CN111047865B - 自动驾驶环境下单向通行道路相交路口通行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动驾驶环境下单向通行道路相交路口通行控制方法，包括：以交叉口中心为确定区中心，建立确定区；实时获取进入系统的车辆位置信息及车辆运行状态信息；确定第一组产生冲突的车辆并计算两种备选方案对应的系统总滞留时间，选择其中系统总滞留时间最小的备选方案。本发明以车路协同和自动驾驶为技术背景，以单向通行道路相交的十字交叉口通行控制为研究对象，考虑系统内车辆的总滞留时间，提出了一种兼顾系统需求和系统优势的两条单向道路相交路口通行控制策略。

Description

自动驾驶环境下单向通行道路相交路口通行控制方法

技术领域

本发明涉及交通管理中的信号控制领域，以车路协同和自动驾驶为背景，自动确定两条单向通行道路相交时的车辆通行控制方案，属于智能交通领域，具体是一种车路协同和自动驾驶环境下单向通行道路相交十字交叉口智能通行控制方法，简称自动驾驶环境下单向通行道路相交路口通行控制方法。

背景技术

车路协同和自动驾驶是交通发展不可避免的两大趋势，该趋势下车辆和道路以及车辆与车辆之间能进行信息的共享，车辆的驾驶主要依赖于车辆控制中心的命令，属于交通的高阶智能化状态。当前，在交通的高阶智能化状态成熟前，十字交叉口的车辆通行控制以信号控制方案为主，该模式和交通的高阶智能化状态并不相容。针对交通的高阶智能化状态，部分研究者提出基于车辆的实时信息对信号控制方案进行优化，或在路口处实行“先到先行”原则，提出的方案或者并未充分发挥交通高阶智能化状态的优势，或者没有兼顾系统的最优化需求。

为给交通高阶智能化状态下的交叉口控制提供更优的通行控制策略，需要以单向通行道路相交十字交叉口为例，提出兼顾系统需求和系统优势的交叉口智能通行控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种车路协同和自动驾驶环境下单向通行道路相交十字交叉口智能通行控制方法，本发明以车路协同和自动驾驶为技术背景，以单向通行道路相交的十字交叉口通行控制为研究对象，考虑系统内车辆的总滞留时间，提出了一种兼顾系统需求和系统优势的两条单向道路相交路口通行控制策略，给交通高阶智能化状态下的交叉口控制提供更优的通行控制策略。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种自动驾驶环境下单向通行道路相交路口通行控制方法，包括：

(1)定义基本参数，所述基本参数包括车长、车宽、车速v_max、加速度a、同向最小车头时距t₁、异向最小车头时距t₂和道路宽度；

(2)以交叉口中心为确定区中心，建立一个b×b的确定区，其中b为确定区宽度；

(3)将两条单向通行道路的运行方向分别记为a方向和c方向，系统中a方向车辆数为m，c方向车辆数为n；记a方向第x辆车预计到达交叉口中心的时间为t_ax，记c方向第y辆车预计到达交叉口中心的时间为t_cy；

当任一方向有车辆触碰确定区边界时，触发优化程序；

所述优化程序包括以下步骤：

(3.1)当|t_ax-t_cy|<t₂时，则认为a方向上的车辆x和c方向的车辆y产生冲突；按照上述判断方法找出a方向和c方向上第一组产生冲突的车辆，将第一组产生冲突的车辆分别记为车辆ax和车辆cy；

(3.2)确定消除车辆ax和车辆cy冲突的两种备选方案，两种备选方案包括：车辆ax先行和车辆cy先行；

比较两种备选方案的系统总滞留时间，选择其中系统总滞留时间最小的备选方案，该备选方案为消除该车辆ax和车辆cy冲突的最优解；

(3.3)提取最优解中每个车辆对应的滞留时间D，计算出每个车辆对应的减速行驶时间和加速行驶时间；

(3.4)根据计算出的每个车辆对应的加速行驶时间和减速行驶时间生成对应车辆指令，根据车辆指令控制滞留车辆行驶；

(3.5)继续搜索车辆行驶状态变化后系统中a方向和c方向上第一组产生冲突的车辆，循环步骤(3.1)至步骤(3.5)直至没有冲突的车辆。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的确定区宽度b的计算公式为：确定区宽度＝道路宽度+车辆紧急制动至停止所行驶路程×2，其中车辆紧急制动至停止所行驶路程为

