基于车路协同的城市信号交叉口最优车速引导算法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于车路协同的城市信号交叉口最优车速引导算法及车速引导系统，其中，最优车速引导算法不包含以往研究中“不允许车辆超车、换道，所有车辆都遵循车速引导”等基本假设，通过车速引导系统的实时刷新，不断根据车辆当前位置进行计算，减少了模型的限制条件。同时考虑了实际驾驶过程中车辆转弯时车速偏低的影响，在计算中考虑了左右转车辆到达停止线前的减速过程及排队消散车辆通过停止线时速度比直行低的影响。本发明专利技术系统中完成了车速引导系统从理论模型到实物设备的设计及开发，提出了一套在当前实际条件下可行且成熟、经济的方案，可以用较为低廉的价格实现基本车路协同的功能。

【技术实现步骤摘要】
基于车路协同的城市信号交叉口最优车速引导算法及系统
本专利技术涉及一种基于车路协同的城市信号交叉口最优车速引导算法及车速引导系统,属于智能交通

技术介绍
随着人们生活水平的不断提高，车辆的普及率也越来越高。据公安部交管局统计，截至2016年底，全国机动车保有量达2.9亿辆，其中汽车1.94亿辆；机动车驾驶人3.6亿人，其中汽车驾驶人超过3.1亿人。剧烈增加的机动车给道路交通带来了巨大的压力，由于驾驶员的驾驶行为有很大的不确定性，盲目的车速选择让本来就不宽裕的道路资源无法得到高效利用，在高峰期常常需要车主频繁启停才能通过一个红绿灯路口，浪费大量的时间和燃油，加重车辆的磨损，向大气排放更多的尾气。如何为驾驶员提供道路友好、经济安全的车速引导这一问题，至关重要。由于车路协同概念的引入，为智能交通技术的发展打开了一扇新大门。车路协同系统能有效提高交通运输效率和道路安全水平，在电子信息技术、无线通信技术的推动下，车路协同系统可实现信息在系统内部快速、准确、有效的传输，促进车车、车路之间的信息交互。车路协同环境下，智能路侧系统可实时获知道路交通状况及交叉口信号相位信息，通过车速引导的方式使车辆合理调整车速，提升交叉口通行效率。目前车路协同技术普遍停留于研究阶段，在国内外均未实现大范围实际应用，现有的车速引导算法也不够完善。现有许多方法是将有效绿灯时间以饱和车头时距为间隔等分为N段，引导每辆进入控制范围的车辆在一段绿灯时间内到达停止线。该引导方法要求每辆车都在期望时间内到达停止线，若有一辆车出现偏差则会影响后面的车辆，致使车速引导失效。其采用的线性规划模型考虑因素较少，且不易求解。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于克服现有技术的不足以及实施方案的不完善，提出城市信号交叉口最优车速引导算法，并设计了一套完整的车速引导系统，在满足各项功能需求的情况下，以较为经济的成本实现车载控制单元和路旁控制单元的开发。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种城市信号交叉口最优车速引导算法，包括如下步骤：(1)若目标车辆满足以最高道路限速行驶可在绿灯结束前到达停止线，并且前方排队车辆能在本周期绿灯结束前消散完毕，则认为目标车辆可在本信号周期内通过交叉口，进入步骤(2)，否则引导目标车辆减速停车并等待下一周期通过交叉口，结束；(2)若目标车辆满足以道路最高限速行驶至停止线所需时间少于前方排队车辆排队消散时间，则认为目标车辆能够与前方排队车辆以车队形式通过交叉口，若是则引导目标车辆在前方排队车辆消散完毕时到达停止线，否则引导目标车辆尽快通过。