CN111599215B - 基于车联网的无信号交叉口移动闭塞车辆引导系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于车联网的无信号交叉口车辆引导系统，以及通过该系统进行引导的方法，通过车联网技术进行车‑车通信，实现无信号交叉口控制范围内所有车辆的数据信息共享，并根据共享的数据信息判断车辆之间危险区重叠情况，以确定冲突车辆及对应的通行权，从而生成针对单一冲突车辆的驾驶引导方案，并将各驾驶引导方案融合成最终的通行引导方案，提示驾驶员安全、有序地通过无信号交叉口，降低无信号交叉口及附近范围的事故发生率。

Description

基于车联网的无信号交叉口移动闭塞车辆引导系统和方法

技术领域

本发明涉及交通安全技术领域，尤其涉及一种基于车联网的无信号交叉口移动闭塞车辆引导系统和方法。

背景技术

车路协同技术是采用专用短程通信(Dedicated Short Range Communication，DSRC)和长期演进技术-车辆通信(Long Term Evolution- Vehicle，LTE-V)等先进通信技术，全方位实现车车和车路动态实时信息交互，并在全时空动态交通信息采集与融合的基础上开展车辆主动安全控制和道路协同管理的技术。车路协同技术能够协助实现人、车和路的有效协同，保证交通安全，提高通行效率，从而形成安全、高效和环保的道路交通系统。

当前对于无信号交叉口的管理，主要依赖于位于路侧和路面的标志标线，约束性不强，并且由于大部分无信号交叉口违法记录设备部署数量不足，以及部分司机经验不足或守法意识淡薄，很容易出现交通违章行为，导致交通混乱乃至交通事故，降低通行效率，造成人员和财产损失。而车路协同技术可利用车车通信为通过无信号交叉口的车辆提供一个车联网环境，使得车辆之间仅需车载设备即可实现数据共享，为实现基于车联网环境的无信号交叉口移动闭塞车辆通行引导技术提供了技术支撑。因此，亟需一种可以为驾驶员提供引导信息、帮助驶入无信号交叉口的车辆进行自行组织、有序地通过无信号交叉口，以及提升安全性和通行效率的方法。

发明内容

本发明的目的是通过搭建车联网环境，将铁路列车控制中的移动闭塞理论应用于无信号交叉口的通行管理中，在交叉口的二维平面空间中为车辆分配动态危险区，提出一种基于车联网环境的无信号交叉口移动闭塞车辆通行引导系统及相关的引导方法，以实现在不依靠路侧基础设施的情况下，通过车车通信为每辆车分配合适的通行权与交叉口通行引导方案，提升无信号交叉口的安全性和通行效率。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于车联网的无信号交叉口移动闭塞车辆引导系统，其特征在于，包括：车载信息采集模块、车载通信模块、车载信息处理模块和车载显示模块；

车载信息采集模块，用于采集当前车辆的数据信息；

车载通信模块，用于发送当前车辆当前时刻和未来时刻的危险区域信息，接收与当前车辆同时间、同交叉口的相关车辆的当前时刻和未来时刻的危险区域信息，通信模块具备中继功能，以拓展通信范围，确保交叉口范围内所有车辆均能相互感知；

车载信息处理模块，用于根据当前车辆的数据信息进行数据处理，计算出当前时刻和未来时刻的危险区域信息，并根据接收到的相关车辆的当前时刻和未来时刻的危险区域信息，结合内置的无信号交叉口通行规则库，生成当前车辆的驾驶引导方案；

车载显示模块，用于显示车载信息处理模块的驾驶引导方案，对驾驶员进行驾驶引导。

优选地，车载信息采集模块，具体用于采集当前车辆的位置数据信息、驾驶数据信息和车道数据信息；

位置数据信息，包括当前车辆的经纬度坐标和车辆运动方向；

驾驶数据信息，包括当前车辆的方向盘转角与速度；

车道数据信息，包括车道标志图像。

优选地，车载通信模块，利用长期演进技术-车辆通信(Long Term Evolution-Vehicle，LTE-V)技术进行通讯，满足车车通信对低延迟高带宽的通信需求。该模块具体用于发送当前车辆的当前时间、未来5s和未来10s时的危险区域信息，并接收相关车辆的当前时间、未来5s和未来10s时的危险区域信息。

优选地，车载显示模块，用于以100ms的时间间隔显示驾驶引导方案，对驾驶员进行驾驶引导。

优选地，车载信息处理模块，具体用于：

执行权利 要求2车辆位置预测算法，计算T⁰时刻之后5s的时间点T¹以及T⁰时刻之后10s的时间点T²这两个时刻的当前车辆V₁的位置(x₁ ¹,y₁ ¹)和(x₁ ²,y₁ ²)；

