一种考虑节能减排的自动驾驶车辆速度控制方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑节能减排的自动驾驶车辆速度控制方法，针对自动驾驶环境下的路段和交叉口，首先采集交叉口的信息、路段上车辆的信息，确定交叉口内部路径方程、计算路径上冲突点的坐标等信息；自动驾驶车辆以先到先服务的规则进入交叉口，车辆进入交叉口后计算经过路径上每个冲突点的时刻，在下一辆车进入交叉口之前，根据路径上冲突点的时刻计算下一辆车理论进入交叉口的时刻；根据理论进入时刻和车辆当前所在位置优化该车辆在路段上的行驶速度，以进入交叉口的速度最大及油耗、排放最小加权为目标函数，建立车速计算模型。本发明专利技术方法主要通过优化路段上车速以降低车辆油耗、排放，以达到节能减排的目的。以达到节能减排的目的。以达到节能减排的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑节能减排的自动驾驶车辆速度控制方法


[0001]本专利技术属于智能交通控制领域，涉及自动驾驶车辆速度控制
，更具体地说，涉及一种考虑节能减排的自动驾驶车辆速度控制方法。

技术介绍

[0002]交通是能源消费和碳排放的大户，全球碳排放数据显示，2020年中国道路交通碳排放约占全球道路交通碳排放总量的四分之一，且随着经济发展水平提高，交通占能源消费的比例越来越大。交通领域节能减排的责任更加重大，任务也更加艰巨。但快速发展的智能网联汽车技术、自动驾驶等技术，为智能高效的交通创造条件，智能高效的交通有利于降低碳排放。自动驾驶技术快速发展，如2021年4月，配备华为自动驾驶技术的汽车，在上海进行公开试乘，测试车辆的行驶情况较为平稳，在城区多种复杂场景下能实现无干预自动驾驶。相信在不远的将来，自动驾驶技术会得到普遍的应用。因此，在自动驾驶环境下，如何通过优化车辆的行驶轨迹、通过引导和调整车速，降低车辆能耗和排放，是当前需要考虑解决的问题。现有针对车速引导的研究中，多集中在公交优先方面，如同济大学马万经等利用车路协同环境下公交车与信号机双向通信的特点，提出了公交车速与信号控制方案的协同优化方法，从而有效降低公交延误；在考虑普通车辆速度引导的研究中，大多通过车速和信号配时协同优化，以提高交叉口的通行效率，如吴伟等则从饱和交通流与非饱和交通流的运行特性出发，考虑实时流量与排队清空时间，建立车辆速度与相位差动态优化模型，实现了不停顿通过交叉口的流量最大化及延误最小化。现有较多研究已经证明，全自动驾驶环境下无信号控制交叉口，车辆相互通信穿插通行比信号控制更高效，但在全自动驾驶环境下，针对提高交通安全和效率的研究较多，大多数研究以路段或交叉口的通行能力最大、延误最小等为目标，较少直接考虑车辆排放能源消耗等问题。因此本专利技术以能耗最小为目标，优化自动驾驶车辆在路段上的行驶速度，使得车辆在路段上尽可能不停车通过交叉口，车辆以先到先服务规则依次进入交叉口，根据前车的行驶轨迹和交叉口通行方案计算车辆最佳的行驶速度。

技术实现思路

[0003]技术问题：针对现有自动驾驶车辆控制中较少考虑节能减排研究的不足，本专利技术的目的是提供一种考虑节能减排的自动驾驶车辆速度控制方法，以能耗和延误加权最低为优化目标，对路段上的自动驾驶车辆车速进行优化，为每辆车计算最佳的行驶方案，尽可能实现节能减排效果。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术的一种考虑节能减排的自动驾驶车辆速度控制方法，包括如下步骤：步骤1：采集交叉口的信息、车辆信息，确定车辆在交叉口内部的通行路径方程，通
过计算路径间冲突点坐标确定冲突点位置，计算冲突点间的距离；步骤2：根据车辆进入交叉口的时间和速度，计算车辆经过路径上每个冲突点的时刻；步骤3：根据所有前车经过路径上每个冲突点的时刻，计算后车理论进入交叉口的时刻；步骤4：根据后车进入交叉口的理论时刻及理论到达交叉口的时刻，判断车辆在路段上是否必须停车，分两种情况，分别优化车辆在路段上的行驶轨迹；步骤5：计算每辆车到达交叉口时刻、进入交叉口的速度和时刻，以车辆进入交叉口的速度最大和油耗、碳氧化物、氮氧化物、碳氢化物的总排放加权最小为目标，优化每辆车在路段和交叉口的行驶速度，其中目标函数由公式计算：min(1