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤(3.2)具体包括：

(3.2.1)确定消除车辆ax和车辆cy冲突的两种备选方案，两种备选方案包括：车辆ax先行和车辆cy先行；

(3.2.2)针对车辆ax先行的备选方案，系统总滞留时间为c方向上车辆总滞留时间，则：

记优化后的c方向上第y辆车到达交叉口中心的时间为t_cy’,则t_cy’＝t_ax+t₂，此时产生滞留时间D_cy＝t_cy’-t_cy；

若t_c(y+1)-t_cy’≥t₁，则c方向上第y辆车车速的变化没有对后续车辆产生影响，后续车辆不再产生滞留时间；

若t_c(y+1)-t_cy’<t₁，则c方向上第y辆车车速的变化对后续车辆产生影响，c方向上第(y+1)辆车的车速需进行变化，记变化后的c方向上第(y+1)辆车到达交叉口中心的时间为t_c(y+1)’，则t_c(y+1)’＝t_cy’+t₁；此时产生滞留时间D_c(y+1)＝t_c(y+1)’-t_c(y+1)；

同理，递推出c方向上其它需要改变车速的车辆，并计算出每辆需要改变车速车辆对应的滞留时间，每辆需要改变车速车辆对应的滞留时间之和即为系统总滞留时间；

(3.2.3)针对车辆cy先行的备选方案，系统总滞留时间为a方向上车辆总滞留时间，则：

记优化后的a方向上第x辆车到达交叉口中心的时间为t_ax’,则t_ax’＝t_cy+t₂，此时产生滞留时间D_ax＝t_ax’-t_ax；

若t_a(x+1)-t_ax’≥t₁，则a方向上第x辆车车速的变化没有对后续车辆产生影响，后续车辆不再产生滞留时间；

若t_a(x+1)-t_ax’<t₁，则a方向上第x辆车车速的变化对后续车辆产生影响，a方向上第(x+1)辆车的车速需进行变化，记变化后的a方向上第(x+1)辆车到达交叉口中心的时间为t_a(x+1)’，则t_a(x+1)’＝t_ax’+t₁；此时产生滞留时间D_a(x+1)＝t_a(x+1)’-t_a(x+1)；

同理，递推出a方向上其它需要改变车速的车辆，并计算出每辆需要改变车速车辆对应的滞留时间，每辆需要改变车速车辆对应的滞留时间之和即为系统总滞留时间；

(3.2.4)比较两种备选方案的系统总滞留时间，选择其中系统总滞留时间最小的备选方案，该备选方案为消除该车辆ax和车辆cy冲突的最优解。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤(3.3)具体包括：

(3.3.1)对于需要改变车速的车辆，若其滞留时间

时，则该车辆需减速经过交叉口中心点后再加速至v_max；则该车辆的t_减速、t_停车和t_加速分别为：

t_停车＝0s，

其中v_x表示车辆的时刻速度：t_减速表示车辆以恒定加速度a减速行驶时间，t_停车表示车辆停车时间，t_加速表示车辆以恒定加速度a加速行驶时间；

对于需要改变车速的车辆，若其滞留时间

时，则该车辆需减速，并在交叉口前停车等待通行，之后加速至v_max；则该车辆的t_减速、t_停车和t_加速分别为：

(3.3.2)按照步骤(3.3.1)的方法确定每个需要改变车速的车辆对应的减速行驶时间t_减速和加速行驶时间t_加速。

本发明的有益效果为：本发明以车路协同和自动驾驶为技术背景，以单向通行道路相交的十字交叉口通行控制为研究对象，考虑系统内车辆的总滞留时间，提出了一种兼顾系统需求和系统优势的两条单向道路相交路口通行控制策略，给交通高阶智能化状态下的交叉口控制提供更优的通行控制策略。充分发挥交通高阶智能化状态的优势。

