辆C0的请求被多位主路上游车辆所接受，匝道车辆与主路车辆执行如下步骤：
(7.1)匝道车辆C0驾驶员自主选择一辆主路车辆的前方位置进行插入，记被选择的主路车辆为Ce，e是在1到n之间的整数；
(7.2)此时被选中的主路车辆Ce的辅助驾驶系统提醒本车驾驶员按照步骤(5)计算的加速度ae行驶；
(7.3)其他未被选中的主路车辆的辅助驾驶系统提醒本车驾驶员按照原来的状态行驶；
(7.4)匝道车辆C0的辅助驾驶系统也提醒本车驾驶员按照步骤(5)计算的加速度a0行驶。
(8)如果匝道车辆C0的请求没有被任何一辆主路上游车辆允许，且匝道车辆与停车线的距离大于d(其中v0为匝道车辆C0的速度，bmax为最大减速度，默认为3m/s2)，那么匝道车辆C0保持当前速度照常行驶，回到步骤(1)；
(9)如果匝道车辆C0的请求没有被任何一辆主路上游车辆允许，且匝道车辆与停车线的距离不大于d(其中v0为匝道车辆C0的速度，bmax为最大减速度，默认为3m/s2)，匝道车辆以bmax的加速度减速并在停车线前停车等待；
(10)在停车线处等待的过程中，匝道车辆C0的车车通信系统继续侦察C0与主路上游第一辆车的距离h，若距离h大于500m则C0以不低于3m/s2的加速度全力加速并汇入主路；否则匝道车辆C0一直在停车线处，等待距离h满足上述要求。
上述步骤(5)中汇入代价具体估计方法如下：
设匝道车辆的速度为v0，主路车辆Ci的速度为vi，匝道车辆的加速度为a0，主路车辆的加速度为ai。匝道车辆C0与合流汇入点的距离为h0，主路车辆Ci与合流汇入点的距离为hi。令汇入时C0与Ci间距为hg，默认为15m。
要求匝道车辆汇入主路时，C0与Ci保持相同的速度，令该速度为vk。
根据牛顿运动定律，Ci若允许C0在自己前方汇入，应该满足
vk 2＝vi 2+2×ai×(hi-hg)
vk 2＝v0 2+2×a0×h0
整理可得
首先要满足hi-hg>0，否则Ci已经非常靠近汇入点，不可能与C0进行协同配合。
其次要满足主路车辆速度vi大于匝道车辆速度v0，即v0 2-vi 2>0，这样才能有可能使得ai≤0。在进行匝道车辆协同汇入时，本方法不允许主路车辆加速，只能减速。
根据
a0∈[-bm,am]
其中，am表示最大加速度、bm表示最大减速度，它们的默认值均为3m/s2.
得到
并且
ai∈[-bm,0]
令
则最终的ai取值范围为
ai∈S
本策略追求主路车辆Ci受到的干扰尽可能小，即ai要尽可能大。因此取S的上边界作为ai的值。
确定ai的值后，根据a0与ai的关系计算出a0的值。
此时可以计算出Ci与C0汇合时的速度vk:
以及从当前时刻到汇入时刻所需的时间t:
同时，计算出假设Ci如果不接受C0的汇入请求，Ci经过t时间所行驶的距离：
x＝vi×t
根据计算的距离x，按照Ci的预定行程，确定t时间后的虚拟位置点，将该虚拟点标记到Ci的导航地图上。
上文计算出的Ci与C0汇合时的速度vk、当前时刻到汇入时刻所需的时间t、以及如果不接受汇入请求t时刻后的位置点，这三者就是辅助驾驶系统估计的允许匝道车辆C0汇入的代价。
在步骤(6)中，Ci的驾驶员将看到允许汇入的代价，即这三个指标。由驾驶员判断是否愿意接受此代价，以决定是否接受匝道车辆的汇入请求。
此外，系统也可以根据驾驶员预先设定的是否接受汇入请求的策略自动进行选择，如以下六个汇入请求接收策略(单选)：始终接收汇入请求、只接收中型车辆和小型车辆的汇入请求、只接收小型车辆的汇入请求、只接收速度影响不超过某个百分比的汇入请求(例如百分之五十，此百分比可以由车主在系统内设置)、拒绝全部汇入请求。
同样，在步骤(7)中，也可以根据驾驶员预先设定的汇入选择策略自动选择主路车辆，如以下三个汇入选择策略(单选)：选择最靠近的主路车辆、选择要求匝道车辆加速度最大的主路车辆(此时汇入时间最短)、选择要求匝道车辆加速度最小的主路车辆(此时匝道车辆受影响最小，行驶最平稳)。

Claims (10)

1.一种车车通信结合辅助驾驶环境下匝道协同汇入方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)匝道车辆向每一辆建立通信的主路上游车辆发送汇入请求；
(2)接收到所述汇入请求的主路车辆估计出允许匝道车辆汇入的代价，以及如果允许匝道车辆汇入，主路车辆需要保持的加速度与匝道车辆需要保持的加速度，由主路车辆驾驶员根据估计的汇入代价判断是否接受汇入请求，或根据预先设定的是否接受汇入请求的策略判断是否接受汇入请求，并将结果反馈至匝道车辆；其中允许汇入的代价包括汇合时的速度、当前时刻到汇入时刻所需的时间t、以及如果不接受汇入请求t时间后的位置信息；