执行权利 要求2基于移动闭塞的道路车辆危险区划分方法，生成当前车辆 V₁的一级危险区和二级危险区。

执行权利 要求2无信号交叉口通行规则库，为当前车辆V₁和与冲突车辆分配通行权。

执行权利 要求2引导方案生成方法，获得最终的通行引导方案。

第二方面，本发明提供一种基于车联网环境的无信号交叉口移动闭塞车辆通行引导方法，包括：

车辆位置预测算法，用于根据当前车辆在当前时刻的运动状态和位置计算其在未来时刻的位置；

基于移动闭塞的道路车辆危险区划分方法，用于在空间上为同交叉口各相关车辆分配二维闭塞区间，形成两级危险区，识别与当前车辆存在冲突的车辆；

无信号交叉口通行规则库，用于确定与冲突车辆之间的通行权高低，协助最终通行引导方案的形成；

引导方案生成方法，用于形成当前车辆与各冲突车辆之间的驾驶引导方案，并将其融合成最终的通行引导方案。

优选地，车辆位置预测算法使用车载信息采集模块采集到的当前车辆V₁的经纬度坐标、运动方向、速度和方向盘转角数据。根据高斯坐标转换将当前车辆V₁经纬度坐标和运动方向转换为交叉口坐标系的平面坐标

并将运动方向、速度和方向盘转角转换为车辆中轴线与X轴夹角

车辆速度标量值v₁和车轮与车辆中轴线夹角

基于当前时刻T⁰当前车辆V₁的运行状态信息

计算T⁰时刻之后5s的时间点T¹以及T⁰时刻之后10s的时间点T²这两个时刻的当前车辆的位置

和

具体包括根据下式(1)、(2)和(3)计算：

式中，θ为车辆中轴线与X轴夹角；v为车辆速度标量值；

为车轮与车辆中轴线夹角；H为车辆轴距；

对上式(1)进行积分，得到下式结果(2)：

式中，Δθ为当前时刻到t′时刻的车辆中轴线与X轴夹角变化值；Δx为当前时刻到t′时刻的车辆X坐标变化值；Δy为当前时刻到t′时刻的车辆Y坐标变化值；

根据上式(2)，则可计算车辆在t′时刻的坐标(x′,y′)和车辆中轴线与X轴夹角θ′，如下(3)所示：

优选地，基于移动闭塞的道路车辆危险区划分方法可根据当前车辆V₁速度标量值v₁以及其自身刹车性能，利用运动学公式求得当前车辆在当前运动状态下的紧急制动距离d_b1，并结合车辆的车长L₁及其完全静止后与相关车辆保持的最小安全间隔d_s，以当前车辆V₁型心为圆心，设置两个圆形危险区，其中一个危险区半径R_in1＝d_s+L₁/2，作为一级危险区，另一个危险区半径 R_out1＝d_b1+L₁/2，作为二级危险区。

优选地，无信号交叉口通行规则库具体包括：

①有交通标志、标线控制的，让优先通行的一方先行；

②没有交通标志、标线控制的，让右方道路的来车先行；

③转弯的机动车让直行的车辆先行；

④相对方向行驶的右转弯的机动车让左转弯的车辆先行；

⑤向左转弯时，靠路口中心点左侧转弯；

⑥准备进入环形路口的让已在路口内的机动车先行；

⑦上述条件下被分配至低通行权的车辆，通过数据共享发现其速度太快导致无法通过降低速度来进行让行，则将其升至高通行权，与之有通行权冲突的车辆降至低通行权。

优选地，引导方案生成方法利用车载通信模块所接收的与当前车辆V₁同时间、同交叉口的相关车辆的当前时刻和未来时刻的危险区域信息，给出当前车辆V₁的如下驾驶引导方案：

S1001：在当前T⁰时刻，当前车辆V₁与相关车辆出现了一级危险区R_in与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆V₁和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆进行加速，低优先级车辆以最大减速度减速并采取转向规避措施，若未出现此情况，则执行S1002；

S1002：在当前T⁰时刻，当前车辆V₁与相关车辆出现二级危险区R_out与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆V₁和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆进行加速，提示低优先级车辆以最大减速度减速，若未出现此情况，则执行S1003；

S1003：在预测时刻T¹，当前车辆V₁与相关车辆出现一级危险区R_in与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆V₁和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆进行加速，提示低优先级车辆以最大减速度减速，若未出现此情况，则执行S1004；

S1004：在预测时刻T¹，当前车辆V₁与相关车辆出现二级危险区R_out与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆进行加速，提示低优先级车辆进行减速，若未出现此情况，则执行S1005；

S1005：在预测时刻T²，当前车辆V₁与相关车辆出现一级危险区R_in与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆V₁和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆维持当前状态运行，提示低优先级车辆以最大减速度减速，若未出现此情况，则执行S1006；

