CN113268817B - 基于动态优先级的路口自主车辆调度与控制方法 - Google Patents

基于动态优先级的路口自主车辆调度与控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于动态优先级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；根据定位信息计算自主车辆的动态优先级；根据动态优先级设定自主车辆的规划运动状态；以规划运动状态为参考引导相应的自主车辆控制实际运动状态。上述基于动态优先级的路口自主车辆调度与控制方法，通过各自主车辆的定位信息计算车辆的动态优先级，以高动态优先级的自主车辆优先通行为原则设定每辆自主车辆的规划运动状态，避免了高优先级车辆为避让低优先级车辆而减速，从而提升了车辆的通行速度，减少通行耗时，具有较好的实时性与较高的通行效率。

Description

基于动态优先级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动态优先级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动态优先级的路口自主车辆调度与控制方法。
一种基于动态优先级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；
根据所述定位信息计算自主车辆的动态优先级；
根据所述动态优先级设定自主车辆的规划运动状态；
以所述规划运动状态为参考引导相应的自主车辆控制实际运动状态。
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系路口模型，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。
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包括以下步骤：
设置用于处理路口自主车辆调度任务的路口调度，所述路口调度中心节点采用V2X进行通讯。
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包括以下步骤：
通过传感器采集自主车辆定位信息，所述传感器包括车载GPS、UWB、IMU以及路侧视觉、路测雷达中的一种或者多种，所述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。
进一步的，所述根据所述定位信息计算自主车辆的动态优先级的步骤包括以下步骤：
根据自主车辆的速度、当前路口的最大限速、当前路口停留的时间以及到最近冲突点的距离计算动态优先级的数值，
Figure GDA0003863174280000021
式中，PRi为第i辆自主车辆Vi的动态优先级，vi为第i辆自主车辆Vi的速度，
Figure GDA0003863174280000022
为当前路口的最大限速，t为当前时间，
Figure GDA0003863174280000023
为自主车辆Vi进入当前路口的时间，
Figure GDA0003863174280000024
为自主车辆Vi到最近冲突点的距离。
进一步的，所述根据动态优先级制定自主车辆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
Figure GDA0003863174280000031
其中，si为自主车辆Vi在轨迹上的一维位置，ai为自主车辆Vi的加速度，T为离散系统的周期，Np为规划时域，si(Np-1)-si(0)为规划时域Np内的前进距离，
Figure GDA0003863174280000032
为规划时域Np内的加速度平方和，k为自主车辆Vi到冲突点的时间；
以约束条件为优化对象求解所述目标函数；所述约束条件包括自主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；
根据求解结果规划自主车辆的运动状态。
进一步的，所述以规划运动状态为参考引导相应的自主车辆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，所述参考运动状态包括参考坐标、参考朝向角与参考速度，所述参考控制输入包括参考加速度与参考前轮偏角。
进一步的，所述根据所述期望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。
上述基于动态优先级的路口自主车辆调度与控制方法，通过各自主车辆的定位信息计算车辆的动态优先级，以高动态优先级的自主车辆优先通行为原则设定每辆自主车辆的规划运动状态，避免了高优先级车辆为避让低优先级车辆而减速，从而提升了车辆的通行速度，减少通行耗时，具有较好的实时性与较高的通行效率。
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。
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与图2所示，在一个实施例中，一种基于动态优先级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。设置用于处理路口自主车辆调度任务的路口调度中心，且路口调度中心采用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(Inertial Measurement 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，根据定位信息计算自主车辆的动态优先级。获取的各自主车辆定位信息并进行处理，计算得到每辆自主车辆的动态优先级数值，并对所有自主车辆按照优先级数值从高到低进行排序。
步骤S130，根据动态优先级设定自主车辆的规划运动状态。按照优先级的顺序，在避让高优先级自主车辆的条件下，为各车依次进行运动状态的规划。
步骤S140，以规划运动状态为参考引导相应的自主车辆控制实际运动状态。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。
上述基于动态优先级的路口自主车辆调度与控制方法，通过各自主车辆的定位信息计算车辆的动态优先级，以高动态优先级的自主车辆优先通行为原则设定每辆自主车辆的规划运动状态，避免了高优先级车辆为避让低优先级车辆而减速，从而提升了车辆的通行速度，减少通行耗时，具有较好的实时性与较高的通行效率。
在本实施例中，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系路口模型。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。
在本实施例中，根据定位信息计算自主车辆的动态优先级的步骤包括以下步骤：
根据自主车辆的速度、当前路口的最大限速、当前路口停留的时间以及到最近冲突点的距离计算动态优先级的数值，
Figure GDA0003863174280000051
式中，PRi为第i辆自主车辆Vi的动态优先级，vi为第i辆自主车辆Vi的速度，
Figure GDA0003863174280000052
为当前路口的最大限速，t为当前时间，
Figure GDA0003863174280000053
为自主车辆Vi进入当前路口的时间，
Figure GDA0003863174280000054
为自主车辆Vi到最近冲突点的距离，
Figure GDA0003863174280000055
即为自主车辆Vi在当前路口内已经存在的时长。计算完当前路口范围内全部车辆的优先级后，对所有车辆按照优先级从高到低排序，按照该顺序为各车进行运动规划。
在本实施例中，根据动态优先级制定自主车辆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
Figure GDA0003863174280000061
其中，si为自主车辆Vi在轨迹上的一维位置，ai为自主车辆Vi的加速度，T为离散系统的周期，Np为规划时域，si(Np-1)-si(0)为规划时域Np内的前进距离，
Figure GDA0003863174280000062
为规划时域Np内的加速度平方和，k为自主车辆Vi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。约束条件包括自主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车辆Vi在Np步内沿轨迹的参考位移si,r(k)、速度vi,r(k)和加速度ai,r(k)，k＝0,1,…,Np-1，r为车道编号。
根据求解结果规划自主车辆的运动状态。根据优化结果，可以得到车辆Vi通过各冲突点l处的时间
Figure GDA0003863174280000063
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，以规划运动状态为参考引导相应的自主车辆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(xr,yr)、朝向角θr、速度vr等参考运动状态和加速度ar、前轮偏角δr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。
本发明首先获取场景内各车辆的位置、速度等状态信息，计算每一自主辆车的动态优先级，并按优先级顺序为各车进行运动规划，得到各车未来一段时间的期望位置、速度、加速度、朝向、前轮偏角等参考信息作为规划运动状态。根据规划运动状态的结果和各车的实时位置和速度，每一辆自主车辆对自身的实际运动状态进行控制，以使得未来的实际运动状态尽可能接近规划运动状态，从而实现路口范围内的所有自主车辆的高效通行。
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 (7)

