CN113256961A - 基于车辆编队的路口自主车辆调度与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于车辆编队的路口自主车辆调度与控制方法，包括于以下步骤：获取当前路口范围内自主车辆的定位信息；根据定位信息将同一车道距离接近的自主车辆合并成车辆编队，其中第一辆为领航者，其余为跟随者；根据定位信息计算车辆编队动态优先级；根据动态优先级设定车辆编队的规划运动状态；以规划运动状态为参考引导相应的车辆编队控制实际运动状态。上述基于车辆编队的路口自主车辆调度与控制方法，具有较好的实时性，提升了车辆的通行速度，减少通行耗时，且有较高的通行效率。

Description

基于车辆编队的路口自主车辆调度与控制方法

技术领域

本发明涉及车辆交通安全控制领域，特别是涉及一种基于车辆编队的路口自主车辆调度与控制方法。

背景技术

随着国内城市汽车保有量的提升，交叉路口逐渐成为道路通行的瓶颈，车辆在路口处的通行效率和安全性亟待提高。在自动/辅助驾驶尚未普及的当下，最常见的路口车辆调度方法是红绿灯调度，虽然能够确保安全，但其调度效率相对较低，也比较容易出现堵车。

结合车辆定位技术、自动/辅助驾驶技术与车联网技术，相关研究人员提出了基于时间优化和基于运动规划的路口自主车辆调度方法。但是，传统的基于时间优化的调度方法存在实时性不高的问题，对于调度过程中各车在位置、速度等运动状态上的偏差无法进行及时校正。传统的基于运动规划的调度方法虽然具有较好的实时性，但存在各车为相互避让而同时减速的问题，降低了自主车辆的通行效率，甚至会出现“死锁”现象。

发明内容

基于此，有必要针对传统的路口自主车辆调度方法不能兼顾较好的实时性与较高的通行效率的问题，提供一种实时性较好、通行效率较高的基于车辆编队的路口自主车辆调度与控制方法。

一种基于车辆编队的路口自主车辆调度与控制方法，包括于以下步骤：

获取当前路口范围内自主车辆的定位信息；

根据所述定位信息将同一车道距离接近的自主车辆合并成车辆编队，其中第一辆为领航者，其余为跟随者；

根据所述定位信息计算所述车辆编队动态优先级；

根据所述动态优先级设定所述车辆编队的规划运动状态；

以所述规划运动状态为参考引导相应的车辆编队控制实际运动状态。

进一步的，所述获取当前路口范围内自主车辆的定位信息的步骤之前还包括以下步骤：

根据当前路口各车道的走向、进入路口与离开路口的位置建立当前路口的二维坐标路口模型，所述路口模型包括车道边界、停车线、行车轨迹线、各行车轨迹线的相交形成的冲突点、各冲突点在二维坐标系内的冲突点坐标与同一行车轨迹线上相邻冲突点之间的长度以及停车线到冲突点之间的长度，所述路口模型分为编队区、通行区和解散区。