进一步地，若满足tx+tm≤T，则认为目标车辆以最高道路限速行驶可在绿灯结束前到达停止线；若满足tq+hs≤Tg，则认为目标车辆前方排队车辆能在本周期绿灯结束前消散完毕；其中，T为一个信号周期时长，tx为当前时刻距本周期开始的时长，tm为车辆以道路最高限速通过交叉口所需时间，Tg为一个周期内绿灯相位时长，hs为饱和车头时距，tq为前方排队车辆消散时间；对于直行车辆，a1为目标车辆在路段加速时的加速度；vm为道路最高限速；v0为目标车辆当前速度；L为目标车辆当前位置距离停止线距离；Lq为排队长度，ams为车辆启动加速度，tt为启动损失时间；对于左转或右转车辆，考虑车速较慢且靠近停止线前有减速过程，对tm和tq修正后为：其中，vleft为左转车速；vright为左转车速，a2为目标车辆在路段减速的加速度。进一步地，若满足tm≤Tr+tq+hs-tx，则认为目标车辆能够与前方排队车辆以车队形式通过交叉口。进一步地，所述引导目标车辆在前方排队车辆消散完毕时到达停止线的引导方式为：所述引导目标车辆尽快通过的引导方式为：其中，vg为引导车速，v0为目标车辆当前速度，L为目标车辆当前位置距离停止线距离，Tr为一个周期内红灯相位时长，tq为前方排队车辆消散时间，hs为饱和车头时距，tr为驾驶员反应时间。进一步地，所述引导目标车辆减速停车为从当前时刻开始引导车辆以经济车速行驶，经济车速的计算方式：其中，acom为车辆减速过程中的适宜加速度，v0为目标车辆当前速度，tr为驾驶员反应时间；aslip为车辆的滑行加速度；t1为目标车辆滑行的时间，L为目标车辆当前位置距离停止线距离，Lq为排队长度。进一步地，对于直行和右转共用一个车道的情况，对右转车辆车速引导进行修正，包括：a.直行行为红灯相位且前方无排队车辆，则按照正常的右转车速引导系统中信号相位为绿，且前方排队车辆已消散完毕的引导方式进行引导；b.直行行为红灯相位且前方有排队车辆，则右转车辆将受到排队车辆的限制，按照直行的车速引导进行引导；c.直行行为绿灯相位，且前方排队车辆未消散完毕，则引导该右转车辆在前方排队车辆消散完毕时到达停止线并进行转向，即按照正常的车速引导系统中信号相位为绿，且前方排队车辆未消散完毕的引导方式进行引导；d.直行行为绿灯相位，且前方排队车辆已消散完毕，则引导该右转车辆按照正常的车速引导系统中信号相位为绿，且前方排队车辆已消散完毕的引导方式进行引导。一种基于车路协同及最优车速引导算法的城市信号交叉口车速引导系统，包括车载终端模块和路旁信息交换中心模块；其中车载终端模块与路旁信息交换中心模块通过无线链路进行连接，路旁信息交换中心模块用于获取信号灯配时信息以及车辆排队信息，以及接收车载终端发来的车辆位置及车速信息，进行运算得出车辆建议最优车速后反馈给车载终端模块；车载终端模块用于实时向路旁信息交换中心模块发送车辆位置以及车速信息，以及接收建议车速并显示。进一步地，所述车载终端模块包括：GPS信号接收模块、人机交互模块、无线通信模块和MCU模块；其中MCU模块包括GPS数据处理单元、无线通信控制单元、显示控制单元和主控单元；主控单元分别与GPS数据处理单元、无线通信控制单元和显示控制单元相连，GPS数据处理单元与GPS信号接收模块相连，显示控制单元与人机交互模块相连，无线通信控制单元与无线通信模块相连。进一步地，所述路旁信息交换中心模块包括：排队图像获取模块、信号灯控制上位机、无线通信模块、MCU模块；其中MCU模块包括图像处理单元、核心算法单元、串口通信单元、无线通信控制单元和主控单元；主控单元分别与图像处理单元、核心算法单元和串口通信单元相连；图像处理单元与排队图像获取模块相连，进行图像处理，获取排队车辆长度；串口通信单元与信号灯控制上位机相连，获取信号灯的配时信息，核心算法单元分别与图像处理单元和串口通信单元相连，根据采集的信息计算出车辆的最优速度。