S1006：在预测时刻T²，当前车辆V₁与相关车辆出现二级危险区R_out与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆V₁和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆维持当前状态运行，提示低优先级车辆进行减速，若未出现此情况，则说明当前车辆V₁不与其他车辆产生冲突，维持T⁰时刻的运动状态继续通行；

S1007：将上述S1001-1006的每个步骤中当前车辆V₁与各个冲突车辆之间的驾驶引导方案进行融合，选择优先级最高的通行方案作为最终通行引导方案，其中通行引导方案优先级为：最大减速度减速并转向规避>最大减速度减速>减速>加速>维持T⁰时刻状态运行。

最终的通行引导方案将通过车载显示模块进行输出。

由上述本发明的基于车联网的无信号交叉口移动闭塞车辆引导系统和方法提供的技术方案可以看出，本发明的系统通过车联网技术进行车-车通信，实现无信号交叉口控制范围内所有车辆的数据信息共享，并根据共享的数据信息判断车辆之间危险区重叠情况，以确定冲突车辆及对应的通行权，从而生成针对单一冲突车辆的驾驶引导方案，并将各驾驶引导方案融合成最终的通行引导方案，提示驾驶员安全、有序地通过无信号交叉口，降低无信号交叉口及附近范围的事故发生率。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例一提供的一种基于车联网的无信号交叉口移动闭塞车辆引导系统示意图；

图2为实施例二提供了一种基于车联网的无信号交叉口移动闭塞车辆引导方法示意图；

图3为车辆在无信号交叉口范围内的转向运动情况示意图；

图4为移动闭塞原理示意图；

图5为车辆危险区域示意图；

图6为实施例二的冲突类型示意图(仅包含追尾冲突)。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语 (包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

图1为本实施例提供的一种基于车联网的无信号交叉口移动闭塞车辆引导系统示意图，参照图1，该系统包括：车载信息采集模块、车载通信模块、车载信息处理模块和车载显示模块。

车载信息采集模块，用于采集当前车辆的数据信息，具体用于采集当前车辆的位置数据信息、驾驶数据信息和车道数据信息。其中，位置数据信息，包括当前车辆的经纬度坐标和车辆运动方向；驾驶数据信息，包括当前车辆辆的方向盘转角与速度；车道数据信息，包括车道标志标图像的识别结果。

在采集位置数据信息时，支持接收三类GNSS卫星的数据：GPS(美国)、 GLONASS(俄罗斯)和北斗(中国)，并可结合差分基站和惯性导航技术进行混合高精度定位，以获得车辆经纬度坐标和运动方向；在采集驾驶数据信息时，利用车辆的车载自动诊断系统(On-BoardDiagnostics，OBD)接口获取车辆当前速度，并利用置入方向盘的方向盘转角传感器获取车辆的方向盘转角信息；在采集车道数据信息时，利用视角至少达到180°的超广角镜头采集图像，并配备偏振镜，过滤路面和路边物体反光带来的光线干扰，同时采集图像的摄像机内置单独的基于x86-64架构的图像处理单元，采用卷积神经网络(Convolutional NeuralNetworks，CNN)算法对无信号交叉口进口道附近的标志标线进行识别，并将识别结果传入车载信息采集模块。

车载通信模块，用于发送当前车辆当前时刻和未来时刻的危险区域信息，接收与当前车辆同时间、同交叉口的相关车辆的当前时刻和未来时刻的危险区域信息，需要说明的是，该车载通信模块采用基于LTE-V技术的通信设备，具有中继功能，可以确保处于同一交叉口控制范围内的车辆之间均可实现相互的通信连接。车载通信模块具体用于发送当前车辆的当前时间、未来 5s和未来10s时的危险区域信息，并接收所述相关车辆的当前时间、未来5s和未来10s时的危险区域信息。

车载信息处理模块，用于根据当前车辆的数据信息进行数据处理，计算出当前时刻和未来时刻的危险区域信息，并根据接收到的所述相关车辆的当前时刻和未来时刻的危险区域信息，分配当前车辆与冲突车辆之间的通行权，产生对应的驾驶引导方案，并将各驾驶引导方案进行融合，结合内置的无信号交叉口通行规则库，生成最终的通行引导方案。

车载信息处理模块，具体用于：

1)根据高斯坐标转换将经纬度坐标和车辆运动方向转换为交叉口坐标系的平面坐标

车辆运动方向、速度和方向盘转角转换为车辆中轴线与X 轴夹角

车辆速度标量值v₁和车轮与车辆中轴线夹角

其中，车载信息处理模块内置各无信号交叉口位置信息，并为其建立各自的交叉口坐标系，每个坐标系的X轴方向为正东方向，Y轴方向为正北方向，各坐标系原点均为与交叉口控制范围最西侧相切的南北向直线和与交叉口控制范围最南侧相切的东西向直线的交点。