进一步的，所述根据定位信息将同一车道距离接近的自主车辆合并成车辆编队的步骤之前还包括以下步骤：

初始时将当前路口范围内的每一个自主车辆构成一个车辆编队，且该自主车辆为该编队的领航者车辆。

进一步的，所述根据定位信息将同一车道距离接近的自主车辆合并成车辆编队的步骤之后还包括以下步骤：

将已驶离通行区进入解散区的领航者车辆从队列中脱离，由第一个跟随者车辆代替原来的领航者成为新的领航者车辆。

进一步的，所述根据定位信息将同一车道距离接近的自主车辆合并成车辆编队的步骤之后还包括以下步骤：

对于在同一车道内的两车辆编队，若前队尾车与后队头车间的距离小于编队合并距离阈值，则两队合并，其中前队的领航者为新编队的领航者，其余自主车辆为新编队的跟随者。

进一步的，所述根据所述定位信息计算所述车辆编队的动态优先级的步骤包括以下步骤：

根据车辆编队领航者的速度、在当前路口的最大限速、在当前路口停留的时间以及到最近冲突点的距离计算车辆编队动态优先级的数值，

式中，PR_i为第i个车辆编队V_i的动态优先级，v_i,1为领航者车辆V_i,1的速度，

为当前路口的最大限速，t为当前时间，

为领航者车辆V_i,1进入当前路口的时间，

为领航者车辆V_i,1到最近冲突点的距离。

进一步的，所述根据动态优先级设定车辆编队的规划运行状态的步骤包括以下步骤：

构建关于运动状态规划的目标函数；所述目标函数为

其中，s_i,1为第i个车辆编队的领航者车辆V_i,1在轨迹上的一维位置，a_i,1为领航者车辆V_i,1的加速度，T为离散系统的周期，N_p为规划时域，s_i,1(N_p-1)-s_i,1(0)为规划时域N_p内的前进距离，

为规划时域N_p内的加速度平方和；

以约束条件为优化对象求解所述目标函数；所述约束条件包括车辆编队的领航者沿轨迹的一维运动方程，初始位置和速度，速度与加速度范围约束，以及同车道避免追尾和不同车道避免碰撞；

根据求解结果规划车辆编队领航者车辆的规划运动状态。

进一步的，所述根据动态优先级设定车辆编队的规划运行状态的步骤还包括以下步骤：

基于编队一致性策略，结合车辆编队领航者车辆的规划运动状态，获得车辆编队跟随者车辆的规划运动状态。

进一步的，所述以规划运动状态为参考引导相应的车辆编队控制实际运动状态的步骤包括以下步骤：

将自主车辆的规划运动状态映射到所述路口模型中，获得在所述路口模型中的参考运动状态与参考控制输入；

根据所述参考运动状态与参考控制输入，结合自主车辆的实时运动状态，获得最优的期望运动输入；

根据所述期望运动输入控制自主车辆的实际运动状态。

进一步的，所述根据参考运动输入控制自主车辆的实际运动状态的步骤包括以下步骤：

根据自主车辆的实时坐标与实时速度，以及参考运动状态中的参考坐标和参考速度，进行控制时域的状态预测和滚动优化，并执行优化后的第一帧结果。

上述基于车辆编队的路口自主车辆调度与控制方法，实时获取当前路口范围内各自主车辆的位置、速度等定位信息，并依据该定位信息对路口范围内的车辆编队进行调整，具有较好的实时性。同时，基于定位信息计算每一个车辆编队的动态优先级，并按照优先级顺序在避让高优先级车辆编队的前提下为各编队依次规划运动状态，以保障各车不出现碰撞，提升了车辆的通行速度，减少通行耗时，且有较高的通行效率。

附图说明

图1为一个实施例的基于动态优先级的路口自主车辆调度与控制方法流程图；

图2为路口模型图；

图3为路口模型分区图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2与图3所示，在一个实施例中，一种基于车辆编队的路口自主车辆调度与控制方法，包括于以下步骤：

步骤S110，获取当前路口范围内自主车辆的定位信息。首先，根据当前路口各车道的走向、进入路口与离开路口的位置建立当前路口的二维坐标路口模型，所述路口模型包括车道边界、停车线、行车轨迹线、各行车轨迹线的相交形成的冲突点、各冲突点在二维坐标系内的冲突点坐标与同一行车轨迹线上相邻冲突点之间的长度以及停车线到冲突点之间的长度。路口模型分为编队区、通行区和解散区。然后，设置用于处理路口自主车辆调度任务的路口调度中心，路口调度中心采用V2X进行通讯。自主车辆采用车载GPS(GlobalPositioning System，全球定位系统)、UWB(Ultra Wide Band，超宽带)或者IMU(InertialMeasurement Unit，惯性传感器)定位，车辆自身通过V2X(vehicle to X，车用无线通信技术)等车联网设备，将定位信息发送给路口调度中心。另外，还可以通过路侧视觉或者路测雷达获取自主车辆定位信息。定位信息包括自主车辆实时位置、实时朝向角、实时速度、实时加速度、实时前轮偏角以及车辆的时间信息。

