CN111243298A - 自动驾驶环境下普通十字交叉口智能通行控制方法 - Google Patents
自动驾驶环境下普通十字交叉口智能通行控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种自动驾驶环境下普通十字交叉口智能通行控制方法，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；找出所有冲突车辆并判断冲突类型；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，以普通双向单车道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普通双向单车道十字交叉口通行控制策略。
Description
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，自动确定普通十字交叉口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普通双向单车道十字交叉口智能通行控制方法，简称自动驾驶环境下普通十字交叉口智能通行控制方法。
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，需要以普通双向单车道十字交叉口为例，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普通双向单车道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，以普通双向单车道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普通双向单车道十字交叉口通行控制策略，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：
自动驾驶环境下普通十字交叉口智能通行控制方法，包括：
(1)定义基本参数，所述基本参数包括车长、车宽、车速vmax、加速度a、同向最小车头时距t1、异向最小车头时距t2、对向车辆是否可加速以同时通过交叉口中心点的车头时距t3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)将双向单车道通行道路的运行方向分别记为a方向、b方向、c方向和d方向，其中a方向和b方向为相对方向，c方向和d方向为相对方向，记a方向第x辆车车头端部预计到达交叉口中心的时间为tax，记b方向第w辆车车头端部预计到达交叉口中心的时间为tbw，记c方向第y辆车车头端部预计到达交叉口中心的时间为tcy，记d方向第z辆车车头端部预计到达交叉口中心的时间为tdz；
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)当任意两个邻向车辆的车头端部预计到达交叉口中心的时间之差的绝对值小于t2时，则认为两邻向上的车辆产生冲突；按照上述判断方法找出距离交叉口最近一组产生冲突的车辆，将最近一组产生冲突的车辆记为车辆ax和车辆cy；
(3.2)确定冲突情况，所述冲突情况有三种可能情况，分别为：两路冲突、三路冲突和四路冲突，其中两路冲突包括方向a中车辆ax与方向c中车辆cy产生冲突，三路冲突包括方向a中车辆ax与方向c中车辆cy产生冲突以及方向a中车辆ax与方向d中车辆dz产生冲突，四路冲突包括方向a中车辆ax与方向c中车辆cy产生冲突、方向a中车辆ax与方向d中车辆dz产生冲突以及方向b中车辆bw与方向c中车辆cy产生冲突；
(3.3)若冲突情况为两路冲突，则：
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；
若冲突情况为三路冲突，则：
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；
若选择的备选方案为车辆cy先行，则需再次判断车辆cy的对向车辆dz是否可以加速以同时通过交叉口中心点，若可以，车辆cy和车辆dz均先行，若不可以，则系统中冲突转变为车辆ax与车辆dz的两路冲突，继续消除车辆ax与车辆dz的两路冲突；
若冲突情况为四路冲突，则：
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；
判断备选方案中先行车辆的对向车辆是否可以加速以同时通过交叉口中心点，若可以，备选方案中的先行车辆与其对向车辆均先行，若不可以，则系统中冲突转变为该对向车辆与其一个邻向的车辆以及该对向车辆与其另一个邻向的车辆的三路冲突，继续消除三路冲突；
(3.4)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；
(3.5)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；
(36)继续搜索车辆行驶状态变化后系统中第一组产生冲突的车辆，循环步骤(3.1)至步骤(3.6)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＝单车道宽度×2+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(3.3)具体包括：
(3.3.1.1)若冲突情况为两路冲突，则：
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；
(3.3.1.2)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tcy’,则tcy’＝tax+t2，此时产生滞留时间Dcy＝tcy’-tcy；
若tc(y+1)-tcy’≥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tc(y+1)-tcy’<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tc(y+1)’，则tc(y+1)’＝tcy’+t1；此时产生滞留时间Dc(y+1)＝tc(y+1)’-tc(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的车辆对应的滞留时间，c方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和即为系统总滞留时间；
(3.3.1.3)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tax’,则tax’＝tcy+t2，此时产生滞留时间Dax＝tax’-tax；