1.一种基于动态优先级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；
根据所述定位信息计算自主车辆的动态优先级；
根据所述动态优先级设定自主车辆的规划运动状态；
以所述规划运动状态为参考引导相应的自主车辆控制实际运动状态；
其中，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系路口模型；
所述根据所述定位信息计算自主车辆的动态优先级的步骤包括以下步骤：
根据自主车辆的速度、当前路口的最大限速、当前路口停留的时间以及到最近冲突点的距离计算动态优先级的数值，
Figure FDA0003863174270000011
式中，PRi为第i辆自主车辆Vi的动态优先级，vi为第i辆自主车辆Vi的速度，
Figure FDA0003863174270000012
为当前路口的最大限速，t为当前时间，
Figure FDA0003863174270000013
为自主车辆Vi进入当前路口的时间，
Figure FDA0003863174270000014
为自主车辆Vi到最近冲突点的距离；
所述根据动态优先级制定自主车辆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
Figure FDA0003863174270000015
其中，si为自主车辆Vi在轨迹上的一维位置，ai为自主车辆Vi的加速度，T为离散系统的周期，Np为规划时域，si(Np-1)-si(0)为规划时域Np内的前进距离，
Figure FDA0003863174270000016
为规划时域Np内的加速度平方和，k为自主车辆Vi到冲突点的时间；
以约束条件为优化对象求解所述目标函数；所述约束条件包括自主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；
根据求解结果规划自主车辆的运动状态。
2.根据权利要求1所述的基于动态优先级的路口自主车辆调度与控制方法，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的基于动态优先级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包括以下步骤：
设置用于处理路口自主车辆调度任务的路口调度中心，所述路口调度中心采用V2X进行通讯。
4.根据权利要求1所述的基于动态优先级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包括以下步骤：
通过传感器采集自主车辆定位信息，所述传感器包括车载GPS、UWB、IMU以及路侧视觉、路测雷达中的一种或者多种，所述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。
5.根据权利要求1所述的基于动态优先级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自主车辆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。
6.根据权利要求5所述的基于动态优先级的路口自主车辆调度与控制方法，其特征在于，所述参考运动状态包括参考坐标、参考朝向角与参考速度，所述参考控制输入包括参考加速度与参考前轮偏角。
7.根据权利要求6所述的基于动态优先级的路口自主车辆调度与控制方法，其特征在于，所述根据所述期望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。
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