步骤S120，根据定位信息将同一车道距离接近的自主车辆合并成车辆编队。其中第一辆为领航者，其余为跟随者。首先，在初始状态时，当前路口范围内每一个自主车辆独立构成一个车辆编队，且该自主车辆是该编队的领航者车辆。其次，根据各自主车辆在车道上的一维位置信息，将同一车道编队区内距离接近的车辆队列进行合并，其中第一辆车为领航者，其余车辆为跟随者。对于已经驶离同行区进入解散区的领航者车辆，使其从队列中脱离，并加速至最大速度继续前进，由第一个跟随者车辆代替原来的领航者成为新的领航者车辆。对于在同一车道内的两车辆编队，若前队尾车与后队头车间的距离小于编队合并距离阈值，则两队合并，其中前队的领航者为新编队的领航者，其余自主车辆为新编队的跟随者。

步骤S130，根据定位信息计算车辆编队的动态优先级。以车辆编队的领航者为代表，根据领航者车辆的定位信息，计算领航者车辆的动态优先级，因领航者车辆的运动状态在编队中优先，因此领航者车辆的动态优先级也代表着车辆编队的动态优先级。计算得到每一个编队的动态优先级数值，并对所有自主车辆队列按照优先级数值从高到低进行排序。

步骤S140，根据动态优先级设定车辆编队的规划运动状态。按照优先级的顺序，在避让高优先级自主车辆的条件下，为首先获得各编队领航者车辆的规划运动状态，然后再根据领航者车辆的规划运动状态获取跟随者车辆的规划运动状态。

步骤S150，以规划运动状态为参考引导相应的车辆编队控制实际运动状态。所有自主车辆完成运动状态规划后，各车对自身的运动进行控制，以使得实际运动状态与规划运动状态尽可能接近。

上述基于车辆编队的路口自主车辆调度与控制方法，实时获取当前路口范围内各自主车辆的位置、速度等定位信息，并依据该定位信息对路口范围内的车辆编队进行调整，具有较好的实时性。同时，基于定位信息计算每一个车辆编队的动态优先级，并按照优先级顺序在避让高优先级车辆编队的前提下为各编队依次规划运动状态，以保障各车不出现碰撞，提升了车辆的通行速度，减少通行耗时，且有较高的通行效率。

在本实施例中，根据定位信息计算车辆编队的动态优先级的步骤包括以下步骤：

根据车辆编队领航者的速度、在当前路口的最大限速、在当前路口停留的时间以及到最近冲突点的距离计算车辆编队的动态优先级的数值，

式中，PR_i为第i个车辆编队V_i的动态优先级，v_i,1为领航者车辆V_i,1的速度，

为当前路口的最大限速，t为当前时间，

为领航者车辆V_i,1进入当前路口的时间，

为领航者车辆V_i,1到最近冲突点的距离。因领航者车辆的运动状态在编队中优先，因此车辆编队的动态优先级也为领航者车辆的动态优先级。计算完当前路口范围内全部车辆编队的优先级后，对所有领航者车辆按照优先级从高到低排序，按照该顺序为各领航者车辆进行运动规划。

在本实施例中，根据动态优先级设定车辆编队的规划运行状态的步骤包括以下步骤：

首先，构建关于运动状态规划的目标函数。该目标函数为

其中，s_i,1为领航者车辆V_i,1在轨迹上的一维位置，a_i,1为领航者车辆V_i,1的加速度，T为离散系统的周期，N_p为规划时域，s_i,1(N_p-1)-s_i,1(0)为规划时域N_p内的前进距离，

为规划时域N_p内的加速度平方和，k为领航者车辆V_i,1到冲突点的时间。优化问题的目标函数为在考虑乘坐舒适性的条件下使自主车辆在规划时域内的前进距离最远。在关于运动状态规划的问题中，目标函数由两项构成。第一项为规划时域Np内，车辆前进距离取反，当前进的距离越远时，目标函数的值越小；第二项为规划时域Np内加速度平方的累加，是从舒适性的角度出发，以提高行驶过程中速度变化的平稳性。因此，该规划的目标为优化未来Np步的前进距离和加速度幅值，即提高路口调度的效率与车辆乘坐的舒适性。

其次，以约束条件为优化对象求解目标函数。约束条件包括领航者车辆沿轨迹的一维运动方程，初始位置和速度，速度与加速度范围约束，以及同车道避免追尾和不同车道避免碰撞。求解该规划问题可以得到领航者车辆V_i,1在Np步内沿轨迹的参考位移s_i,r(k)、速度v_i,r(k)和加速度a_i,r(k)，k＝0,1,…,N_p-1，r为车道编号。

