一种面向连续信号交叉口的网联环境下自动驾驶车速控制方法技术

本发明专利技术提供了一种面向连续信号交叉口的网联环境下自动驾驶车速控制方法。针对网联环境下个体车辆可以与路侧设施及区域中心控制系统实时信息交互的特征，以车辆不停车通过连续多个信号交叉口为目标，求出目标控制车速。考虑到乘车的舒适性，采用三角函数曲线作为车速调整时的速度变化曲线，通过选取合适的加速度以及加速度的变化率即可在特定时间范围内完成速度调整。该车速控制方法能够减轻城市道路上信号交叉口对交通流的阻断，降低信号交叉口处的车辆延误、燃油消耗和污染物排放，而且该车速控制方法不改变原有交叉口的信号配时，在车联网不断发展的趋势下具有很强的实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种面向连续信号交叉口的网联环境下自动驾驶车速控制方法
本专利技术涉及网联环境下交通控制
，特别涉及网联环境下连续多个信号交叉口自动驾驶车速控制的建模与求解方法。
技术介绍
近年来，随着国民经济的高速发展，我国机动车保有量迅速增加，交通拥堵和环境污染问题越来越突出。城市信号交叉口作为城市道路网的节点，这一问题尤为严重。在信号交叉口处，车辆由于受到控制信号的周期性干扰，往往处于一种“停-走”式的交通运行模式，导致交叉口通行效率下降及燃油消耗与污染物排放上升，并严重影响车辆运行过程中的安全性与舒适性。自动驾驶是未来汽车的发展方向，随着人工智能、传感器检测等技术的完善，汽车的自动驾驶功能正逐渐被公众所接受。而随着电子信息和无线通信技术的迅速发展，物联网技术逐渐得到了广泛应用，车联网是物联网在城市道路交通网络中的具体体现，在网联环境下，个体车辆可以与路侧设施及区域中心控制系统实时通信，利用车载终端控制车辆自动驾驶，从而使车辆得以高效平滑地通过连续多个信号交叉口。对于主干道上连续多个交叉口的控制问题，现在应用比较广泛的是绿波控制策略，即在一系列交叉口上，安装一套具有一定周期的自动控制的联动信号，使主干道上的车流依次到达前方各交叉口时，均会遇上绿灯，这种控制策略的目标是最大化绿波带的宽度。但是运用绿波控制的要求极为严格，它要求相邻交叉口的间距要大致相等，双向行驶车辆的车速要相近，或呈一定倍数的比例关系，并且要保证所有交叉口的信号周期长度相等，才能保证双向车辆到达交叉口时都遇到绿灯，这些要求使得绿波控制策略难以大范围地运用在区域交通组织中。随着车联网技术的不断发展，个体车辆可以获得路网交通流状态以及信号灯状态的实时信息，一种更为方便有效的交通控制方法是车辆根据这些信息及时地做出速度调整，从而在绿灯期间通过交叉口。
技术实现思路
本专利技术的专利技术是面向连续信号交叉口的网联环境下自动驾驶车速控制方法。当车辆行驶至预先设定的车速控制区域时，会将自身的位置、速度及加速度信息发送给区域中心控制单元，区域中心控制单元根据车辆距离各个下游交叉口的距离以及各交叉口的信号灯信息确定车辆能够在绿灯期间通过各个交叉口的速度，对车辆进行实时地控制，从而使个体车辆得以不停车通过连续多个信号交叉口，提高信号交叉口处的通行效率并起到节能减排的效果。本专利技术的技术方案是：利用网联环境下个体车辆可以与路侧设施及区域中心控制系统实时通信的特征，构建连续信号交叉口车速控制模型并给出模型参数求解算法。1.网联环境下面向连续信号交叉口的车速控制模型的建立基于以下假设条件：(1)多个连续信号交叉口速度控制区域内配备一个区域中心控制单元(centralcontrolunit,CCU)，用于接收与处理各交叉口控制单元发送来的车辆运动状态与信号灯信息；每个交叉口配备一个交叉口控制单元(intersectioncontrolunit,ICU)，用于汇总即将通过该交叉口的全部车辆运动状态信息并发送至区域中心控制单元；每辆即将进入交叉口的车辆全部配备一个车载单元(vehicleunit,VU)，用于采集车辆运动状态信息，接收区域中心控制单元发送的车速调整信息并控制自动驾驶时车辆的行驶速度。(2)个体车辆进入控制区域之后完全自动驾驶，即车辆完全服从区域中心控制系统的速度控制，VU和ICU、CCU可实时通信，通信延迟在可接受范围之内。(3)假设车辆不会主动超车或变换车道。(4)车辆行驶路面平坦，重力对车辆加速度的影响可忽略不计。(5)车辆通过交叉口时不考虑行人和非机动车的干扰。2.控制车速的确定相关研究表明，减少速度的波动，尽可能以恒定的速度行驶可以最大限度地减少燃油消耗和污染物排放。本专利技术提出的车速控制方法旨在通过减小车辆在通过连续多个信号交叉口时的速度波动，尽可能地避免车辆在信号交叉口处急刹车和急加速地情况，减少车辆的燃油消耗和污染物排放并节省旅行时间。为了达到这一目的，车辆到达下游交叉口的时间应该在该交叉口的绿灯时间内。假设车辆进入速度控制区域时的时刻为零时刻，此时距离下游第i个交叉口的距离为Li，若此时下游第一个交叉口为绿灯，为避免停车，车辆应该在当前绿灯期间通过或者下一绿灯期间通过，即t1∈[0,r11]∪[g11,r12]若此时下游第一个交叉口为红灯，则车辆应当在红灯结束之后的下一个绿灯时间内通过，即t1∈[g11,r11]式中，t1为车辆到达下游第一个信号交叉口的时间；g11为下游第一个信号交叉口第一次绿灯启亮时刻；r11为下游第一个信号交叉口第一次红灯启亮时刻；r12为下游第一个信号交叉口第二次红灯启亮时刻。那么车辆能够在第一个信号交叉口绿灯时间内通过的可行速度集合为该集合与路段最大限速和最小限速集合的交集即为车辆的目标速度集合，即：式中，v1为车辆通过第一个交叉口的目标车速区间；L1为车辆进入控制区域时距离下游第一个信号交叉口的距离，vs1、vb1分别为车辆可以在绿灯时间内通过的最小速度和最大速度；vmin为路段限制最小速度，vmax为路段最大限速。如果存在一个可行速度集合使得车辆可以不停车通过第一个信号交叉口，那么用同样的方法求出不停车通过下游第二个信号交叉口的可行速度集合[vs2,vb2]，如果[vs1,vb1]∩[vs2,vb2]不为空，则继续求在绿灯时间内通过下游第三个信号交叉口的可行速度集合[vs3,vb3]……直到可行速度的交集为空集。最终的可行速度的集合为[vs1,vb1]∩[vs2,vb2]∩...∩[vsi,vbi]＝[vs,vb]，考虑到减少旅行时间的需要，我们在最终的可行速度区间内取最大速度vb作为车辆通过连续i交叉口的最终控制车速。需要说明的是，在绿灯期间通过第一个交叉口和通过第二个交叉口可行速度之间没有交集并不说明控制失效，我们可以根据vb＝vb1控制车辆通过第一个信号交叉口之后，重新调整速度使其在第二个信号交叉口绿灯期间通过第二个交叉口。3.车辆从当前车速调整到控制车速时加速度、减速度大小的确定目标控制车速vb确定之后，下一步就是速度调整的过程。如果车辆当前的速度v0小于目标控制车速vb，则车辆需要加速行驶，反之，则需要减速行驶。为了达到使车辆在下游交叉口绿灯时间内到达交叉口的目的，我们需要在特定的时间内完成车速调整的过程，本专利技术以减少燃油消耗和污染物排放为目的，考虑到加减速过程中乘客的舒适性需求，速度变化应尽量平滑，我们采用三角函数增长曲线来表征速度的变化。详细的说明见具体实施方案。4.车速调整过程中的约束条件城市道路上的交通流量很大，车辆难免会受到路段上其他车辆的影响，为了保证交通安全，车辆在速度调整过程中必须受到以下约束：(1)前后车通过停车线的时刻约束：Ti≥Ti-1+ts(2)车辆行驶过程中前后车安全间距约束：(3)路段限速约束：vmin≤vi≤vmax式中，Ti为第i辆车通过停车线的时刻；Ti-1为第i-1辆车通过停车线的时刻；ts为最小车头时距；a为车辆的加速度；S为前后车的安全间距；Δt为反应、机械延误等损失时间之和；Li-1为第i-1辆车的长度；vi为第i辆车的速度；vi-1第i-1辆车的速度。本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术利用网联环境下个体车辆可以与下游交叉口以及区域中心控制系统实时交互的特征，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向连续信号交叉口的网联环境下自动驾驶车速控制方法，其特征在于，主要通过三类控制单元——车载单元、交叉口控制单元和区域中心控制单元，通过个体车辆与路侧设施及区域中心控制系统的实时信息交互，实现了对车辆通过连续信号交叉口的速度规划，使车辆得以以一个相对恒定的速度不停车通过连续多个信号交叉口，该车速控制方法能够显著降低车辆通过信号交叉口的燃油消耗和污染物排放，并有助于节省旅行时间。