‑
ω)
·
(V
M
‑
v
n
)+ω
·
∑
A
MOE
A,n
ꢀꢀ
(1)式中：ω为权重系数，取值范围为0≤ω≤1，A为中间变量，A∈{Fuel,CO,HC,NOX}，其中Fuel表示油耗，CO表示碳氧化物，HC表示碳氢化物，NOX表示氮氧化物，MOE
Fuel,n
表示车辆n的油耗，单位为mg，MOE
CO，n
、MOE
HC，n
、MOE
NOX，n
分别表示车辆n的碳氧化物、碳氢化物、氮氧化物的排放量，单位为ml，V
M
表示允许行驶的最大速度，v
n
表示车辆n进入交叉口的速度。
[0004]步骤1中，采集交叉口的信息、车辆信息，确定车辆在交叉口内部的通行路径方程，通过计算路径间冲突点坐标确定冲突点位置，计算冲突点间的距离，包括如下步骤：步骤11：对交叉口各方向的进出口道分别编号，l
di
表示交叉口d进口方向第i条车道 i∈{1,2,
…
，n
d
}，d∈O，l
kj
表示交叉口k出口方向第j条车道j∈{n
k
+1,
…
,m
k
}，k∈D，O、D 分别表示进口方向和出口方向的集合，O，D＝{E,W,S,N}，n
d
和m
k
分别表示d进口方向和k 出口方向的车道数，d
r
表示车道宽度，E,W,S,N分别表示交叉口东、西、南、北四个方向；在交叉口内部建立直角坐标系，计算自动驾驶车辆在交叉口内部的通行路径方程，对于直行路径，路径方程由点斜式公式计算，对于转弯路径方程用椭圆方程计算，路径用r表示，所有路径的集合用R表示；两条路径的交点为冲突点，通过联立两条路径方程，可求得冲突点的坐标，p
i
表示冲突点i，路径r上冲突点i的坐标用(x
r,i
,y
r,i
)表示，Φ表示所有冲突点的集合，p
i
∈Φ；路径r上冲突点p
i
和p
i+1
间的距离用L
r,pi,pi+1
表示，用两点间距离公式计算；
[0005]步骤2中，根据车辆进入交叉口的时间和速度，计算车辆经过路径上每个冲突点的时刻，包括如下步骤：步骤21：车辆实际进入交叉口的时刻用T
n
′
表示，进入交叉口的速度用v
n
表示，Φ
r
表示路径r上冲突点的集合，车辆n经过路径r上冲突点p
i
的时刻用t
n,r,pi
表示，速度用v
n,r,pi
表示，Ω表示所有车辆的集合，经过路径r上第一个冲突点p1的时刻t
n,r,p1
和速度v
n,r,p1
分别由公式计算：由公式计算：当时，t
n,r,pi
和v
n,r,pi
分别由公式计算：
式中：V
M
表示允许行驶的最大速度，m/s，a
U
表示允许行驶的最大加速度，m/s2；当时，t
n,r,pi
和v
n,r,pi
分别由公式计算：分别由公式计算：
[0006]步骤3中，根据所有前车经过路径上每个冲突点的时刻，计算后车理论进入交叉口的时刻，包括如下步骤：步骤31：理论进入交叉口的时刻由表示，步骤2计算得到前车进入交叉口后经过路径上每个冲突点的时刻，第n辆车进入交叉口，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑节能减排的自动驾驶车辆速度控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1：采集交叉口的信息、车辆信息，确定车辆在交叉口内部的通行路径方程，通过计算路径间冲突点坐标确定冲突点位置，计算冲突点间的距离；步骤2：根据车辆进入交叉口的时间和速度，计算车辆经过路径上每个冲突点的时刻；步骤3：根据所有前车经过路径上每个冲突点的时刻，计算后车理论进入交叉口的时刻；步骤4：根据后车进入交叉口的理论时刻及理论到达交叉口的时刻，判断车辆在路段上是否必须停车，分两种情况，分别优化车辆在路段上的行驶轨迹；步骤5：计算每辆车到达交叉口时刻、进入交叉口的速度和时刻，以车辆进入交叉口的速度最大和油耗、碳氧化物、氮氧化物、碳氢化物的总排放加权最小为目标，优化每辆车在路段和交叉口的行驶速度，其中目标函数由公式计算：min(1
‑
ω)
·
(V
M
‑
v
n
)+ω