附图说明

图1为本实施例确定区说明图。

图2为本实施例道路方向说明图。

图3为本实施例预计车头时距说明图。

图4为本实施例优化程序触发说明图。

图5为本实施例车辆运行模型。

图6为本实施例另一种车辆运行模型。

图7为本实施例系统流程图。

具体实施方式

下面根据图1至图7对本发明的具体实施方式作出进一步说明：

车路协同和自动驾驶环境下单向通行道路相交十字交叉口智能通行控制方法。具体步骤如下：

第一步：定义基本参数：

车长：4.8m；车宽：1.9m；车速v_max：40km/h；加速度a：8m/s²；同向最小车头时距：t₁＝1.18s；异向最小车头时距：t₂＝0.6s；道路宽度＝3.5m。

车辆生成时速度均为v_max＝40km/h，车辆做变速运动时加速度a恒为8m/s²。

其中同向最小车头时距表示同一车道上行驶的车辆队列中，两连续车辆车头端部通过某一断面的最小时间间隔。异向最小车头时距表示邻向车道上行驶的车辆队列中，两连续车辆车头端部通过某一断面的最小时间间隔。

第二步：交通通行环境描述：

以交叉口中心为确定区中心，建立一个19m×19m的确定区，用于触发优化程序的运行。确定区说明图如图1所示。

确定区宽度＝交叉口宽度+车辆紧急制动至停止所行驶路程×2，即

系统利用车路协同和自动驾驶的数据互联得出每辆车辆的实时位置信息及车辆运行状态并实时上传数据至系统控制中心。根据车辆实时信息，可得出车辆到达交叉口中心点的预计时间点信息。

第三步：确定车辆通行状态：

两条单向通行道路的运行方向分别记为a方向、c方向，a方向车辆数为m，c方向车辆数为n。道路方向说明图如图2所示。

记a方向第x辆车预计到达交叉口中心的时间为t_ax，记c方向第y辆车预计到达交叉口中心的时间为t_cy。预计车头时距说明图如图3所示。其中

当任一方向有车辆触碰确定区边界时，优化程序被触发。优化程序触发说明图如图4所示。

优化程序包括以下步骤：

1)根据a方向和c方向上车辆到达交叉口中心点的时间依次进行判断，当|t_ax-t_cy|<t₂时，则认为a方向上的车辆x和c方向的车辆y产生冲突。若两个方向上车辆运行不产生冲突，则所有车辆按照当前状态进行运行，直至a方向和c方向中有任一方向车辆完全通过确定区边界，之后待任一方向有车辆再次触碰确定区边界时，重新启动优化程序；若两个方向上有车辆可能产生冲突，则根据以上判断依据找出a方向和c方向上第一组产生冲突的车辆，分别记为车辆ax和车辆cy。

2)消除车辆x和车辆y冲突的方案有两种，方案一：车辆ax先行；方案二：车辆cy先行。通过计算两种备选方案下系统可能的总滞留时间D，来决定采取哪种方案。

对于方案一，系统总滞留时间为c进口道车辆总滞留时间。

记优化后的c方向第y辆车到达交叉口中心的时间为t_cy’,则t_cy’＝t_ax+t₂。此时产生滞留时间D_cy＝t_cy’-t_cy。

若t_c(y+1)-t_cy’≥t₁，则c方向第y辆车车速的变化没有对后续车辆产生影响，后续车辆不再产生滞留时间。

若t_c(y+1)-t_cy’<t₁，则c方向第y辆车车速的变化对后续车辆产生影响，c方向第(y+1)辆车的车速需进行变化，记变化后的c方向第(y+1)辆车到达交叉口中心的时间为t_c(y+1)’，则t_c(y+1)’＝t_cy’+t₁。此时产生滞留时间D_c(y+1)＝t_c(y+1)’-t_c(y+1)。同理，可递推出c方向上其它需要改变车速的车辆，并算出每辆需要改变车速车辆对应的滞留时间，每辆需要改变车速车辆对应的滞留时间之和即为系统总滞留时间。