根据求解结果规划领航者车辆的运动状态。根据优化结果，可以得到领航者车辆V_i,1通过各冲突点l处的时间

该时间信息将用于后续其他车辆的运动规划。

在本实施例中，根据动态优先级设定车辆编队的规划运行状态的步骤还包括以下步骤：

基于编队一致性策略，结合车辆编队领航者车辆的规划运动状态，获得车辆编队跟随者车辆的规划运动状态。对于每一个含有跟随者车辆的编队，使用如下的编队一致性策略，来规划编队内所有跟随者车辆的运动状态，其中K_s,i,j和K_v,i,j分别为车辆一致性运动规划中的距离因子和速度因子，s_i,j,r(k)、v_i,j,r(k)和a_i,j,r(k)分别为车队i中第j个自主车辆沿轨迹的位置、速度和加速度，k＝0,1,…,N_p-1，r为车道编号,T为离散系统的周期。规划所得结果为跟随者车辆沿轨迹的规划运动状态。编队一致性策略为：

对于排序后的全部车辆编队，按照该顺序分别为第一个车辆编队的领航者车辆与跟随者车辆完成运动状态规划后，再以避让优先编队的所有车辆为条件，规划第二个编队内领航者与跟随者车辆的运动状态。

在本实施例中，以规划运动状态为参考引导相应的车辆编队控制实际运动状态的步骤包括以下步骤：

将车辆编队的规划运动状态映射到路口模型中，获得在路口模型中的参考运动状态与参考控制输入。将规划运动状态映射到路口模型中，得到其在路口模型中的坐标(x_r,y_r)、朝向角θ_r、速度v_r等参考运动状态和加速度a_r、前轮偏角δ_r等参考控制输入。

根据参考运动状态与参考控制输入，结合自主车辆的实时运动状态，获得最优的期望运动输入。根据期望运动输入控制自主车辆的实际运动状态。根据自主车辆的实时坐标与实时速度，以及参考运动状态中的参考坐标和参考速度，进行控制时域的状态预测和滚动优化，并执行优化后的第一帧结果。

本发明本通过获取路口范围内各自主车辆的位置、速度等状态信息，实时地更新路口范围内所有车辆编队与自主车辆的信息，以使得同一编队的车辆相距较近。为所有自主车辆队列计算优先级，并按照优先级顺序在避让高优先级队列的前提下为各队列依次规划期望运动状态，以保障各车的期望运动状态不出现碰撞，且有较高的通行效率。其中一个车辆编队的领航者车辆在避让优先编队所有车辆的条件下规划运动状态，跟随者车辆则按照一致性策略规划运动状态，以使得同一队列内的车辆同步行驶，减少路口通行中的穿插次数，提高效率。在完成高优先级车辆编队内所有车辆的运动规划后，再为低优先级车辆编队进行规划。完成各车的运动状态规划后，各车使用模型预测控制方法，结合规划的参考运动状态与此时自主车辆的实际位置、速度等信息，得到实际应执行的控制输入，以使得自主车辆在未来一段时间内的实际运动状态与规划运动状态尽可能接近。通过循环执行上述步骤，来让路口内的车辆安全高效地完成通行。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于车辆编队的路口自主车辆调度与控制方法，其特征在于，包括于以下步骤：

获取当前路口范围内自主车辆的定位信息；

根据所述定位信息将同一车道距离接近的自主车辆合并成车辆编队，其中第一辆为领航者，其余为跟随者；

根据所述定位信息计算所述车辆编队动态优先级；

根据所述动态优先级设定所述车辆编队的规划运动状态；

以所述规划运动状态为参考引导相应的车辆编队控制实际运动状态。

2.根据权利要求1所述的基于车辆编队的路口自主车辆调度与控制方法，其特征在于，所述获取当前路口范围内自主车辆的定位信息的步骤之前还包括以下步骤：

根据当前路口各车道的走向、进入路口与离开路口的位置建立当前路口的二维坐标路口模型，所述路口模型包括车道边界、停车线、行车轨迹线、各行车轨迹线的相交形成的冲突点、各冲突点在二维坐标系内的冲突点坐标与同一行车轨迹线上相邻冲突点之间的长度以及停车线到冲突点之间的长度，所述路口模型分为编队区、通行区和解散区。