2)基于当前时刻T⁰车辆V₁的运行状态信息

计算T⁰时刻之后5s的时间点T¹以及T⁰时刻之后10s的时间点T²这两个时刻的车辆V₁的位置

和

基于当前时刻T⁰车辆V₁的运行状态信息

计算 T⁰时刻之后5s的时间点T¹以及T⁰时刻之后10s的时间点T²这两个时刻的车辆V₁的位置

和

具体包括根据下式(1)、(2)和(3)计算：

式中，θ为车辆中轴线与X轴夹角；v为车辆速度标量值；

为车轮与车辆中轴线夹角；H为车辆轴距；

对上式(1)进行积分，得到下式结果(2)：

式中，Δθ为当前时刻到t′时刻的车辆中轴线与X轴夹角变化值；Δx为当前时刻到t′时刻的车辆X坐标变化值；Δy为当前时刻到t′时刻的车辆Y坐标变化值；

根据上式(2)，则可计算车辆在t′时刻的坐标(x′,y′)和车辆中轴线与X轴夹角θ′，如下(3)所示：

3)根据车辆V₁当前速度标量值v₁以及其自身刹车性能，求得车辆V₁在当前运动状态下的紧急制动距离d_b1，并结合车辆V₁的车长L₁及其完全静止后与相关车辆辆保持的最小安全间隔d_s，以车辆V₁的型心为圆心，为车辆V₁设置两个圆形危险区，其中一个危险区半径R_in1＝d_s+L₁/2，作为一级危险区，另一个危险区半径R_out1＝d_b1+L₁/2，作为二级危险区。

4)根据接收到的相关车辆的一级危险区域和二级危险区域，以及当前车辆的一级危险区域和二级危险区域判断车辆之间危险区域的交叠情况，辨别冲突类型给出车辆V₁的通行引导方案。

车载信息处理模块，具体用于结合无信号交叉口通行规则，给出车辆V₁的如下驾驶引导方案：

41)：在当前T⁰时刻，车辆V₁与所述相关车辆出现了一级危险区R_in与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆进行加速，低优先级车辆以最大减速度减速并进行转向规避，若未出现此情况，则执行42)；

42)：在当前T⁰时刻，车辆V₁与所述相关车辆出现二级危险区R_out与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆进行加速，提示低优先级车辆以最大减速度减速，若未出现此情况，则执行43)；

43)：在预测时刻T¹，车辆V₁与所述相关车辆出现一级危险区R_in与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆进行加速，提示低优先级车辆以最大减速度减速，若未出现此情况，则执行44)；

44)：在预测时刻T¹，车辆V₁与所述相关车辆出现二级危险区R_out与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆进行加速，提示低优先级车辆进行减速，若未出现此情况，则执行45)；

45)：在预测时刻T²，车辆V₁与所述相关车辆出现一级危险区R_in与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆维持当前状态运行，提示低优先级车辆以最大减速度减速，若未出现此情况，则执行46)；

46)：在预测时刻T²，车辆V₁与所述相关车辆出现二级危险区R_out与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆维持当前状态运行，提示低优先级车辆进行减速，若未出现此情况，则说明车辆V₁不与其他车辆产生冲突，维持T⁰时刻的运动状态继续通行；

47)：将上述41)-46)的每个步骤中车辆V₁与各个冲突车辆之间的驾驶引导方案进行融合，选择优先级最高的通行方案作为最终通行引导方案，其中通行引导方案优先级为：最大减速度减速并转向规避>最大减速度减速>适当减速>适当加速>维持T⁰时刻状态运行。

车载显示模块，用于显示所述车载信息处理模块的驾驶引导方案，对驾驶员进行驾驶引导，用于以100ms的时间间隔显示所述车载信息处理模块的驾驶引导方案，对驾驶员进行驾驶引导，引导驾驶员操作加速踏板、制动踏板和方向盘。

车载显示模块可以通过主显示屏、抬头显示器、扬声器和方向盘震动中的一种或多种来实现。

实施例二

图2为本实施例提供了一种基于车联网的无信号交叉口移动闭塞车辆引导方法示意图，参照图2，该方法包括如下步骤：

S1通过车载信息采集模块采集当前车辆的数据信息,并判断当前车辆V1是否处于交叉口无网络状态，若是则执行S2,否则继续执行S1；

S2根据数据信息，执行车辆位置预测算法，通过车载信息处理模块计算出当前车辆V₁当前时刻T⁰和未来时刻的危险区域信息，通过车载通信模块发送当前车辆当前时刻和未来时刻的危险区域信息至与所述当前车辆同时间、同交叉口的相关车辆：

