CN117542218A - 一种基于车速-车距引导控制的车路协同系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于车速‑车距引导控制的车路协同系统，所述系统部署在十字路口的灯塔中，包括：通信模块，用于对进入设定通信区域的车辆进行车道分配，用于收集进入通信区域内的车辆信息和交通信号灯信息，用于维护车辆集合，用于向车辆发送指令，还用于向十字路口的另一个灯塔发送消息；车速车距引导模块，用于根据车辆信息，建立车速引导模型，实时计算待汇入车辆与前后车辆间的距离及速度，引导车辆保持编队；脱离引导模块，用于在车辆离开通信区域时，维护准备离开车辆集合。本发明应用于复杂道路场景下道路车辆引导，提高燃油效率或电池电量的利用。

Description

一种基于车速-车距引导控制的车路协同系统

技术领域

本发明属于无人驾驶车路协同技术领域，尤其涉及一种基于车速-车距引导控制的车路协同系统。

背景技术

随着科技水平的迅猛发展，智能交通系统已经广泛运用。自动驾驶系统能够代替人类完成一系列的驾驶操作，它能够极大减轻驾驶员的身体疲劳。目前的自动驾驶系统主要是基于车辆本身的感知系统和规划算法相互协同来实现自动驾驶，因此在复杂的十字路口场景中可能存在视觉盲点或者传感器误差，而且单车智能也无法预测其他驾驶员的行为意图，对于突发性事件没有预知和解决能力。十字路口通常涉及多辆车辆同时交叉行驶，车辆之间需要相互协调和交互，包括遵守交通信号、让行、左转、右转等，单车智能系统需要更高的决策和规划能力来应对这种复杂性。但是现在单车智能系统尚未达到高级别自动驾驶商用阶段。

因此，迫切需要一个路侧灯塔系统在复杂的十字路口对于路口车辆进行接管，以保证复杂场景下的车辆和人员安全。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种基于车速-车距引导控制的车路协同系统。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于车速-车距引导控制的车路协同系统，所述系统部署在十字路口的灯塔中，包括：

通信模块，用于对进入设定通信区域的车辆进行车道分配，用于收集进入通信区域内的车辆信息和交通信号灯信息，用于维护车辆集合，用于向车辆发送指令，还用于向十字路口的另一个灯塔发送消息；

车速车距引导模块，用于根据车辆信息，建立车速引导模型，实时计算待汇入车辆与前后车辆间的距离及速度，引导车辆保持编队；和

脱离引导模块，用于在车辆离开通信区域时，维护准备离开车辆集合。

优选的，所述十字路口至少部署两个处于对角线上的灯塔。

优选的，所述进入通信区域内的车辆信息，包括车辆的静态信息和动态信息；其中，

所述静态信息包括；车辆的车牌号、OBU终端编号和车辆型号；

所述动态信息包括：车辆的瞬时速度、加速度、方向和GPS坐标。

优选的，所述交通信号灯信息包括：绿灯车辆直行信息、绿灯车辆左转信息、红灯车辆右转信息和红灯信息。

优选的，所述向十字路口的另一个灯塔发送消息，包括：车辆集合内的车辆意图及车辆位置信息。

优选的，所述车速引导模型满足下式：

其中，S_安为两车间的安全距离，ρ为反应时间，v_f为前车速度，v_r为后车速度，a_min，brake为最小刹车加速度，a_max，brake为最大刹车加速度，a_max，accel为最大加速度。

优选的，所述引导车辆保持编队；包括：当有第一车辆将汇入车队的A车和B车之间时，进行模拟预测，并进行引导。

优选的，所述引导车辆保持编队，包括：

步骤1)根据获取待进入车队的第一车辆以及现有车队前后车A车和B车的车辆信息及路况信息，包括第一车辆的速度V₁，第一车辆从初始位置到交叉路口的距离S₁，交叉路口转弯半径R，A车的车长L，A车的初始速度V_A，A车初始位置到交叉路口的距离S_A；B车的初始速度V_B，A车和B车的安全距离S₀，根据下式得到第一车辆从初始位置到汇入完成所用时间t₁：

步骤2)对A车和第一车辆的引导距离进行比较：

当A车在第一车辆之前，且S₁+D+L+S_安≥V_At₁≥S_A+D+L，其中，D为车道宽度：如果V_A＞V₁，无事故；如果V_A≤V₁，则A车需要加速；

当A车与第一车辆并行时，且S_A+D+L≥V_At₁≥S_A+D，会碰撞，则先引导车队通过，再引导第一车辆右转；

当A车在第一车辆之后，且S_A+D≥V_At₁时，如果V₁＞V_A，无事故；如果V₁≤V_A，则第一车辆需要加速；

步骤3)引导第一车辆汇入A车和B车之间：

当V_Bt₁＜S_A+S₀+L+D-(1.984V_B)时，如果V_B≤V₁，引导第一车辆正常行驶至B车与A车之间，并保持最小安全距离行驶，无需进行变速引导；如果V₁＞V_B，无事故；如果V₁≤V_B，则引导B车减速；