对于方案二，系统总滞留时间为a进口道车辆总滞留时间。滞留时间计算方式同方案一。

比较两种备选方案的系统总滞留时间，选择总滞留时间最小的方案，该方案即为消除该组冲突车辆方案的最优解。

3)提取该最优解中每辆车对应的滞留时间D，通过车辆运行模型计算出每个车辆对应的减速时间。该车辆运行模型可分为两种情况。t_加速表示车辆以恒定加速度a＝8m/s²变速行驶时间，t_减速表示车辆以恒定减速度a＝8m/s²变速行驶时间时间，t_停车表示车辆停车时间，S1表示车辆在原预计距交叉口中心点车头时距内因执行减速指令而造成的路程延误，S2表示为便于求解S1＝S3而增加的辅助面积，S3表示车辆在滞留时间内所弥补的车辆因执行减速指令而造成的路程延误。

3.1)对于需要调整速度的车辆，当其滞留时间

时，该车辆需减速经过交叉口中心点后再加速至v_max。车辆运行过程如图5所示。车辆一般都是按照v_max行驶的，v_x是指车辆在触发算法的时刻速度，即本实施例的车辆运行模型对于车辆在触发算法前因受到其他影响因素而减速的情况也同样适用。

车辆行驶至交叉口中心点的距离一定，因此有：S1＝S3；即：S1+S2＝S3+S2；可推导：

则

t_停车＝0s；

3.2)当

时，车辆需减速，并在交叉口前停车等待通行，之后加速至v_max。车辆运行过程如图6所示。

车辆行驶至交叉口中心点的距离一定，因此有：S1＝S3；即：S1+S2＝S3+S2；可推导：

4)根据车辆运行模型计算出的每辆车辆对应的加速行驶时间和减速行驶时间生成对应车辆指令，指令滞留车辆根据车辆运行模型行驶。

5)继续搜索车辆行驶状态变化后系统中第一组冲突车辆(冲突点)，循环以上内容直至没有冲突车辆。系统流程图如图7所示。

具体案例分析：

第一步：定义基本参数：

车长：4.8m；车宽：1.9m；车速：40km/h；加速度：8m/s²；同向最小车头时距：t₁＝1.18s；异向最小车头时距：t₂＝0.6s；同向可供穿插最小车头时距t₃＝1.20s；道路宽度＝3.5m；车辆生成时速度均为v_max＝40km/h，车辆做变速运动时加速度a恒为8m/s²。其中同向最小车头时距表示同一车道上行驶的车辆队列中，两连续车辆车头端部通过某一断面的最小时间间隔。异向最小车头时距表示邻向车道上行驶的车辆队列中，两连续车辆车头端部通过某一断面的最小时间间隔。