根据高斯坐标转换将经纬度坐标和车辆运动方向转换为交叉口坐标系的平面坐标

车辆运动方向、速度和方向盘转角转换为车辆中轴线与X轴夹角

车辆速度标量值v₁和车轮与车辆中轴线夹角

坐标系X轴方向为正东方向，Y轴方向为正北方向，坐标系原点为与交叉口控制范围最西侧相切的南北向直线和与交叉口控制范围最南侧相切的东西向直线的交点。

图3为车辆在无信号交叉口范围内的转向运动情况示意图。由于系统只预测极短时间内车辆的位置变化，所以为了简化位置预测流程，缩短计算位置预测结果所需时间，采用的位置预测方法将不会考虑车辆本身的纵向加速度，车辆速度标量值在进行位置预测时被视为恒定值，同时车辆在转弯时的运动可等效为前轴中点以后轴中点为圆心进行的圆周运动，因此，基于当前时刻T⁰车辆V₁的运行状态信息

根据下式(4)、(5)和(6) 计算T⁰时刻之后的时间点T¹以及T⁰时刻之后的时间点T²这两个时刻的车辆V₁的位置

和

式中，θ为车辆中轴线与X轴夹角；v为车辆速度标量值；

为车轮与车辆中轴线夹角；H为车辆轴距；

对上式(4)进行积分，得到下式结果(5)：

式中，Δθ为当前时刻到t′时刻的车辆中轴线与X轴夹角变化值；Δx为当前时刻到t′时刻的车辆X坐标变化值；Δy为当前时刻到t′时刻的车辆Y坐标变化值；

根据上式(5)，则可计算车辆在t′时刻的坐标(x′,y′)和车辆中轴线与X轴夹角θ′，如下(6)所示：

图4为移动闭塞原理示意图，参照图4，由于不同型号的车辆具备不同的运动学特性，因此其紧急制动距离d_b以及追踪间距d均有所不同。根据车辆V₁当前速度标量值v₁以及其自身刹车性能，求得车辆V₁在当前运动状态下的紧急制动距离d_b1，并结合车辆V₁的车长L₁及其完全静止后与其他车辆保持的最小安全间隔d_s，以车辆V₁的型心为圆心，为车辆V₁设置两个圆形危险区，其中一个危险区半径R_in1＝d_s+L₁/2，作为一级危险区，另一个危险区半径R_out1＝d_b1+L₁/2，作为二级危险区，图5为车辆危险区域示意图；根据接收到的相关车辆的一级危险区域和二级危险区域，以及当前车辆的一级危险区域和二级危险区域判断车辆之间危险区域的交叠情况，辨别冲突类型给出车辆V₁的通行引导方案。

优选地，T¹为5s，T²为10s。

在T₀、T₁、T₂三个时间点的任何一个时间点中，当一辆车的危险区内存在另一辆车或者与另一辆车的危险区交叠时，即判定两辆车处于冲突状态。根据危险区相交的类型，分为冲突和紧急冲突，分别对应两辆车的二级危险区与二级危险区交叠的情况和一级危险区与二级危险区交叠的情况。根据两车速度矢量的夹角，划分冲突类型。其中当两辆车速度夹角处于区间[0°,30°)中时，判定两辆车处于追尾冲突状态；当两辆车速度夹角处于区间[30°,80°)中时，判定两辆车处于变道冲突状态；当两辆车速度夹角处于区间[80°,180°]中时，判定两辆车处于交叉冲突状态。图6为本实施例的冲突类型示意图，展现了车辆V₁与车辆V₂无冲突、在T₂时刻存在追尾冲突和在T₂时刻存在紧急追尾冲突三种情况。

S3通过车载通信模块接收与所述当前车辆同时间、同交叉口的相关车辆的当前时刻和未来时刻的危险区域信息，并根据接收到的所述相关车辆的当前时刻和未来时刻的危险区域信息，以及计算出的当前车辆当前时刻和未来时刻的危险区域信息判断分析出当前车辆的驾驶引导方案：

结合无信号交叉口通行规则，给出车辆V₁的如下驾驶引导方案：

S301：在当前T⁰时刻，车辆V₁与所述相关车辆出现了一级危险区R_in与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆进行加速，低优先级车辆以最大减速度减速并通过方向盘采取规避措施，若未出现此情况，则执行S302；

S302：在当前T⁰时刻，车辆V₁与所述相关车辆出现二级危险区R_out与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆进行加速，提示低优先级车辆以最大减速度减速，若未出现此情况，则执行S303；

S303：在预测时刻T¹，车辆V₁与所述相关车辆出现一级危险区R_in与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆进行加速，提示低优先级车辆以最大减速度减速，若未出现此情况，则执行S304；