【技术特征摘要】
1.一种面向连续信号交叉口的网联环境下自动驾驶车速控制方法，其特征在于，主要通过三类控制单元——车载单元、交叉口控制单元和区域中心控制单元，通过个体车辆与路侧设施及区域中心控制系统的实时信息交互，实现了对车辆通过连续信号交叉口的速度规划，使车辆得以以一个相对恒定的速度不停车通过连续多个信号交叉口，该车速控制方法能够显著降低车辆通过信号交叉口的燃油消耗和污染物排放，并有助于节省旅行时间。2.根据权利要求1所述的面向连续信号交叉口的网联环境下自动驾驶车速控制方法的总体思路，该车速控制方法的工作流程为：当车辆进入车速控制区域时，车载单元自动向交叉口控制单元发送自身的位置、速度、加速度等信息，交叉口控制单元接收车载单元发来的信息并打包发送给区域中心控制单元，区域中心控制单元接收到车辆信息，根据车辆距下游各个交叉口的距离以及各交叉口的信号相位信息计算出目标控制车速以及最优加速度并向个体车辆发布，车载单元即控制个体车辆做出加速或减速的调整。3.根据权利要求1所述对车辆通过连续信号交叉口进行速度规划的方法，其特征在于，根据车辆进入速度控制区域时距下游各信号交叉口的距离以及交叉口的信号配时，依次确定出车辆可以在每个信号交叉口绿灯时间内通过的可行速度区间，然后将这些可行速度区间与路段限制车速区间[vmin,vmax...

【专利技术属性】
技术研发人员：鹿应荣，许晓彤，丁川，鲁光泉，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11