·
∑
A
MOE
A,n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中：ω为权重系数，取值范围为0≤ω≤1，A为中间变量，A∈{Fuel,CO,HC,NOX}，其中Fuel表示油耗，CO表示碳氧化物，HC表示碳氢化物，NOX表示氮氧化物，MOE
Fuel,n
表示车辆n的油耗，单位为mg，MOE
CO,n
、MOE
HC,n
、MOE
NOX,n
分别表示车辆n的碳氧化物、碳氢化物、氮氧化物的排放量，单位为ml，V
M
表示允许行驶的最大速度，v
n
表示车辆n进入交叉口的速度。2.根据权利要求1所述的一种考虑节能减排的自动驾驶车辆速度控制方法，其特征在于，所述步骤1中的采集交叉口的信息、车辆信息，确定车辆在交叉口内部的通行路径方程，通过计算路径间冲突点坐标确定冲突点位置，计算冲突点间的距离，包括如下步骤：步骤11：对交叉口各方向的进出口道分别编号，l
di
表示交叉口d进口方向第i条车道i∈{1,2,
…
,n
d
}，d∈O，l
kj
表示交叉口k出口方向第j条车道j∈{n
k
+1,
…
,m
k
}，k∈D，O、D分别表示进口方向和出口方向的集合，O，D＝{E,W,S,N}，n
d
和m
k
分别表示d进口方向和k出口方向的车道数，d
r
表示车道宽度，E,W,S,N分别表示交叉口东、西、南、北四个方向；在交叉口内部建立直角坐标系，计算自动驾驶车辆在交叉口内部的通行路径方程，对于直行路径，路径方程由点斜式公式计算，对于转弯路径方程用椭圆方程计算，路径用r表示，所有路径的集合用R表示；两条路径的交点为冲突点，通过联立两条路径方程，可求得冲突点的坐标，p
i
表示冲突点i，路径r上冲突点i的坐标用(x
r,i
,y
r,i
)表示，Φ表示所有冲突点的集合，p
i
∈Φ；路径r上冲突点p
i
和p
i+1
间的距离用L
r,pi,pi+1
表示，用两点间距离公式计算；所述步骤2中，根据车辆进入交叉口的时间和速度，计算车辆经过路径上每个冲突点的时刻，包括如下步骤：步骤21：车辆实际进入交叉口的时刻用T
n
′
表示，进入交叉口的速度用v
n
表示，Φ
r
表示路径r上冲突点的集合，车辆n经过路径r上冲突点p
i
的时刻用t
n,r,pi
表示，速度用v
n,r,pi
表示，Ω表示所有车辆的集合，经过路径r上第一个冲突点p1的时刻t
n,r,p1
和速度v
n,r,p1
分别由公式计算：公式计算：当时，t
n,r,pi
和v
n,r,pi
分别由公式计算：
式中：V
M
表示允许行驶的最大速度，m/s，a
U
表示允许行驶的最大加速度，m/s2；当时，t
n,r,pi
和v
n,r,pi
分别由公式计算：分别由公式计算：所述步骤3中，根据所有前车经过路径上每个冲突点的时刻，计算后车理论进入交叉口的时刻，包括如下步骤：步骤31：理论进入交叉口的时刻由表示，步骤2计算得到前车进入交叉口后经过路径上每个冲突点的时刻，第n辆车进入交叉口，由公式计算由公式计算式中：L
n
表示车辆n到达停车线的距离，m；Ω
pi
表示经过冲突点p
i
的车辆集合。3.根据权利要求1所述的一种考虑节能减排的自动驾驶车辆速度控制方法，其特征在于，所述步骤4，根据后车进入交叉口的理论时刻及理论到达交叉口的时刻，判断车辆在路段上是否必须停车，分两种情况，分别优化车辆在路段上的行驶轨迹，包括如下步骤：步骤41：车辆不停车达到停车线的最短时间由t
n
表示，车辆不停车到达停车线的最长时间由表示，分别公式计算：分别公式计算：式中：L
n
表示车辆n到停车线的距离，v
min
表示在路段上允许行驶的最小速度，a
L
表示在路段上允许行驶的最大减速度；当时，通过调节车辆在路段上的行驶速度，不停车在时刻后进入交叉口，根据车辆位置L
n
和调整路段上车辆行驶速度，车辆在L
n
处开始优化行驶速度的时刻为0时刻；a
n,1
·
(T
n,2
‑
T
n,1
)＝V
M
‑
v
n,1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)a
n,2
·
(T
n,4
‑
T
n,3