当V_Bt₁≥S_A+S₀+L+D-(1.984V_B)时，引导B车减速，以保证第一车辆安全汇入。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明应用于复杂道路场景下道路车辆引导，在灯塔可控制范围内实行对智能网联车辆车速-车距引导，达到快速通过复杂路口的目的；

2、本发明的路口灯塔设备能够通过实时掌握交叉口的交通流状况，提前调整车速和车距，车辆可以更准确地调整速度和保持安全车距；

3、本发明采用智能网联车辆车速-车距引导，使智能网联车辆更好地优化能源利用，提高燃油效率或电池电量的利用。

附图说明

图1是十字路口灯塔车速-车距引导控制的车路协同系统流程图；

图2是十字路口灯塔车速-车距引导控制的车路协同系统引导图；其中图2(a)是第一车辆汇入前示意图，图2(b)是第一车辆汇入后示意图；

图3是车路协同系统的引导流程图；

图4是图3中的子模块1具体处理流程。

具体实施方式

本申请旨在解决自动驾驶车辆在复杂十字路口交通环境中无法自行处理交通事件，因此，在一些复杂交通环境下，具备网联功能的自动驾驶车辆要求被灯塔所控制，引导其安全通过十字路口等复杂场景。保证交通的流畅性以及交通安全的可靠性。

1、建立一个通信模块，对车辆信息进行管理，对十字路口各车道内车辆进行整理分析，根据车辆发出的行驶方向信息，将进入通信区域内的车辆分配到各车道，以达到最优通行效率。进入通信区域的车辆首先加入进入区域车辆集合中，并开始向灯塔传输信息，自动上传车辆静态信息(车辆的车牌号、OBU终端编号、车型等)和动态行驶数据(车辆的瞬时速度、加速度、方向、GPS坐标等)，上传频率为1Hz。进入通信模块，车辆的控制权就掌握在灯塔上，如何行驶由灯塔发送指令。(通信区域内不考虑不同道路类型与天气状况因素造成的网络延迟影响，定义此区域内通信状态都达到最优情况)

2、车速-车距引导模块，以限速或安全约束允许的最高车速进入通信模块范围。车辆一旦进入通信模块范围内，就会从准备进入车辆集合中移除，并添加到准备离开车辆集合中。十字路口场景中，此处以直行车辆与右转车辆汇入进行分析。车速-车距引导，灯塔对车辆的动态数据以及交叉口处信号灯的信息进行分析，运用车速引导模型，实时计算车辆与交通信号灯之间的距离，分析得到车辆下一时刻的最佳速度，灯塔将分析得到的最佳速度反馈给车辆，从而实现对车辆引导。

3、脱离引导模块，车辆离开通信区域，将从准备离开车辆集合中删除。车辆最终离开通信模块范围，完成灯塔引导。该系统运用后，十字路口的车辆通过率相对于未使用该系统的十字路口通行率有所提高，车辆在十字路口处的停车率大大降低，同时在引导区域长度为100m时，车辆在十字路口的平均通行时间也将较大程度降低。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例

本发明的实施例提出了一种基于车速-车距引导控制的车路协同系统，系统部署在十字路口的灯塔中，包括：

通信模块，用于对进入设定通信区域的车辆进行车道分配，用于收集进入通信区域内的车辆信息和交通信号灯信息，用于维护车辆集合，用于向车辆发送指令，还用于向十字路口的另一个灯塔发送消息；

车速车距引导模块，用于根据车辆信息，建立车速引导模型，实时计算待汇入车辆与前后车辆间的距离及速度，引导车辆保持编队；

脱离引导模块，用于在车辆离开通信区域时，维护准备离开车辆集合。

具体步骤是：

步骤1，建立十字路口通信模块，保持十字路口通信范围内网络连接稳定，进入通信区域的车辆加入进入区域车辆集合中，开始向灯塔传输信息。灯塔部署表达式如下所示：

z₁为考虑到在连接中平均五分钟的车辆数量，用于判断该路口需要部署的灯塔最大数量。z₂为考虑到灯塔r和其它灯塔的平均连接鲁棒时长，来判断路口需要部署的灯塔最大数量。x_r和x_l为灯塔和连接选择为0或1，如果灯塔选择为r，则x_r＝1，其它情况x_r＝0。如果灯塔要覆盖任何连接l，x_l＝1，其它情况x_l＝0。N(l)为在连接中平均五分钟的车辆数量。C(r)为灯塔r和其它灯塔的平均连接鲁棒时长。c_r为灯塔r的安装成本。C为所有已部署灯塔的给定总成本。S_l为包含连接l的所有灯塔的集合。

