[發明專利]封閉場景下無人駕駛車群構建及評價方法

有效

• 申請號: 202110308107.2
• 申請日: 2021-03-23
• 公開（公告）號: CN112953780B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 程久軍;魏超;周愛國;原桂遠;毛其超
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: H04L41/14
• 分類號: H04L41/14;H04L67/12
• 代理公司: 上海科律專利代理事務所(特殊普通合伙) 31290
• 代理人: 葉鳳

1.一種封閉場景下無人駕駛車群構建及評價方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1.相關定義；

步驟2.無人駕駛車群構建；

步驟2.1無人駕駛車群節點初始化；

步驟2.2無人駕駛車群節點加入；

步驟2.3無人駕駛車群節點離開；

步驟2.4引領節點及其更替策略；

步驟3.車群質量評價方法；

步驟1中相關定義如下：

(1)車群屬性定義

定義1車輛節點直連度VCF(Vehicle Connect Factor)：表示兩個無人駕駛車輛節點v_a和v_b在t時刻的連通的邊的狀態，數學表達式為(1)：

VCF(v_a,v_b,t)＝[len_t(v_a,v_b)≤D_des] (1)

其中，len_t(v_a,v_b)表示無人駕駛車輛節點v_a和v_b之間的距離，D_des表示節點v之間最小通信距離；[]表示符號函數，表達式車輛節點直連度VCF(v_a,v_b,t)在v_a,v_b節點間距離小于最小通信距離時取1，否則為0；

定義2車輛鄰接節點AdjNode(Adjecent Node)：當無人駕駛車輛節點v_a與節點v_b之間的直連度VCF(v_a,v_b)0，則稱節點A與節點B是彼此的鄰接節點；在無人駕駛車群網絡結構圖中，直接表現為從節點v_a出發時存在有一條邊連接到v_b，數學表達式為(2)：

AdjNode(v_a,v_b)＝1 if VCF(v_a,v_b)0 (2)

定義3可連通車輛節點集：表示在t時刻所有與無人駕駛車輛節點v_a可直接連通的無人駕駛節點的集合，數學表達式為(3.3)：

其中，VCF(v_a,v_b)表示無人駕駛車輛節點v_a和節點v_b之間的直連度，當直連度大于閾值時，兩節點間可以之間連通；

定義4車輛節點引領度VNCL：表示無人駕駛車輛節點v_a在當前時刻關于車群內其他節點的重要程度；將t時刻節點v_a的車輛節點引領度VNCL值記為C_a,t，則有：

其中，x_a,t表示車輛節點a在t時刻時所在的x軸坐標，v_x,a,t表示車輛節點a在t時刻對應的速度分量，y_a,t表示車輛節點v_a在t時刻時所在的y軸坐標，v_y,a,t表示車輛節點v_a在t時刻對應的速度，分量|G_i,t|表示車輛節點所在車群在t時刻的規模；α表示車輛節點a在t時刻時所在的坐標軸上對應的權重；車輛節點引領度VNCL值越大，說明車輛節點在二維空間中位置更靠前，相對于其他節點更能提前感知路況信息；

定義5車輛節點連通強度VNCC：表示無人駕駛車輛節點v_a在t時刻與周圍節點連通量總和，記為N_i(t)，則有：

其中，VCF(v_a,v_b)表示無人駕駛車輛節點v_a和節點v_b之間的直連度，當直連度大于閾值時，兩節點間存在連通強度記為1；

定義6車輛節點連通代價VNSE：表示無人駕駛車群中其他節點與當前車輛節點v_a所需要的通信代價，記為M_a(t),則有：

其中WS表示連接權重集合{w_i|i＝1,2…k}，k表示最大鄰接節點數量，車輛節點連通代價VNSE值越大，說明其他節點與節點v_a通信所需要的成本就越高；

(2)車群節點狀態定義

定義7初始化狀態IS(Initialize State)：描述的是封閉式場景下每個無人駕駛車輛在最開始處于的狀態；在整個初始化的過程中，所有的無人駕駛車輛節點都會保存和更新一個節點狀態存儲表NLB(Node Last Table)，這其中保存著當前節點運行狀態以及所有與該節點直連的節點運行信息，對于處在CS(Common State)狀態的節點，還需要維護該節點到引領節點LS(Leading State)的跳數之和與引領節點LS連通過程中經過的節點CS的車輛節點的ID；