若ta(x+1)-tax’≥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)-tax’<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)’＝tax’+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，a方向上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；
(3.3.1.4)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；
(3.3.2.1)若冲突情况为三路冲突，则：
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；
(3.3.2.2)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和d方向上车辆总滞留时间的总和，则：
同理步骤(3.3.1.2)，分别递推出c方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和以及d方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和，c方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和与d方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和的总和即为系统总滞留时间；
(3.3.2.3)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：
同理步骤(3.3.1.3)，可递推出a方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和，a方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和即为系统总滞留时间；
(3.3.2.4)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；
(3.3.2.5)若选择车辆cy先行的备选方案，则判断对向车辆dz是否可以加速以同时通过交叉口中心点；
则：
若|tdz-tcy|≦t3,则d方向上第z辆车dz可加速至与c方向第y辆车cy同时通过交叉口中心点，确定通行方案为车辆cy和车辆dz均先行；
若|tdz-tcy|>t3,则d方向第z辆车dz不可加速至与c方向第y辆车cy同时通过交叉口中心点，系统中冲突转变为车辆ax与车辆dz的两路冲突，同理步骤(3.3.1.1)至步骤(3.3.1.4)继续消除车辆ax与车辆dz的两路冲突；
(3.3.3.1)若冲突情况为四路冲突，则：
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；
(3.3.3.2)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和d方向上车辆总滞留时间之和，则：
同理步骤(3.3.1.2)，分别递推出c方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和以及d方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和，c方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和与d方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和的总和即为系统总滞留时间；
(3.3.3.3)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和b方向上车辆总滞留时间之和，则：
同理步骤(3.3.1.3)，分别递推出a方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和以及b方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和，a方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和与b方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和的总和即为系统总滞留时间；
(3.3.3.4)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；
(3.3.3.5)判断备选方案中先行车辆的对向车辆是否可以加速以同时通过交叉口中心点；
则：
同理步骤(3.3.2.5)，若对向车辆可加速以同时通过交叉口中心点，确定通行方案为备选方案中先行车辆与其对向车辆均先行；
若对向车辆不可加速以同时通过交叉口中心点，系统中冲突转变为该对向车辆与其一个邻向的车辆以及该对向车辆与其另一个邻向的车辆的三路冲突，同理步骤(3.3.2.1)至步骤(3.3.2.5)继续消除三路冲突。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤(3.4)具体包括：
(3.4.1)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vmax；则该车辆的t减速、t停车和t加速分别为：
t停车＝0s，
其中vx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vmax；则该车辆的t减速、t停车和t加速分别为：
对于判断是否可以加速以同时通过交叉口中心点的对向车辆，若备选方案中的先行车辆车头端部预计到达交叉口中心的时间与其对向车辆车头端部预计到达交叉口中心的时间之差的绝对值小于等于t3，则对向车辆可保持加速以与先行车辆同时通过交叉口中心点，其中
T＝t对向车辆-t先行车辆；V对向车辆表示先行车辆的对向车辆的时刻速度；t对向车辆表示先行车辆的对向车辆车头端部预计到达交叉口中心的时间；t先行车辆表示备选方案中的先行车辆车头端部预计到达交叉口中心的时间；
(3.4.2)按照步骤(3.4.1)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、加速行驶时间t加速以及是否要加速以同时通过交叉口中心点的对向车辆。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述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，所述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。