步骤2，灯塔获得车辆静态信息(车辆的车牌号、OBU终端编号、车辆型号)和动态行驶数据(车辆的瞬时速度、加速度、方向、GPS坐标)。

步骤3，灯塔控制所有车辆的速度与同车道之间的相对距离，同车道车辆组成队列进行协同运动，灯塔实时向车辆发送控制指令。

根据《中华人民共和国交通道路安全法》及其实施法令规定，黄灯亮时，未跳过终止线的车辆不得通行，故在建立车速引导模型时，将黄灯情况下的情况与红灯下的情况相同。

在车辆车速引导过程中，车速的变化主要来自于车辆的加速度变化，假设系统信息处理频率为f(1Hz)，对车辆引导时，车辆的推荐速度v_next就可以表示为v_next＝v_current+a/f。若系统计算得到的加速度a可取的值为一定区间内的值时，系统会选取区间中值作为最优加速度。

步骤4，如图2所示，为车队A、B、C与右转汇入车辆1交互场景。灯塔A向灯塔B相互传递信号，灯塔B发送给灯塔A车辆1的意图与位置信息，灯塔A给灯塔B发送车队A、B、C的意图与位置信息。其中图2(a)是第一车辆汇入前示意图，图2(b)是第一车辆汇入后示意图。

步骤5，相互传递信息后，由灯塔B对所有运动中车辆进行引导，此时车队间距离必须保持纵向距离由最小安全距离模型，模型构建过程如下所示：

其中，v_f前车速度，v_r后车速度，ρ反应时间，a_min，brake最小刹车加速度，a_max，brake最大刹车加速度，a_max，accel最大加速度。如果车队与车辆1之间的距离不满足最小安全距离，则车辆1进入受阻，此时车队通过后，车辆1再进行右转。如果满足情况，灯塔引导车辆1进行汇入。

步骤6，灯塔对车辆动态数据以及十字路口处信号灯的信息进行分析，灯塔根据车辆数据，自适应控制红绿灯信号相位。灯塔A开始引导直行车队，灯塔B开始与灯塔A进行信息交互，车队进入十字路口，灯塔B开始引导车队车辆。

步骤7，满足最小安全距离，车辆1在灯塔B的引导下开始汇入过程，对车队以及车辆1引导汇入过程进行建模。

图3展示的是车辆1汇入车队过程中，灯塔引导流程图。车辆汇入引导可以在任何场景中进行，红灯右转遇上绿灯直行，发生交通事故引导车辆汇入、施工路段引导车辆汇入。其它正常行驶情况下不需要变道、汇入情况，只需要在灯塔引导下进行行驶即可。

步骤8，灯塔提前对车辆1的汇入过程进行引导，对车辆1需引导距离及时间进行建模，具体过程如下式所示：

其中V₁表示1车的速度，t₁表示1车从初始位置到汇入完成所用时间，S₁表示1车初始位置到交叉路口的距离，R表示交叉路口转弯半径，L表示车长，V_A表示A车的初始速度，S_A表示A车初始位置到交叉路口的距离；V_B表示A车后面B车的速度；S₀表示A车和B车的安全距离。

步骤9，灯塔对车队中A车的引导距离与车辆1引导距离相对比，分为三种情况，情况1如下：

若双方按照既定速度行驶且t₁时刻后A车在车辆1之前。如果A车速度大于车辆1速度，灯塔此时正常引导车辆，无事故发生。如果A车速度小于车辆1速度，灯塔此时引导A车加速。其中D表示车道宽度，S_安表示最小安全距离。

S₁+D+L+S_安≥V_At₁≥S_A+D+L

情况2如下：

此时A车与车辆1并行情况易发生碰撞。灯塔引导1车过程中，A车与1车有碰撞风险发生，若车A车速度大于车辆1，灯塔首先引导车队通过之后，再引导车辆1进行右转。若A车速度小于车辆1，车辆1加速，A车减速。

S_A+D+L≥V_At₁≥S_A+D会碰撞

情况3如下：

若双方按照既定速度行驶且t₁时刻后车辆1在A车后方，如果车辆1行驶速度大于A车，无事故发生，灯塔正常引导。如果车辆1行驶速度小于A车，则灯塔对车辆1进行加速引导。

S_A+D≥V_At₁

步骤10，考虑A车行驶正常，此时灯塔引导车辆1将汇入A车与B车之间。分为三种情况考虑如图4所示。情况1如下所示：

V_Bt₁＜S_A+S₀+L+D-(1.984V_B)