S304：在预测时刻T¹，车辆V₁与所述相关车辆出现二级危险区R_out与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆进行加速，提示低优先级车辆进行减速，若未出现此情况，则执行S305；

S305：在预测时刻T²，车辆V₁与所述相关车辆出现一级危险区R_in与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆维持当前状态运行，提示低优先级车辆以最大减速度减速，若未出现此情况，则执行S306；

S306：在预测时刻T²，车辆V₁与所述相关车辆出现二级危险区R_out与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆维持当前状态运行，提示低优先级车辆进行减速，若未出现此情况，则说明车辆V₁不与其他车辆产生冲突，维持T⁰时刻的运动状态继续通行；

S307：将上述S301-306的每个步骤中当前车辆V₁与各个冲突车辆之间的驾驶引导方案进行融合，选择优先级最高的通行方案作为最终通行引导方案，其中通行引导方案优先级为：最大减速度减速并转向规避>最大减速度减速>减速>加速>维持T⁰时刻状态运行。

通过车载显示模块显示所述车载信息处理模块的驾驶引导方案，对驾驶员进行驾驶引导。

其中，交叉口控制范围为交叉口内部路面以及各进口道停车线上游20米距离内的道路区域。

本领域技术人员应能理解上述S301-S306的应用类型仅为举例，主要参考了《中华人民共和国道路交通安全法》第四十四条、第四十五条，以及《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》第五十一条、第五十二条中的部分内容，并结合车联网环境特性进行了调整，其他现有的或今后可能出现的应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

用本发明实施例的系统进行基于车联网的无信号交叉口移动闭塞车辆引导的具体过程与前述方法实施例类似，此处不再赘述。

综上所述，本发明提供的基于车联网的无信号交叉口车辆引导系统和方法通过车联网技术进行车-车通信，实现无信号交叉口控制范围内所有车辆的数据信息共享，并根据共享的数据信息判断车辆之间危险区重叠情况，以确定冲突车辆及对应的通行权，从而生成针对单一冲突车辆的驾驶引导方案，并将各驾驶引导方案融合成最终的通行引导方案，提示驾驶员安全、有序地通过无信号交叉口，降低无信号交叉口及附近范围的事故发生率。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于车联网的无信号交叉口移动闭塞车辆引导系统，其特征在于，包括：车载信息采集模块、车载通信模块、车载信息处理模块和车载显示模块；

所述的车载信息采集模块，用于采集当前车辆的数据信息；

所述的车载通信模块，用于发送当前车辆当前时刻和未来时刻的危险区域信息，接收与所述当前车辆同时间、同交叉口的相关车辆的当前时刻和未来时刻的危险区域信息，通信模块具备中继功能，以拓展通信范围，确保交叉口范围内所有车辆均能相互感知；

所述的车载信息处理模块，用于根据当前车辆的数据信息进行数据处理，计算出当前时刻和未来时刻的危险区域信息，并根据接收到的所述相关车辆的当前时刻和未来时刻的危险区域信息，结合内置的无信号交叉口通行规则库，生成当前车辆的驾驶引导方案；具体包括：

车辆位置预测算法，用于根据当前车辆在当前时刻的运动状态和位置计算其在未来时刻的位置；该车辆位置预测算法使用车载信息采集模块采集到的当前车辆V₁的经纬度坐标、运动方向、速度和方向盘转角数据；根据高斯坐标转换将所述的当前车辆V₁经纬度坐标和运动方向转换为交叉口坐标系的平面坐标