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，以普通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普通双向单车道十字交叉口通行控制策略，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为本实施例车头端部预计到达交叉口中心的时间说明图。
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为本实施例判断对向车辆是否加速以同行的模型。
图8为本实施例系统流程图。
具体实施方式
下面根据图1至图8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普通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vmax：40km/h；加速度a：5m/s2；同向最小车头时距：t1＝1.29s；异向最小车头时距：t2＝0.7s；道路宽度＝3.5m。
车辆生成时速度均为vmax＝40km/h，车辆做变速运动时加速度a恒为5m/s2。
对向车辆是否可加速以同时通过交叉口中心点的车头时距t3，其中
T＝t对向车辆-t先行车辆；V对向车辆表示先行车辆的对向车辆的时刻速度；t对向车辆表示先行车辆的对向车辆车头端部预计到达交叉口中心的时间；t先行车辆表示备选方案中的先行车辆车头端部预计到达交叉口中心的时间。
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32m×32m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＝单车道宽度×2+车辆紧急制动至停止所行驶路程×2，即确定区
确定区
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：
普通十字交叉口的运行方向分别记为a方向、b方向、c方向、d方向。道路方向说明图如图2所示。
记a方向第x辆车车头端部预计到达交叉口中心的时间为tax，记b方向第w辆车车头端部预计到达交叉口中心的时间为tdw，，记c方向第y辆车车头端部预计到达交叉口中心的时间为tcy，记d方向第z辆车车头端部预计到达交叉口中心的时间为tdz。车头端部预计到达交叉口中心的时间说明图如图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：
(一)根据四个方向上车辆到达交叉口中心点的时间依次进行判断。计算各邻向车辆的车头端部预计到达交叉口中心的时间之差的绝对值，当任意一绝对值<t2时，则认为两方向上的车辆产生冲突。
若四个方向上车辆运行皆不产生冲突，则所有车辆按照当前状态运行。直至系统内车辆完全通过确定区，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。若四个方向上有车辆可能产生冲突，则根据以上判断依据找出最近一对冲突车辆(记为方向a中车辆ax和方向c中车辆cy)。
冲突分为三种可能：两路冲突(记为方向a中车辆ax和方向c中车辆cy)、三路冲突(记为方向a中车辆ax、方向c中车辆cy和方向d中车辆dz)、四路冲突(记为方向a中车辆ax、方向b中车辆bw，方向c中车辆cy、方向d中车辆dz)。
(二)消除车辆ax和车辆cy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。
步骤1、对于两路冲突：
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tcy’,则tcy’＝tax+t2。此时产生滞留时间Dcy＝tcy’-tcy。
若tc(y+1)-tcy’≥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tc(y+1)-tcy’<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tc(y+1)’，则tc(y+1)’＝tcy’+t1。此时产生滞留时间Dc(y+1)＝tc(y+1)’-tc(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。
步骤2、对于三路冲突：
(1)计算两种方案的总延误：
对于方案一，系统总滞留时间为c、d进口道车辆总滞留时间；同理，可递推出c方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和以及d方向上每辆需要改变车速的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，可递推出a方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和，a方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和即为系统总滞留时间；
(2)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)若选择方案二，判断对向车辆dz是否可以加速以同时通过交叉口中心点。
若|tdz-tcy|≦t3,则d方向第z辆车dz可加速至与c方向第y辆车cy同时通过，确定通行方案。
若|tdz-tcy|>t3,则d方向第z辆车dz不可加速至与c方向第y辆车cy同时通过，系统中冲突转变为ax与dz的二路冲突，同步骤1继续消除冲突。
步骤3、对于四路冲突：
(1)计算两种方案的总延误：
对于方案一，系统总滞留时间为c、d进口道车辆总滞留时间；同理，分别递推出c方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和以及d方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和，c方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和与d方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和的总和即为系统总滞留时间。
对于方案二，系统总滞留时间为a、b进口道车辆总滞留时间；同理，分别递推出a方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和以及b方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和，a方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和与b方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和的总和即为系统总滞留时间。