定義8離群節點狀態OS(Outlier State)：描述的狀態是在封閉式場景下無人駕駛車輛節點不歸屬于任何車群，并且該節點周圍所有車群都拒絕其加入，則該車輛節點處于離群節點狀態；

定義9引領節點狀態LS：無人駕駛車群中，引領節點是車群中車群節點引領度VNCL值最高的節點：

LN＝{v|VNCL_v＝max(VNCL_G),v∈G} (7)

無人駕駛車群引領節點的職能是對車群內部的各項信息進行存儲與更新，車群內所有連接的節點，車群內各節點的GPS定位信息以及車群節點引領優先級表；在無人駕駛車群形成算法中，引領節點作為車群的決策者根據相關輸入來判斷一個車群外節點符合加入的條件；

其中，VNCL_G表示無人駕駛車群G所有節點引領度集合，VNCL_v表示車輛節點v的節點引領度；

定義10成員節點狀態CS：無人駕駛車群中，除了引領節點LS以外，剩余節點都處于成員節點狀態CS；在車群失去引領節點LS后，剩余普通節點CS可以通過節點引領優先級表，競選車群的新任引領節點LS；

所述步驟2.2中無人駕駛車群節點加入的算法步驟如下：

1)車輛在其通信距離可達范圍內搜索，如果存在引領節點，則向該引領節點發送加入車群請求數據包，即JC數據包，引領節點接收到來自車群外部車群的加入請求數據包后，按照相應條件判斷是否適合加入此車群，返回相應的請求結果數據包；若請求結果為通過，則引領節點廣播JC數據包，并更新車群成員信息表；

其中，決策函數decision(x)為車群引領節點提供決策依據的函數，該函數綜合考慮了車群方位、車輛節點連通代價、車輛節點連通強度指標，使得車群節點加入的決策足夠客觀，決策函數decision(x)數學定義如下：

其中Δ表示為假設車輛加入車群后發生的變化，若決策函數decision(x)的值小于閾值α，則引領節點通過加入申請，否認這引領節點拒絕該節點的加入申請；

2)如果車輛在其通信距離可達范圍內未找到引領節點，只存在成員節點；則該車輛通過成員節點轉發加入請求數據包給引領節點，引領節點按照相應條件判斷該車輛是否合適加入到此車群，并通過成員節點轉發請求結果數據包給該無人駕駛車輛；若請求結果為通過，則引領節點廣播JC數據包，并更新車群成員信息表；

3)如果車輛節點接收到來自車群引領節點發送或有車群成員信息節點轉發的請求結果數據包且請求結果為通過，則該車輛節點狀態轉換到普通節點狀態，所在車群ID和車群引領節點ID更新為對應車群ID和車群引領節點ID；如果加入請求未被引領節點通過，則返回到1)重新申請加入通信距離內的其他車群；

4)如果該車輛在其通信范圍內未找到可以加入的車群，則它轉換為引領節點并廣播CH_ADV數據包；

所述步驟2.3中無人駕駛車群節點離開的算法如下：

1)無人駕駛車群中任意節點v_a如果在給定時間量TIME_LIMIT內沒有接收到來自其某個鄰接車輛節點v_m廣播的HB數據包，判定該節點因突發狀況被動離開車群；

2)無人駕駛車輛節點v_a查詢鄰接節點信息表項NTB后，向該車輛節點的鄰接車輛節點v_m直接或通過路由轉發的方式發送NM(Node Missing)數據包，鄰接車輛節點在收到NM數據包之后，更新其鄰接節點信息表項，并不再感知節點v_a的存在；