并将运动方向、速度和方向盘转角转换为车辆中轴线与X轴夹角

车辆速度标量值v₁和车轮与车辆中轴线夹角

基于当前时刻T⁰当前车辆V₁的运行状态信息

计算T⁰时刻之后5s的时间点T¹以及T⁰时刻之后10s的时间点T²这两个时刻的当前车辆的位置

和

具体包括根据下式(1)、(2)和(3)计算：

式中，θ为车辆中轴线与X轴夹角；v为车辆速度标量值；

为车轮与车辆中轴线夹角；H为车辆轴距；

对上式(1)进行积分，得到下式结果(2)：

式中，Δθ为当前时刻到t′时刻的车辆中轴线与X轴夹角变化值；Δx为当前时刻到t′时刻的车辆X坐标变化值；Δy为当前时刻到t′时刻的车辆Y坐标变化值；

根据上式(2)，则可计算车辆在t′时刻的坐标(x′,y′)和车辆中轴线与X轴夹角θ′，如下(3)所示：

基于移动闭塞的道路车辆危险区划分方法，用于在空间上为同交叉口各相关车辆分配二维闭塞区间，形成两级危险区，识别与当前车辆存在冲突的车辆；

无信号交叉口通行规则库，用于确定与冲突车辆之间的通行权高低，协助最终通行引导方案的形成；

引导方案生成方法，用于形成当前车辆与各冲突车辆之间的驾驶引导方案，并将其融合成最终的通行引导方案；

所述的车载显示模块，用于显示所述车载信息处理模块的驾驶引导方案，对驾驶员进行驾驶引导；

所述的基于移动闭塞的道路车辆危险区划分方法可根据当前车辆V₁速度标量值v₁以及其自身刹车性能，利用运动学公式求得当前车辆在当前运动状态下的紧急制动距离d_b1，并结合车辆的车长L₁及其完全静止后与相关车辆保持的最小安全间隔d_s，以当前车辆V₁型心为圆心，设置两个圆形危险区，其中一个危险区半径R_in1＝d_s+L₁/2，作为一级危险区，另一个危险区半径R_out1＝d_b1+L₁/2，作为二级危险区；

所述的引导方案生成方法利用车载通信模块所接收的与当前车辆V₁同时间、同交叉口的相关车辆的当前时刻和未来时刻的危险区域信息，给出当前车辆V₁的如下驾驶引导方案：

S1001：在当前T⁰时刻，当前车辆V₁与所述相关车辆出现了一级危险区R_in与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆V₁和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆进行加速，低优先级车辆以最大减速度减速并采取转向规避措施，若未出现此情况，则执行S1002；

S1002：在当前T⁰时刻，当前车辆V₁与所述相关车辆出现二级危险区R_out与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆V₁和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆进行加速，提示低优先级车辆以最大减速度减速，若未出现此情况，则执行S1003；

S1003：在预测时刻T¹，当前车辆V₁与所述相关车辆出现一级危险区R_in与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆V₁和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆进行加速，提示低优先级车辆以最大减速度减速，若未出现此情况，则执行S1004；

S1004：在预测时刻T¹，当前车辆V₁与所述相关车辆出现二级危险区R_out与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆进行加速，提示低优先级车辆进行减速，若未出现此情况，则执行S1005；

S1005：在预测时刻T²，当前车辆V₁与所述相关车辆出现一级危险区R_in与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆V₁和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆维持当前状态运行，提示低优先级车辆以最大减速度减速，若未出现此情况，则执行S1006；

S1006：在预测时刻T²，当前车辆V₁与所述相关车辆出现二级危险区R_out与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆V₁和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆维持当前状态运行，提示低优先级车辆进行减速，若未出现此情况，则说明当前车辆V₁不与其他车辆产生冲突，维持T⁰时刻的运动状态继续通行；

S1007：将上述S1001-1006的每个步骤中当前车辆V₁与各个冲突车辆之间的驾驶引导方案进行融合，选择优先级最高的通行方案作为最终通行引导方案，其中通行引导方案优先级为：最大减速度减速并转向规避>最大减速度减速>减速>加速>维持T⁰时刻状态运行；

最终的通行引导方案将通过车载显示模块进行输出。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的车载信息采集模块，具体用于采集当前车辆的位置数据信息、驾驶数据信息和车道数据信息；

所述的位置数据信息，包括当前车辆的经纬度坐标和车辆运动方向；

所述的驾驶数据信息，包括当前车辆的方向盘转角与速度；

所述的车道数据信息，包括车道标志图像。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的车载通信模块，利用长期演进技术-车辆通信(Long Term Evolution-Vehicle，LTE-V)技术进行通讯，满足车车通信对低延迟高带宽的通信需求，该模块具体用于发送当前车辆的当前时间、未来5s和未来10s时的危险区域信息，并接收所述相关车辆的当前时间、未来5s和未来10s时的危险区域信息。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述车载显示模块，用于以100ms的时间间隔显示驾驶引导方案，对驾驶员进行驾驶引导。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的车载信息处理模块，具体用于：

执行所述的车辆位置预测算法，计算T⁰时刻之后5s的时间点T¹以及T⁰时刻之后10s的时间点T²这两个时刻的当前车辆V₁的位置

和

执行所述的基于移动闭塞的道路车辆危险区划分方法，生成当前车辆V₁的一级危险区和二级危险区；

执行所述的无信号交叉口通行规则库，为当前车辆V₁和与冲突车辆分配通行权；

执行所述的引导方案生成方法，获得最终的通行引导方案。

6.一种基于车联网环境的无信号交叉口移动闭塞车辆通行引导方法，其特征在于，包括：

车辆位置预测算法，用于根据当前车辆在当前时刻的运动状态和位置计算其在未来时刻的位置；

基于移动闭塞的道路车辆危险区划分方法，用于在空间上为同交叉口各相关车辆分配二维闭塞区间，形成两级危险区，识别与当前车辆存在冲突的车辆；

无信号交叉口通行规则库，用于确定与冲突车辆之间的通行权高低，协助最终通行引导方案的形成；

引导方案生成方法，用于形成当前车辆与各冲突车辆之间的驾驶引导方案，并将其融合成最终的通行引导方案；

车辆位置预测算法使用车载信息采集模块采集到的当前车辆V₁的经纬度坐标、运动方向、速度和方向盘转角数据；根据高斯坐标转换将所述的当前车辆V₁经纬度坐标和运动方向转换为交叉口坐标系的平面坐标