(2)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)判断备选方案中先行车辆的对向车辆是否可以加速以同时通过交叉口中心点；同理，若对向车辆可加速以同时通过交叉口中心点，确定通行方案为备选方案中先行车辆与其对向车辆均先行；若对向车辆不可加速以同时通过交叉口中心点，系统中冲突转变为该对向车辆与其一个邻向的车辆以及该对向车辆与其另一个邻向的车辆的三路冲突，同理步骤2继续消除三路冲突。
(三)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＝5m/s2变速行驶时间，t减速表示车辆以恒定减速度a＝5m/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。
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vmax。车辆运行过程如图5所示。车辆一般都是按照vmax行驶的，vx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；
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vmax。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：
3、对于判断对向车辆是否可以加速以同时通过交叉口中心点的车辆，若备选方案中的先行车辆车头端部预计到达交叉口中心的时间与其对向车辆车头端部预计到达交叉口中心的时间之差的绝对值小于等于t3，则对向车辆可保持加速以与先行车辆同时通过交叉口中心点，其中
T＝t对向车辆-t先行车辆。车辆运行过程如图7所示。
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8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：5m/s2；同向最小车头时距：t1＝1.29s；异向最小车头时距：t2＝0.7s；判断对向车辆是否可以加速以同时通过交叉口中心点的车头时距值
T＝t对向车辆-t控制车辆；道路宽度＝3.5m；车辆生成时速度均为vmax＝40km/h，车辆做变速运动时加速度a恒为5m/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32m×32m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，各方向输入车辆车头端部距离交叉口中心的距离为：
a方向：Sa1＝45m；Sa2＝88m；Sa2＝108m；b方向：Sb1＝75m；Sb2＝100m；Sb2＝120m；
c方向：Sc1＝50m；Sc2＝64m；Sc2＝80m；d方向：Sd1＝53m；Sd2＝130m；Sd2＝153m。
并由此算出各车辆车头端部预计到达交叉口中心的时间为：
a方向：ta1＝4.09s；ta2＝7.92s；ta3＝9.72s；b方向：tb1＝6.75s；tb2＝9.00s；tb3＝10.80s；
c方向：tc1＝4.50s；tc2＝5.76s；tc3＝7.20s；d方向：td1＝4.77s；td2＝11.8s；td3＝13.77s。
第三步：确定车辆通行状态：
由ta1＝4.09s，tc1＝4.50s可得|ta1-tc1|<0.7s，确定第一组冲突点为a1和c1。
由|tc1-tb1|>0.7s,|ta1-td1|<0.7s,|tb1-td1|>0.7s,判断为方向a与方向c、方向d的三路冲突。
(1)计算两种方案的总延误：
方案一：
a1先走，c1、d1后走。
tc1’＝ta1+0.7＝4.09+0.7＝4.79s；Dc1＝tc1’-tc1＝4.79-4.50＝0.29s；
tc2-tc1’＝5.76-4.79＝0.97s<1.29s；
tc2’＝tc1’+1.29＝4.79+1.29＝6.08s；Dc2＝tc2’-tc2＝6.08-5.76＝0.32s；
tc3-tc2’＝7.20-6.08＝1.12s<1.18s；
tc3’＝tc2’+1.29＝6.08+1.29＝7.37s；Dc3＝tc3’-tc3＝7.37-7.20＝0.17s；
此时a方向ta1＝4.09s；ta2＝7.92s；ta3＝9.72s；
c方向tc1’＝4.79s；tc2’＝6.08s；tc3’＝7.37s；
Dc＝Dc1+Dc2+Dc3＝0.29+0.32+0.17＝0.78s；
同理Dd＝Dd1＝0.02s；
D1＝Dc+Dd＝0.80s。
方案二：
c1先走，a1后走，判断d1是否能加速同时通过。
ta1’＝tc1+0.6＝4.50+0.7＝5.20；Da1＝ta1’-ta1＝5.20-4.09＝1.11s；
ta2-ta1’＝7.92-5.20＝2.72>1.18；
此时a方向ta1’＝5.20s；ta2＝7.92s；ta3＝9.72s；
c方向tc1＝4.50s；tc2＝5.76s；tc3＝7.20s；
D2＝Da1＝1.11s。
(2)比较得：D1<D2，采用方案一。
(3)因为未选择方案二，不需要判断d1是否能加速以同时通过。
(4)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时间t加速，减速时间t减速。
t加速c1＝1.13s；t减速c1＝1.13s；
t加速c2＝1.19s；t减速c2＝1.19s；
t加速c3＝0.87s；t减速c3＝0.87s；
变化后系统中各车辆车头端部预计到达交叉口中心的时间为：
a方向ta1＝4.09s；ta2＝7.92s；ta3＝9.72s；
c方向tc1’＝4.79s；tc2’＝6.08s；tc3’＝7.37s。
继续搜索车辆行驶状态变化后系统中第一组冲突点，循环以上内容直至没有冲突点。
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 (5)
1.自动驾驶环境下普通十字交叉口智能通行控制方法，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vmax、加速度a、同向最小车头时距t1、异向最小车头时距t2、对向车辆是否可加速以同时通过交叉口中心点的车头时距t3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)将双向单车道通行道路的运行方向分别记为a方向、b方向、c方向和d方向，其中a方向和b方向为相对方向，c方向和d方向为相对方向，记a方向第x辆车车头端部预计到达交叉口中心的时间为tax，记b方向第w辆车车头端部预计到达交叉口中心的时间为tbw，记c方向第y辆车车头端部预计到达交叉口中心的时间为tcy，记d方向第z辆车车头端部预计到达交叉口中心的时间为tdz；
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)当任意两个邻向车辆的车头端部预计到达交叉口中心的时间之差的绝对值小于t2时，则认为两邻向上的车辆产生冲突；按照上述判断方法找出距离交叉口最近一组产生冲突的车辆，将最近一组产生冲突的车辆记为车辆ax和车辆cy；