)＝v
n,2
‑
v
n,1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)0≤a
n,1
≤a
L
,0≤a
n,2
≤a
U
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)v
min
≤v
n,1
≤v
n,2
≤V
M
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)0≤T
n,1
≤T
n,2
≤T
n,3
≤T
n,4
≤T
n，5
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)(16)式中：T
n，1
表示车辆n以最大速度匀速行驶结束的时刻，T
n，2
表示减速至v
n,1
的时刻，T
n，2
‑
T
n，1
阶段为以a
n,1
减速度匀减速阶段、T
n,3
表示以v
n，1
匀速行驶结束的时刻，T
n,3
‑
T
n,2
为以v
n,1
匀速行驶的阶段，T
n,4
为以a
n,2
匀加速结束的时刻，T
n,4
‑
T
n,3
阶段为以a
n,2
加速度匀加速阶段，T
n,5
表示以v
n,2
匀速结束的时刻，T
n
,5‑
T
n,4
为以v
n,2
匀速行驶的阶段；a
n,1
表示匀减速的实际减速度，a
n,2
表示匀加速的实际加速度，v
n,1
表示匀减速结束后的速度，v
n,2
表示不停车进入交叉口的速度；步骤42：当车辆可以通过在路段上调节速度不停车进入交叉口时，速度由以下公式计算：w
n,1
≤x
n,1
，w
n,2
≤x
n,1
+x
n,2
，w
n,3
≤x
n,2
+x
n,3
，w
n,4
≤x
n,3
+x
n,4
，w
n,5
≤x
n,4
+x
n,5
，w
n,6
≤x
n,5
(19)w
n,1
+w
n,2
+w
n,3
+w
n,4
+w
n,5
+w
n,6
＝1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)x
n,1
+x
n,2
+x
n,3
+x
n,4
+x
n,5
＝1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)x
n,i
＝0 or 1(i＝1,2,3,4,5)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)w
n,i
≥0(i＝1,2,3，4,5,6)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)对于任意的t属于定义域，t＝w
n,1
·
0+w
n,2
·
T
n，1
+w
n,3
·
T
n,2
+w
n,4
·
T
n,3
+w
n,5
·
T
n,4
+w
n,6
·
T
n,5
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(24)可求得：v
n
(t)＝w
n,1
·
V
M
+w
n,2
·
V
M
+w
n,3
·
v
n,1
+w
n,4
·
v
n,1
+w
n,5
·
v
n,2
+w
n,6
·
v
n,2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(25)式中：x
n,i
(i＝1,2,3,4,5)、w
n,i
(i＝1,2,3,4,5,6)均为中间变量；步骤43：当车辆可以通过在路段上调节速度不停车进入交叉口时，加速度由以下公式计算：x
n,i
＝0 or 1(i＝6,7,8,9,10)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)x
n,6
+x
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋，吴伟，龙科军，费怡，谷健，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：