(3)若存在至少一辆主路车辆接受匝道车辆的汇入请求，则由匝道车辆驾驶员选择一辆主路车辆或根据预设的汇入选择策略选择一辆主路车辆，匝道车辆与选择的主路车辆配合进行汇入操作；否则匝道车辆不断发送请求，直到请求被允许，或者直到匝道车辆离停车线小于设定距离，必须减速停车为止。
2.根据权利要求1所述的车车通信结合辅助驾驶环境下匝道协同汇入方法，其特征在于，步骤(2)中，如果允许匝道车辆汇入，主路车辆Ci需要保持的加速度ai在范围S内取值：
其中，下标i为与匝道车辆C0通信的主路车辆的编号，v0为匝道车辆的速度，vi为主路车辆Ci的速度，bm为最大减速度，am为最大加速度，h0为匝道车辆C0与合流汇入点的距离，hi为主路车辆Ci与合流汇入点的距离，hg为汇入时匝道车辆C0与主路车辆Ci的间距；
匝道车辆C0需要保持的加速度a0的计算公式为：
3.根据权利要求2所述的车车通信结合辅助驾驶环境下匝道协同汇入方法，其特征在于，步骤(2)中，主路车辆Ci与匝道车辆C0汇合时的速度 从当前时刻到汇入时刻所需的时间主路车辆Ci如果不接受匝道车辆C0的汇入请求，Ci经过t时间所行驶的距离x＝vi×t。
4.根据权利要求1所述的车车通信结合辅助驾驶环境下匝道协同汇入方法，其特征在于，步骤(2)中，若不满足主路车辆Ci与合流汇入点的距离大于设定的汇入时匝道车辆C0与主路车辆Ci的间距，或者不满足主路车辆速度vi大于匝道车辆速度v0，则不允许主路车辆Ci接受汇入请求。
5.根据权利要求1所述的车车通信结合辅助驾驶环境下匝道协同汇入方法，其特征在于，步骤(3)中，匝道车辆与选择的主路车辆配合进行汇入操作时，匝道车辆与被选择的主路车辆按照步骤(2)中计算的加速度行驶，其它主路车辆按照原来的状态行驶。
6.根据权利要求1所述的车车通信结合辅助驾驶环境下匝道协同汇入方法，其特征在于，步骤(3)中，在匝道车辆的汇入请求没有被任何一辆主路上游车辆允许时，若匝道车辆与停车线的距离大于则匝道车辆保持当前速度照常行驶，回到步骤(1)继续发送汇入请求；若匝道车辆与停车线的距离不大于d，则匝道车辆以bmax的加速度减速并在停车线前停车等待；其中，v0为匝道车辆的速度，bmax为设定的最大减速度。
7.根据权利要求1所述的车车通信结合辅助驾驶环境下匝道协同汇入方法，其特征在于，步骤(3)中，在停车线处等待的过程中，匝道车辆的继续侦察与主路上游第一辆车的距离，若距离大于500m则以不低于3m/s2的加速度全力加速并汇入主路。
8.根据权利要求1所述的车车通信结合辅助驾驶环境下匝道协同汇入方法，其特征在于，步骤(1)中，匝道车辆根据获取到的主路车辆的经纬度信息，将建立了通讯联系的主路车辆标记到本车的导航地图上；步骤(2)中，主路车辆将不接受汇入请求t时间后的虚拟位置点标记到本车的导航地图上。
9.实现根据权利要求1-8任一项所述的车车通信结合辅助驾驶环境下匝道协同汇入方法的一种车车通信结合辅助驾驶环境下匝道协同汇入系统，其特征在于，包括车车通信系统和辅助驾驶系统；所述车车通信系统分别安装在主路车辆和匝道车辆上，用于主路车辆与匝道车辆之间的通信；所述辅助驾驶系统也分别安装在主路车辆和匝道车辆上，包括如下模块：
汇入请求模块，用于匝道车辆向每一辆建立通信的主路上游车辆发送汇入请求；
汇入评估模块，用于接收到汇入请求的主路车辆估计出允许匝道车辆汇入的代价，以及如果允许匝道车辆汇入，主路车辆需要保持的加速度与匝道车辆需要保持的加速度，由主路车辆驾驶员根据估计的汇入代价判断是否接受汇入请求，或根据预先设定的是否接受汇入请求的策略判断是否接受汇入请求，并将结果反馈至匝道车辆；其中允许汇入的代价包括汇合时的速度、当前时刻到汇入时刻所需的时间t、以及如果不接受汇入请求t时间后的位置信息；
汇入执行模块，用于在存在至少一辆主路车辆接受匝道车辆的汇入请求时，由匝道车辆驾驶员选择一辆主路车辆或根据预设的汇入选择策略选择一辆主路车辆，匝道车辆与选择的主路车辆配合进行汇入操作；
以及汇入被拒处理模块，用于在匝道车辆的汇入请求没有被任何一辆主路上游车辆允许时，匝道车辆不断发送请求，直到请求被允许，或者直到匝道车辆离停车线小于设定距离，必须减速停车为止。
10.根据权利要求9所述的车车通信结合辅助驾驶环境下匝道协同汇入系统，其特征在于，所述辅助驾驶系统还包括地图展示模块，用于展示车辆导航地图，以及用于匝道车辆根据获取到的主路车辆的经纬度信息，将建立了通讯联系的主路车辆标记到导航地图上，以及用于主路车辆将不接受汇入请求t时间后的虚拟位置点标记到导航地图上。
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