(3.2)确定冲突情况，所述冲突情况有三种可能情况，分别为：两路冲突、三路冲突和四路冲突，其中两路冲突包括方向a中车辆ax与方向c中车辆cy产生冲突，三路冲突包括方向a中车辆ax与方向c中车辆cy产生冲突以及方向a中车辆ax与方向d中车辆dz产生冲突，四路冲突包括方向a中车辆ax与方向c中车辆cy产生冲突、方向a中车辆ax与方向d中车辆dz产生冲突以及方向b中车辆bw与方向c中车辆cy产生冲突；
(3.3)若冲突情况为两路冲突，则：
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；
若冲突情况为三路冲突，则：
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；
若选择的备选方案为车辆cy先行，则需再次判断车辆cy的对向车辆dz是否可以加速以同时通过交叉口中心点，若可以，车辆cy和车辆dz均先行，若不可以，则系统中冲突转变为车辆ax与车辆dz的两路冲突，继续消除车辆ax与车辆dz的两路冲突；
若冲突情况为四路冲突，则：
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；
判断备选方案中先行车辆的对向车辆是否可以加速以同时通过交叉口中心点，若可以，备选方案中的先行车辆与其对向车辆均先行，若不可以，则系统中冲突转变为该对向车辆与其一个邻向的车辆以及该对向车辆与其另一个邻向的车辆的三路冲突，继续消除三路冲突；
(3.4)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；
(3.5)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；
(36)继续搜索车辆行驶状态变化后系统中第一组产生冲突的车辆，循环步骤(3.1)至步骤(3.6)直至没有冲突的车辆。
2.根据权利要求1所述的自动驾驶环境下普通十字交叉口智能通行控制方法，其特征在于：所述的确定区宽度b的计算公式为：确定区宽度＝单车道宽度×2+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
3.根据权利要求2所述的自动驾驶环境下普通十字交叉口智能通行控制方法，其特征在于：所述的步骤(3.3)具体包括：
(3.3.1.1)若冲突情况为两路冲突，则：
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；
(3.3.1.2)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tcy’,则tcy’＝tax+t2，此时产生滞留时间Dcy＝tcy’-tcy；
若tc(y+1)-tcy’≥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tc(y+1)-tcy’<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tc(y+1)’，则tc(y+1)’＝tcy’+t1；此时产生滞留时间Dc(y+1)＝tc(y+1)’-tc(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的车辆对应的滞留时间，c方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和即为系统总滞留时间；
(3.3.1.3)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tax’,则tax’＝tcy+t2，此时产生滞留时间Dax＝tax’-tax；
若ta(x+1)-tax’≥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ta(x+1)-tax’<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ta(x+1)’，则ta(x+1)’＝tax’+t1；此时产生滞留时间Da(x+1)＝ta(x+1)’-ta(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，a方向上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；
(3.3.1.4)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；
(3.3.2.1)若冲突情况为三路冲突，则：
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；
(3.3.2.2)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和d方向上车辆总滞留时间的总和，则：
同理步骤(3.3.1.2)，分别递推出c方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和以及d方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和，c方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和与d方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和的总和即为系统总滞留时间；
(3.3.2.3)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：
同理步骤(3.3.1.3)，可递推出a方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和，a方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和即为系统总滞留时间；
(3.3.2.4)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；
(3.3.2.5)若选择车辆cy先行的备选方案，则判断对向车辆dz是否可以加速以同时通过交叉口中心点；
则：
若|tdz-tcy|≦t3,则d方向上第z辆车dz可加速至与c方向第y辆车cy同时通过交叉口中心点，确定通行方案为车辆cy和车辆dz均先行；
若|tdz-tcy|>t3,则d方向第z辆车dz不可加速至与c方向第y辆车cy同时通过交叉口中心点，系统中冲突转变为车辆ax与车辆dz的两路冲突，同理步骤(3.3.1.1)至步骤(3.3.1.4)继续消除车辆ax与车辆dz的两路冲突；
(3.3.3.1)若冲突情况为四路冲突，则：
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；