并将运动方向、速度和方向盘转角转换为车辆中轴线与X轴夹角

车辆速度标量值v₁和车轮与车辆中轴线夹角

基于当前时刻T⁰当前车辆V₁的运行状态信息

计算T⁰时刻之后5s的时间点T¹以及T⁰时刻之后10s的时间点T²这两个时刻的当前车辆的位置

和

具体包括根据下式(1)、(2)和(3)计算：

式中，θ为车辆中轴线与X轴夹角；v为车辆速度标量值；

为车轮与车辆中轴线夹角；H为车辆轴距；

对上式(1)进行积分，得到下式结果(2)：

式中，Δθ为当前时刻到t′时刻的车辆中轴线与X轴夹角变化值；Δx为当前时刻到t′时刻的车辆X坐标变化值；Δy为当前时刻到t′时刻的车辆Y坐标变化值；

根据上式(2)，则可计算车辆在t′时刻的坐标(x′,y′)和车辆中轴线与X轴夹角θ′，如下(3)所示：

所述的基于移动闭塞的道路车辆危险区划分方法可根据当前车辆V₁速度标量值v₁以及其自身刹车性能，利用运动学公式求得当前车辆在当前运动状态下的紧急制动距离d_b1，并结合车辆的车长L₁及其完全静止后与相关车辆保持的最小安全间隔d_s，以当前车辆V₁型心为圆心，设置两个圆形危险区，其中一个危险区半径R_in1＝d_s+L₁/2，作为一级危险区，另一个危险区半径R_out1＝d_b1+L₁/2，作为二级危险区；

所述的引导方案生成方法利用车载通信模块所接收的与当前车辆V₁同时间、同交叉口的相关车辆的当前时刻和未来时刻的危险区域信息，给出当前车辆V₁的如下驾驶引导方案：

S1001：在当前T⁰时刻，当前车辆V₁与所述相关车辆出现了一级危险区R_in与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆V₁和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆进行加速，低优先级车辆以最大减速度减速并采取转向规避措施，若未出现此情况，则执行S1002；

S1002：在当前T⁰时刻，当前车辆V₁与所述相关车辆出现二级危险区R_out与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆V₁和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆进行加速，提示低优先级车辆以最大减速度减速，若未出现此情况，则执行S1003；

S1003：在预测时刻T¹，当前车辆V₁与所述相关车辆出现一级危险区R_in与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆V₁和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆进行加速，提示低优先级车辆以最大减速度减速，若未出现此情况，则执行S1004；

S1004：在预测时刻T¹，当前车辆V₁与所述相关车辆出现二级危险区R_out与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆进行加速，提示低优先级车辆进行减速，若未出现此情况，则执行S1005；

S1005：在预测时刻T²，当前车辆V₁与所述相关车辆出现一级危险区R_in与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆V₁和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆维持当前状态运行，提示低优先级车辆以最大减速度减速，若未出现此情况，则执行S1006；

S1006：在预测时刻T²，当前车辆V₁与所述相关车辆出现二级危险区R_out与二级危险区R_out相交的冲突情况，根据车道标志图像判断当前车辆V₁和冲突车辆的优先级，并提示高优先级车辆维持当前状态运行，提示低优先级车辆进行减速，若未出现此情况，则说明当前车辆V₁不与其他车辆产生冲突，维持T⁰时刻的运动状态继续通行；

S1007：将上述S1001-1006的每个步骤中当前车辆V₁与各个冲突车辆之间的驾驶引导方案进行融合，选择优先级最高的通行方案作为最终通行引导方案，其中通行引导方案优先级为：最大减速度减速并转向规避>最大减速度减速>减速>加速>维持T⁰时刻状态运行；

最终的通行引导方案将通过车载显示模块进行输出。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的无信号交叉口通行规则库具体包括：

①有交通标志、标线控制的，让优先通行的一方先行；

②没有交通标志、标线控制的，让右方道路的来车先行；

③转弯的机动车让直行的车辆先行；

④相对方向行驶的右转弯的机动车让左转弯的车辆先行；

⑤向左转弯时，靠路口中心点左侧转弯；

⑥准备进入环形路口的让已在路口内的机动车先行；

⑦上述条件下被分配至低通行权的车辆，通过数据共享发现其速度太快导致无法通过降低速度来进行让行，则将其升至高通行权，与之有通行权冲突的车辆降至低通行权。

Images