V_B≤V₁

此时，灯塔引导车辆1正常行驶至B车与A车之间，并保持最小安全距离行驶，无需进行变速引导。

情况2如下所示：

V_Bt₁＜S_A+S₀+L+D-(1.984V_B)

此时，B车与车辆1将小于最小安全距离。灯塔引导B车及后续车队车辆速度大于车辆1的情况下，灯塔引导B车后车队进行同时减速操作以保证车辆1安全汇入。

情况3如下所示：

V_Bt₁≥S_A+S₀+L+D-(1.984V_B)

此时，B车将与车辆1之间发生碰撞。为避免情况，灯塔对B车进行减速来保证车辆1安全引导汇入。

步骤11，车辆1在灯塔引导下顺利进入车队中，形成新的车队，灯塔B引导新车队离开通信区域。

步骤12，离开通信区域的车辆从灯塔车辆集中删除，灯塔自动清除所有相关车辆数据，灯塔继续对其它车辆行为进行引导。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于车速-车距引导控制的车路协同系统，其特征在于，所述系统部署在十字路口的灯塔中，包括：

通信模块，用于对进入设定通信区域的车辆进行车道分配，用于收集进入通信区域内的车辆信息和交通信号灯信息，用于维护车辆集合，用于向车辆发送指令，还用于向十字路口的另一个灯塔发送消息；

车速车距引导模块，用于根据车辆信息，建立车速引导模型，实时计算待汇入车辆与前后车辆间的距离及速度，引导车辆保持编队；和

脱离引导模块，用于在车辆离开通信区域时，维护准备离开车辆集合。

2.根据权利要求1所述的基于车速-车距引导控制的车路协同系统，其特征在于，所述十字路口至少部署两个处于对角线上的灯塔。

3.根据权利要求1所述的基于车速-车距引导控制的车路协同系统，其特征在于，所述进入通信区域内的车辆信息，包括车辆的静态信息和动态信息；其中，

所述静态信息包括；车辆的车牌号、OBU终端编号和车辆型号；

所述动态信息包括：车辆的瞬时速度、加速度、方向和GPS坐标。

4.根据权利要求1所述的基于车速-车距引导控制的车路协同系统，其特征在于，所述交通信号灯信息包括：绿灯车辆直行信息、绿灯车辆左转信息、红灯车辆右转信息和红灯信息。

5.根据权利要求1所述的基于车速-车距引导控制的车路协同系统，其特征在于，所述向十字路口的另一个灯塔发送消息，包括：车辆集合内的车辆意图及车辆位置信息。

6.根据权利要求1所述的基于车速-车距引导控制的车路协同系统，其特征在于，所述车速引导模型满足下式：

其中，S_安为两车间的安全距离，ρ为反应时间，v_f为前车速度，v_r为后车速度，a_min,brake为最小刹车加速度，a_max,brake为最大刹车加速度，a_max,accel为最大加速度。

7.根据权利要求5所述的基于车速-车距引导控制的车路协同系统，其特征在于，所述引导车辆保持编队；包括：当有第一车辆将汇入车队的A车和B车之间时，进行模拟预测，并进行引导。

8.根据权利要求6所述的基于车速-车距引导控制的车路协同系统，其特征在于，所述引导车辆保持编队，包括：

步骤1)根据获取待进入车队的第一车辆以及现有车队前后车A车和B车的车辆信息及路况信息，包括第一车辆的速度V₁，第一车辆从初始位置到交叉路口的距离S₁，交叉路口转弯半径R，A车的车长L，A车的初始速度V_A，A车初始位置到交叉路口的距离S_A；B车的初始速度V_B，A车和B车的安全距离S₀，根据下式得到第一车辆从初始位置到汇入完成所用时间t₁：

步骤2)对A车和第一车辆的引导距离进行比较：

当A车在第一车辆之前，且S₁+D+L+S_安≥V_At₁≥S_A+D+L，其中，D为车道宽度：如果V_A＞V₁，无事故；如果V_A≤V₁，则A车需要加速；

当A车与第一车辆并行时，且S_A+D+L≥V_At₁≥S_A+D，会碰撞，则先引导车队通过，再引导第一车辆右转；

当A车在第一车辆之后，且S_A+D≥V_At₁时，如果V₁＞V_A，无事故；如果V₁≤V_A，则第一车辆需要加速；

步骤3)引导第一车辆汇入A车和B车之间：

当V_Bt₁＜S_A+S₀+L+D-(1.984V_B)时，如果V_B≤V₁，引导第一车辆正常行驶至B车与A车之间，并保持最小安全距离行驶，无需进行变速引导；如果V₁＞V_B，无事故；如果V₁≤V_B，则B车需要减速；

当V_Bt₁≥S_A+S₀+L+D-(1.984V_B)时，B车需要减速，以保证第一车辆安全汇入。