(3.3.3.2)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和d方向上车辆总滞留时间之和，则：
同理步骤(3.3.1.2)，分别递推出c方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和以及d方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和，c方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和与d方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和的总和即为系统总滞留时间；
(3.3.3.3)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和b方向上车辆总滞留时间之和，则：
同理步骤(3.3.1.3)，分别递推出a方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和以及b方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和，a方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和与b方向上每辆需要改变车速的车辆对应的滞留时间之和的总和即为系统总滞留时间；
(3.3.3.4)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；
(3.3.3.5)判断备选方案中先行车辆的对向车辆是否可以加速以同时通过交叉口中心点；
则：
同理步骤(3.3.2.5)，若对向车辆可加速以同时通过交叉口中心点，确定通行方案为备选方案中先行车辆与其对向车辆均先行；
若对向车辆不可加速以同时通过交叉口中心点，系统中冲突转变为该对向车辆与其一个邻向的车辆以及该对向车辆与其另一个邻向的车辆的三路冲突，同理步骤(3.3.2.1)至步骤(3.3.2.5)继续消除三路冲突。
4.根据权利要求3所述的自动驾驶环境下普通十字交叉口智能通行控制方法，其特征在于：所述的步骤(3.4)具体包括：
(3.4.1)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vmax；则该车辆的t减速、t停车和t加速分别为：
t停车＝0s，
其中vx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vmax；则该车辆的t减速、t停车和t加速分别为：
对于判断是否可以加速以同时通过交叉口中心点的对向车辆，若备选方案中的先行车辆车头端部预计到达交叉口中心的时间与其对向车辆车头端部预计到达交叉口中心的时间之差的绝对值小于等于t3，则对向车辆可保持加速以与先行车辆同时通过交叉口中心点，其中
T＝t对向车辆-t先行车辆；V对向车辆表示先行车辆的对向车辆的时刻速度；t对向车辆表示先行车辆的对向车辆车头端部预计到达交叉口中心的时间；t先行车辆表示备选方案中的先行车辆车头端部预计到达交叉口中心的时间；
(3.4.2)按照步骤(3.4.1)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、加速行驶时间t加速以及是否要加速以同时通过交叉口中心点的对向车辆。
5.根据权利要求1所述的自动驾驶环境下普通十字交叉口智能通行控制方法，其特征在于：所述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，所述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。
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Effective date of registration: 20220322 Address after: 210000 Floor 9, Sancai building, Baixia high tech Zone, Qinhuai District, Nanjing, Jiangsu Province Patentee after: Nanjing Saikang Traffic Safety Technology Co.,Ltd. Address before: Nanjing City, Jiangsu province 210037 Longpan Road No. 159 Patentee before: NANJING FORESTRY University |
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Effective date of registration: 20231219 Address after: 239211 Shunshan North Street, Lai'an County, Chuzhou City, Anhui Province Patentee after: CHUZHOU SKY TRAFFIC SCIENCE & TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 210000 Floor 9, Sancai building, Baixia high tech Zone, Qinhuai District, Nanjing, Jiangsu Province Patentee before: Nanjing Saikang Traffic Safety Technology Co.,Ltd. |
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Effective date of registration: 20240515 Address after: No. 170 North Street, Shunshan Town, Lai'an County, Chuzhou City, Anhui Province, 239000 Patentee after: Chuzhou Ningxin Saikang Transportation Facilities Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 239211 Shunshan North Street, Lai'an County, Chuzhou City, Anhui Province Patentee before: CHUZHOU SKY TRAFFIC SCIENCE & TECHNOLOGY Co.,Ltd. Country or region before: China |