[發明專利]一種無紅綠燈的車輛交叉口協調方法

在審

• 申請號: 202010932039.2
• 申請日: 2020-09-08
• 公開（公告）號: CN112185132A
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發明（設計）人: 史彥軍;梁東林;呂玲玲;韓俏梅
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G08G1/07
• 分類號: G08G1/07;G08G1/08;G08G1/087;G08G1/16;H04W4/44;H04W4/80
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

1.一種無紅綠燈的車輛交叉口協調方法，其特征在于，步驟如下：

第一步：建立交叉口協調單元(ICU)和智能網聯汽車(CAV)的協調通信機制

建立以交叉口協調單元和數據中心構成的交叉口協調管理器，并使用短程通信標準中定義的標準通信協議使得所有通過交叉口的智能網聯汽車都可由交叉口配備的ICU通過雙向通信進行操作；

第二步：ICU對智能網聯汽車進行輸入管理

2.1所有的智能網聯汽車通過其獨立的駕駛系統接近交叉口，當車輛進入距交叉口設定距離時，ICU接受車輛信息并僅控制車輛沿車道的縱向移動，并且調控其加速度使其速度限制在接近交叉口的規定速度范圍內；

2.2當智能網聯汽車進入到交叉口的最小安全距離a時，ICU根據所有接近交叉口車輛的信息計算出其行車軌跡，得出眾多的交叉碰撞點，在限定的約束條件以及最小化性能成本指標的基礎上控制其車輛的輸入，使得每對沖突車輛在不同時接近其交叉碰撞點(CCP)的條件下快速通過交叉口，其約束條件以及成本函數在3.4和3.5中展示；

2.3一旦車輛通過交叉口，其控制權就轉移到其獨立的驅動系統上，之后ICU開始協調一組新的車輛以同樣的方式通過交叉口；

第三步：ICU對智能網聯汽車輸入管理的策略；

3.1車輛進入交叉口最小安全距離a之前

設交叉口一次協調車輛的總數為N＝6M，每條車道各取車輛數M；A-F車道上第N輛車距離(與交叉口的距離)定義向量類似的，v∈R^N和u∈R^N定義為A-F車輛上同一組車輛的速度和加速度；則描述車輛i縱向運動的離散狀態方程為：

為了避免每條車道上的追尾碰撞，本發明限制了兩輛連續車輛之間的最小間距：

x_i+1-x_i≥L_min (2)

式中，L_min是車輛長度和最小允許間隙的總和；

3.2車輛在經過交叉口時的風險函數

當一對沖突車輛在交叉口區域由潛在的碰撞危險即路徑相交時，本發明將其點命名為交叉碰撞點；基于交叉碰撞點的概念，提出以風險指標D_ij(t)來定量表示車輛i、j是否在t時刻對其交叉碰撞點構成潛在的威脅：

式中，a_i和a_j是正常數，與交叉碰撞點區域有關，或者說與沖突車輛的長度相關；b_ij和b_ji分別是CCP到車道l_i和l_j末端的距離；風險指標D_ij(t)≈1時，則可能發生碰撞風險，反之則可以忽略碰撞風險；引入一個二元變量λ_ij來說明車輛i、j是否存在CCP，即它們的路徑是否相交，若存在則值為1，反之為0；使用風險指標(3)定義了風險函數定量地表示在時間t時刻任意一對車輛i和j是否在CCP處構成碰撞風險：

式中，C是表示可能發生碰撞最高風險的正常數；

3.3車輛經過交叉口時的約束限制

車輛經過交叉口時，ICU每一步都要在有限時間內求解一個約束非線性優化問題以得到協調車輛的最優控制序列；為保證車輛在路段和交叉口的安全行駛；引入了一些約束條件：

上式定義了有關車輛速度和加速度的限制；

車輛必須產生足夠的橫向加速度才能使得它們安全地通過轉彎曲線以進行左轉或右轉運動；轉彎路徑所需的橫向加速度取決于輪胎和道路之間的摩擦力，也可由：

這里R_min是最小轉彎半徑，v_i是曲線上的速度；如果轉彎半徑較大，則車輛可以以一個較大的速度用更短的時間進行轉彎運動；提出一個非線性約束以確保車輛有足夠的橫向加速度進行轉彎運動：

這里β是常數，d_i是車道起點和交叉口中心之間的距離；正常數A和B可取較高的值使得兩者之和較車輛期望速度大出許多；當車輛位于交叉口中心位置時，即x_i+d_i＝0，上式變為了v_i≤B；當車輛距交叉口中心較遠時，即|x_i+d_i|＞＞0時，上式變為v_i≤A+B；為了確保在交叉口內的一對車輛不存在碰撞，定義了一個非線性約束：

在這里R_s是常數，代表了兩輛沖突車輛不發生碰撞的安全間距；滿足這個約束意味著在安全區域內尋找出最優解并且保證了交叉口內的車輛無碰撞；

3.5車輛性能成本指標

基于上述給出的車輛狀態、位置離散方程(1)、風險函數(4)以及非線性約束(5)-(8)，定義了一個性能成本指標：

這里T指預測時間長度，v_d是車輛期望速度，w_v和w_u是權重系數。

2.根據權利要求1所述的一種無紅綠燈的車輛交叉口協調方法，其特征在于，當在交叉口遇到應急情況時，應急車輛從A、B車道出現時，這時ICU在交叉口范圍內檢測到應急車輛，并將其列為優先通過車輛；在ICU調度下，A、B車道車輛在速度允許范圍內加速行進，C-F車道上還未進入交叉口內的車輛強制停止在交叉口最小間隙a之外，而已離開交叉口的車輛以加速后的速度快速離開交叉口區域為應急車輛的轉向提供道路；如果存在已進入但還未完全進入的車輛，則依照應急車輛所在車道車輛優先通過的原則讓行通過，即如果存在交叉碰撞點時，該車道加速而C-F車道減速使得應急車輛盡早通過；如果應急車輛存在轉彎需求時，即設A車道應急車輛需左轉進入F車道，則將B車道車輛按上文策略停車，待應急車輛在F車道離開交叉口最小距離a之后，恢復所有車輛的通行。