3)如果節點v_a是引領節點，則重新選取該車群的引領節點；否則，節點v_a向車群所在引領節點發送LM(Leave Message)數據包報告節點離開信息，若車群所在引領節點不在該車輛節點直接可達范圍內，在通過其周圍成員節點代為發送LM數據包；引領節點在收到LM數據包后，更新車群成員信息表；

所述步驟2.4中引領節點及其更替策略的算法如下：

1)如果車群中任意成員節點在由TIME_LIMIT表示的給定時間量內沒有接收到來自引領節點廣播的HB數據包，則判定車群引領節點出現故障并向車群內其他成員節點發送MISS數據包；

2)成員節點在收到來自其他節點發送的MISS數據包后，更新自己所維護的車群引領優先級列表，刪除離開車群節點；

3)車群引領優先級列表中最高的節點自動當選為車群新的引領節點，并向車群其他成員節點發送NL數據包并更新車群成員信息表；

所述步驟3中車群質量評價方法如下：

(1)基準度作為衡量車群形成算法性能的指標能夠對劃分結果內部的內聚度和分離度進行量化，能夠對算法的性能進行準確、客觀的評估；基準度的數學表達式為：

其中k(i)表示群內相似度，是無人駕駛車輛節點i到同一車群內其他車輛節點j的平均距離，用于量化車群內聚度；dist(i,j)表示車輛節點i和j的距離,m_s表示為車群的節點數量，k(i)值越小則表明車群內部結構越緊密；O_i表示車輛節點i目的地，S_i表示車輛節點i所屬的車群，M表示車群數量，t(i)表示群外差異度，是無人駕駛車輛節點i到車群外部某目的地相同的無人駕駛車群內節點j之間的平均距離，基準度用來度量目的地相同但是不是同一個無人駕駛車群間的差異度，t(i)值越大說明，車群群間間隔越遠，基準度越大表明同車群內結構緊密，異車群間間隔分散，車群劃分結果質量越好；反之，基準度的值越小則表示車群劃分結果質量越差；

(2)算法運行時間

算法運行時間定義為，以所有車輛節點為初始的混沌、無序狀態為起點，到所有車輛形成各自車群并保持穩定有序的狀態為止所經歷的時間，數學表達式為：

T_total＝∑_k∈VT_i,k-T_0,k (10)

其中V表示所有車輛節點集合，k表示車輛節點，T_i,k表示節點k的車群規模趨于穩定，T_0,k表示節點k的車群處于初始狀態；

(3)引領節點變化率

引領節點變化率是指無人駕駛車群在執行任務的周期內，引領節點變化的頻率；整個生命周期中，無人駕駛車輛節點在遇到突發情況時會發生角色狀態的轉換；數學表達式為：

其中，LC_count表示無人駕駛車群在生命周期內，引領節點變化的次數。

2.如權利要求1所述的一種封閉場景下無人駕駛車群構建及評價方法，其特征在于，所述步驟2.1中無人駕駛車群節點初始化的算法步驟如下：

1)將封閉式場景內所有無人駕駛車輛節點初始化為普通節點，并按照車群排列的方式從隊列的最前端開始遍歷；

2)遍歷到當前節點時，如果當前節點的目的地與已存在的任意一個車群目的地一致，且該節點與該車群任意一個車輛節點的距離在通信可達范圍以內，則遍歷下一個節點；如果當前節點的目的地與已存在的任意一個車群目的地一致，且與該車群不在通信可達范圍內，則該節點被初始化為新車群的引領節點；如果當前節點目的地與任意一個已存在的車群的目的地都不相同，則該節點被初始化為新車群的引領節點；

3)重復執行1)和2)，直至算法收斂。