3.根据权利要求1所述的基于车辆编队的路口自主车辆调度与控制方法，其特征在于，所述根据定位信息将同一车道距离接近的自主车辆合并成车辆编队的步骤之前还包括以下步骤：

初始时将当前路口范围内的每一个自主车辆构成一个车辆编队，且该自主车辆为该编队的领航者车辆。

4.根据权利要求2所述的基于车辆编队的路口自主车辆调度与控制方法，其特征在于，所述根据定位信息将同一车道距离接近的自主车辆合并成车辆编队的步骤之后还包括以下步骤：

将已驶离通行区进入解散区的领航者车辆从队列中脱离，由第一个跟随者车辆代替原来的领航者成为新的领航者车辆。

5.根据权利要求1所述的基于车辆编队的路口自主车辆调度与控制方法，其特征在于，所述根据定位信息将同一车道距离接近的自主车辆合并成车辆编队的步骤之后还包括以下步骤：

对于在同一车道内的两车辆编队，若前队尾车与后队头车间的距离小于编队合并距离阈值，则两队合并，其中前队的领航者为新编队的领航者，其余自主车辆为新编队的跟随者。

6.根据权利要求1所述的基于车辆编队的路口自主车辆调度与控制方法，其特征在于，所述根据所述定位信息计算所述车辆编队的动态优先级的步骤包括以下步骤：

根据车辆编队领航者的速度、在当前路口的最大限速、在当前路口停留的时间以及到最近冲突点的距离计算车辆编队动态优先级的数值，

式中，PR_i为第i个车辆编队V_i的动态优先级，v_i，1为领航者车辆V_i，1的速度，

为当前路口的最大限速，t为当前时间，

为领航者车辆V_i，1进入当前路口的时间，

为领航者车辆V_i，1到最近冲突点的距离。

7.根据权利要求1所述的基于车辆编队的路口自主车辆调度与控制方法，其特征在于，所述根据动态优先级设定车辆编队的规划运行状态的步骤包括以下步骤：

构建关于运动状态规划的目标函数；所述目标函数为

其中，s_i，1为第i个车辆编队的领航者车辆V_i，1在轨迹上的一维位置，a_i，1为领航者车辆V_i，1的加速度，T为离散系统的周期，N_p为规划时域，s_i，1(N_p-1)-s_i，1(0)为规划时域N_p内的前进距离，

为规划时域N_p内的加速度平方和；

以约束条件为优化对象求解所述目标函数；所述约束条件包括车辆编队的领航者沿轨迹的一维运动方程，初始位置和速度，速度与加速度范围约束，以及同车道避免追尾和不同车道避免碰撞；

根据求解结果规划车辆编队领航者车辆的规划运动状态。

8.根据权利要求7所述的基于车辆编队的路口自主车辆调度与控制方法，其特征在于，所述根据动态优先级设定车辆编队的规划运行状态的步骤还包括以下步骤：

基于编队一致性策略，结合车辆编队领航者车辆的规划运动状态，获得车辆编队跟随者车辆的规划运动状态。

9.根据权利要求8所述的基于车辆编队的路口自主车辆调度与控制方法，其特征在于，所述以规划运动状态为参考引导相应的车辆编队控制实际运动状态的步骤包括以下步骤：

将自主车辆的规划运动状态映射到所述路口模型中，获得在所述路口模型中的参考运动状态与参考控制输入；

根据所述参考运动状态与参考控制输入，结合自主车辆的实时运动状态，获得最优的期望运动输入；

根据所述期望运动输入控制自主车辆的实际运动状态。

10.根据权利要求9所述的基于车辆编队的路口自主车辆调度与控制方法，其特征在于，所述根据参考运动输入控制自主车辆的实际运动状态的步骤包括以下步骤：

根据自主车辆的实时坐标与实时速度，以及参考运动状态中的参考坐标和参考速度，进行控制时域的状态预测和滚动优化，并执行优化后的第一帧结果。

Images