第二步：交通通行环境描述：

以交叉口中心为确定区中心，建立19m×19m确定区。

系统利用车路协同实时监测车辆位置和车辆运行状态。

在此实例中，各方向输入车辆距离交叉口中心的距离为：

a方向：x_a1＝7.75m；x_a2＝22m；c方向：x_c1＝8m；x_c2＝22m；x_c3＝47m。

并由此算出各车辆预计到达交叉口中心的时间为：

a方向：t_a1＝0.70s；t_a2＝1.98s；c方向：t_c1＝0.72s；t_c2＝1.98s；t_c3＝4.23s。

第三步：确定车辆通行状态：

由t_a1＝0.70s，t_c1＝0.72s可得|t_a1-t_c1|＝0.02s<0.6s，确定第一组冲突车辆为车辆a₁和车辆c₁。

方案一：a₁先走，c₁后走。此时：

t_c1’＝t_a1+0.6＝0.70+0.6＝1.30s，D_c1＝t_c1’-t_c1＝1.30-0.72＝0.58s；

t_c2-t_c1’＝1.98-1.30＝0.68s<1.18s；

t_c2’＝t_c1+1.18＝1.30+1.18＝2.48s，D_c2＝t_c2’-t_c2＝4.22-4.13＝0.09s；

t_c3-t_c2’＝4.23-2.48＝1.75s>1.18s，D_c3＝0s；

此时a方向：t_a1＝0.70s，t_a2＝1.98s；c方向：t_c1’＝1.30s，t_c2’＝2.48s，t_c3＝4.23s；

D₁＝D_c1+D_c2+D_c3＝0.58+0.09+0＝0.67s。

方案二：c₁先走，a₁后走。此时：

t_a1’＝t_c1+0.6＝0.72+0.6＝1.32s，D_a1＝t_a1’-t_a1＝1.32-0.70＝0.62s；

t_a2-t_a1’＝1.98-1.32＝0.66s<1.18s；

t_a2’＝t_a1’+1.18＝1.32+1.18＝2.50s，D_a2＝t_a2’-t_a2＝2.50-1.98＝0.52s；

此时a方向：t_a1’＝1.32s，t_a2’＝2.50s；c方向：t_c1＝0.72s，t_c2＝1.98s，t_c3＝4.23s；

D₂＝D_a1+D_a2＝0.62+0.52＝1.14s。

比较得：D1<D2，采用方案一。

可判断每辆滞留车辆均满足

则可计算每辆滞留车辆的加速行驶时间t_加速，减速行驶时间t_减速。

t_减速c1＝1.27s，t_加速c1＝1.27s。t_减速c2＝0.50s，t_加速c2＝0.50s。

变化后系统各车辆预计车头时距为：

a方向：t_a1＝0.70s，t_a2＝1.98s；c方向t_c1’＝1.30s，t_c2’＝2.48s，t_c3＝4.23s。

继续搜索车辆行驶状态变化后系统中第一组冲突车辆，循环以上内容直至没有冲突车辆。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.自动驾驶环境下单向通行道路相交路口通行控制方法，其特征在于：包括：

(1)定义基本参数，所述基本参数包括车长、车宽、车速v_max、加速度a、同向最小车头时距t₁、异向最小车头时距t₂和道路宽度；

(2)以交叉口中心为确定区中心，建立一个b×b的确定区，其中b为确定区宽度；

(3)将两条单向通行道路的运行方向分别记为a方向和c方向，系统中a方向车辆数为m，c方向车辆数为n；记a方向第x辆车预计到达交叉口中心的时间为t_ax，记c方向第y辆车预计到达交叉口中心的时间为t_cy；

当任一方向有车辆触碰确定区边界时，触发优化程序；

所述优化程序包括以下步骤：

(3.1)当|t_ax-t_cy|<t₂时，则认为a方向上的车辆x和c方向的车辆y产生冲突，找出a方向和c方向上第一组产生冲突的车辆，将第一组产生冲突的车辆分别记为车辆ax和车辆cy；