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的优点是：对于建议最优车速引导算法而言，本专利技术中提出的车速引导策略不包含以往研究中“不允许车辆超车、换道，所有车辆都遵循车速引导”等基本假设，通过车速引导系统的实时刷新，不断根据车辆当前位置进行计算，减少了模型的限制条件。同时考虑了实际驾驶过程中车辆转弯时车速偏低的影响，在计算中考虑了左右转车辆到达停止线前的减速过程及排队消散车辆通过停止线时速度比直行低的影响。而且考虑了不同进口道配置的影响，对不同转向共用车道的情况进行修正，使此引导方法适用于各种交叉口。对于该车速引导系统的物理实现而言，本专利技术中完成了车速引导系统从理论模型到实物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种城市信号交叉口最优车速引导算法，其特征在于，包括如下步骤：(1)若目标车辆满足以最高道路限速行驶可在绿灯结束前到达停止线，并且前方排队车辆能在本周期绿灯结束前消散完毕，则认为目标车辆可在本信号周期内通过交叉口，进入步骤(2)，否则引导目标车辆减速停车并等待下一周期通过交叉口，结束；(2)若目标车辆满足以道路最高限速行驶至停止线所需时间少于前方排队车辆排队消散时间，则认为目标车辆能够与前方排队车辆以车队形式通过交叉口，若是则引导目标车辆在前方排队车辆消散完毕时到达停止线，否则引导目标车辆尽快通过。

【技术特征摘要】
1.一种城市信号交叉口最优车速引导算法，其特征在于，包括如下步骤：(1)若目标车辆满足以最高道路限速行驶可在绿灯结束前到达停止线，并且前方排队车辆能在本周期绿灯结束前消散完毕，则认为目标车辆可在本信号周期内通过交叉口，进入步骤(2)，否则引导目标车辆减速停车并等待下一周期通过交叉口，结束；(2)若目标车辆满足以道路最高限速行驶至停止线所需时间少于前方排队车辆排队消散时间，则认为目标车辆能够与前方排队车辆以车队形式通过交叉口，若是则引导目标车辆在前方排队车辆消散完毕时到达停止线，否则引导目标车辆尽快通过。2.根据权利要求1所述的一种城市信号交叉口最优车速引导算法，其特征在于：若满足tx+tm≤T，则认为目标车辆以最高道路限速行驶可在绿灯结束前到达停止线；若满足tq+hs≤Tg，则认为目标车辆前方排队车辆能在本周期绿灯结束前消散完毕；其中，T为一个信号周期时长，tx为当前时刻距本周期开始的时长，tm为车辆以道路最高限速通过交叉口所需时间，Tg为一个周期内绿灯相位时长，hs为饱和车头时距，tq为前方排队车辆消散时间；对于直行车辆，a1为目标车辆在路段加速时的加速度；vm为道路最高限速；v0为目标车辆当前速度；L为目标车辆当前位置距离停止线距离；Lq为排队长度，ams为车辆启动加速度，tt为启动损失时间；对于左转或右转车辆，考虑车速较慢且靠近停止线前有减速过程，对tm和tq修正后为：其中，vleft为左转车速；vright为左转车速，a2为目标车辆在路段减速的加速度。3.根据权利要求2所述的一种城市信号交叉口最优车速引导算法，其特征在于：若满足tm≤Tr+tq+hs-tx，则认为目标车辆能够与前方排队车辆以车队形式通过交叉口。4.根据权利要求2所述的一种城市信号交叉口最优车速引导算法，其特征在于：所述引导目标车辆在前方排队车辆消散完毕时到达停止线的引导方式为：所述引导目标车辆尽快通过的引导方式为：其中，vg为引导车速，v0为目标车辆当前速度，L为目标车辆当前位置距离停止线距离，Tr为一个周期内红灯相位时长，tq为前方排队车辆消散时间，hs为饱和车头时距，tr为驾驶员反应时间。5.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘诚恺，李林泽，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32