(3.2)确定消除车辆ax和车辆cy冲突的两种备选方案，两种备选方案包括：车辆ax先行和车辆cy先行；

比较两种备选方案的系统总滞留时间，选择其中系统总滞留时间最小的备选方案，该备选方案为消除该车辆ax和车辆cy冲突的最优解；

(3.3)提取最优解中每个车辆对应的滞留时间D，计算出每个车辆对应的减速行驶时间和加速行驶时间；

(3.4)根据计算出的每个车辆对应的加速行驶时间和减速行驶时间生成对应车辆指令，根据车辆指令控制滞留车辆行驶；

(3.5)继续搜索车辆行驶状态变化后系统中a方向和c方向上第一组产生冲突的车辆，循环步骤(3.1)至步骤(3.5)直至没有冲突的车辆；

所述的确定区宽度b的计算公式为：确定区宽度＝道路宽度+车辆紧急制动至停止所行驶路程×2，其中车辆紧急制动至停止所行驶路程为

2.根据权利要求1所述的自动驾驶环境下单向通行道路相交路口通行控制方法，其特征在于：所述的步骤(3.2)具体包括：

(3.2.1)确定消除车辆ax和车辆cy冲突的两种备选方案，两种备选方案包括：车辆ax先行和车辆cy先行；

(3.2.2)针对车辆ax先行的备选方案，系统总滞留时间为c方向上车辆总滞留时间，则：

记优化后的c方向上第y辆车到达交叉口中心的时间为t_cy’,则t_cy’＝t_ax+t₂，此时产生滞留时间D_cy＝t_cy’-t_cy；

若t_c(y+1)-t_cy’≥t₁，则c方向上第y辆车车速的变化没有对后续车辆产生影响，后续车辆不再产生滞留时间；

若t_c(y+1)-t_cy’<t₁，则c方向上第y辆车车速的变化对后续车辆产生影响，c方向上第(y+1)辆车的车速需进行变化，记变化后的c方向上第(y+1)辆车到达交叉口中心的时间为t_c(y+1)’，则t_c(y+1)’＝t_cy’+t₁；此时产生滞留时间D_c(y+1)＝t_c(y+1)’-t_c(y+1)；

同理，递推出c方向上其它需要改变车速的车辆，并计算出每辆需要改变车速车辆对应的滞留时间，每辆需要改变车速车辆对应的滞留时间之和即为系统总滞留时间；

(3.2.3)针对车辆cy先行的备选方案，系统总滞留时间为a方向上车辆总滞留时间，则：

记优化后的a方向上第x辆车到达交叉口中心的时间为t_ax’,则t_ax’＝t_cy+t₂，此时产生滞留时间D_ax＝t_ax’-t_ax；

若t_a(x+1)-t_ax’≥t₁，则a方向上第x辆车车速的变化没有对后续车辆产生影响，后续车辆不再产生滞留时间；

若t_a(x+1)-t_ax’<t₁，则a方向上第x辆车车速的变化对后续车辆产生影响，a方向上第(x+1)辆车的车速需进行变化，记变化后的a方向上第(x+1)辆车到达交叉口中心的时间为t_a(x+1)’，则t_a(x+1)’＝t_ax’+t₁；此时产生滞留时间D_a(x+1)＝t_a(x+1)’-t_a(x+1)；

同理，递推出a方向上其它需要改变车速的车辆，并计算出每辆需要改变车速车辆对应的滞留时间，每辆需要改变车速车辆对应的滞留时间之和即为系统总滞留时间；

(3.2.4)比较两种备选方案的系统总滞留时间，选择其中系统总滞留时间最小的备选方案，该备选方案为消除该车辆ax和车辆cy冲突的最优解。

3.根据权利要求2所述的自动驾驶环境下单向通行道路相交路口通行控制方法，其特征在于：所述的步骤(3.3)具体包括：

(3.3.1)对于需要改变车速的车辆，若其滞留时间

时，则该车辆需减速经过交叉口中心点后再加速至v_max；则该车辆的t_减速、t_停车和t_加速分别为：

t_停车＝0s，

其中v_x表示车辆的时刻速度：t_减速表示车辆以恒定加速度a减速行驶时间，t_停车表示车辆停车时间，t_加速表示车辆以恒定加速度a加速行驶时间；

对于需要改变车速的车辆，若其滞留时间

时，则该车辆需减速，并在交叉口前停车等待通行，之后加速至v_max；则该车辆的t_减速、t_停车和t_加速分别为：

(3.3.2)按照步骤(3.3.1)的方法确定每个需要改变车速的车辆对应的减速行驶时间t_减速和加速行驶时间t_加速。

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