CN102368351B

CN102368351B - 一种消解无信号交叉口两车交通冲突的方法

Info

Publication number: CN102368351B
Application number: CN201110319331.8A
Authority: CN
Inventors: 王云鹏; 鲁光泉; 余贵珍; 田大新; 张然; 鲍泽文
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2011-10-19
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2031-10-19
Also published as: CN102368351A

Abstract

本发明公开了一种消解无信号交叉口两车交通冲突的方法，该方法步骤依次为：车辆信息采集与预处理、车车冲突危险辨识、车车冲突类型判断、冲突车辆优先级判定、确定冲突消解策略、执行冲突消解策略。使用该方法可以提高车辆的行驶安全性并且能够提高道路的通行效率。

Description

一种消解无信号交叉口两车交通冲突的方法

技术领域

本发明涉及一种消解无信号交叉口两车交通冲突的方法。

背景技术

随着经济的高速发展和人民生活水平的不断提高，机动车的保有量迅速增加，导致了交通需求与道路设施之间的尖税矛盾。这给城市道路尤其是给城市路网中的平面交叉口带来了很多问题，平面交叉口是不同流向车辆产生冲突的集中区域，减少平面交叉口的交通冲突，是提高城市道路通行能力的主要方法之一。

目前各城市通常采用交通信号控制和交通渠化的方式减少交通冲突，但是对于交通流量相对较小的交叉口，这些方式势必会造成资源上的浪费。随着智能交通***的发展，智能车辆是当前研究的热点，智能车辆可以通过车与车之间的信息交互而获得全信息的驾驶环境，通过在车辆的控制***中嵌入消解冲突的控制算法就能达到自动消解冲突的目的。

检索现有专利，已有的专利申请主要是针对车辆跟驰运动的追尾碰撞问题提出相应的解决方法。中国专利申请号200910155059.7，专利名称《基于VII支持下的车辆主动避撞***》中，车辆收到危险警告信息后，中央控制器安全状态判定模块分析车辆在当前运动状态下为了避免与异常行驶车辆发生追尾碰撞所需的临界跟车距离。中国专利申请号200880008694.6，专利名称《用于计算车辆的驾驶策略所用的避撞轨迹的方法》中，将车辆的横向加速度独立于车辆的纵向加速度来规划行驶轨迹以达到避撞的目的。

检索现有论文，已有的论文提供了一些消解交叉口冲突的算法。胡佳在《湖南大学学报(自然科学版)(增刊)》2004，31(6)上的“交叉口车辆避撞方式有效性分析”通过比较两车车头进入冲突区和车尾离开冲突区的时间大小关系推导得出碰撞判断准则，但所采用的方法不仅需要采集自车与他车的状态信息，还需采集交叉口的地理位置信息，进行冲突判断和消解所需要的数据信息过多。肖永剑在《交通运输工程学报》2009，9(5)上的“基于占先度的驾驶员冲突避碰决策模型”中从冲突避让的角度对城市交叉口内机动车驾驶员的穿越行为进行了分析，应用场图工具研究了驾驶员在进行车流穿越时的决策过程，提出了基于占先度的驾驶员冲突避碰决策模型，该模型忽略了车辆的宽度对占先度的计算的影响。郭伟伟在《吉林大学学报(工学版)》2011，41(1)上的“交通冲突判别模型”中以运动学理论为基础，首先描述冲突对象的运动轨迹，然后分析冲突对象之间的运动规律，最后建立描述临界冲突区域的模型，确定冲突发生判别的标准，但是该模型并没有提供消解车辆冲突的算法。

由于消解冲突的实时性及准确性要求，研究一种信息处理量小、可靠性高的冲突消解方法对于改善行车安全性及提高路口通行效率具有重要的现实意义。

发明内容

本发明针对现有方法存在的不足和缺陷提出了一种消解无信号交叉口两车交通冲突的方法，用于改善无信号交叉口的安全性，同时提高道路的通行效率。

本发明提供的消解无信号交叉口两车交通冲突的方法，由车辆信息采集与预处理、车车冲突危险辨识、车车冲突类型判断、冲突车辆优先级判定、确定冲突消解策略、执行冲突消解策略几个步骤组成循环。

所述采集的车辆信息包括两车的经纬度位置、航迹角、速度、角速度、加速度。

所述采集的车辆信息需要经过必要的预处理，利用高斯投影理论将经纬度位置坐标转换为高斯平面坐标，利用卡尔曼滤波对高斯平面坐标、航迹角、速度、角速度、加速度进行滤波处理。

所述冲突危险辨识是以当前时刻车辆的状态信息为数据基础，利用车辆运动学方程预测车辆的行驶状态，进而判断在未来的一段时间内两车是否存在交通冲突。

所述冲突类型是根据路口的车流特征将无信号交叉口的固定冲突点分为不同的类别，如果两车存在交通冲突，确定具体的冲突类型。

所述车辆优先级是根据道路交通法的相关规定，驶入无信号交叉口的车辆对道路的使用优先级不同，对每种类型的冲突进行车辆优先级确定，建立无信号交叉口车辆通行规则库，在确定了两车的冲突类型后，可以根据通行规则库确定车辆的优先通行权。

所述冲突消解策略是在优先级高的车辆按照既定的行驶计划行驶的条件下，通过调节优先级低的车辆的纵向运动来消解冲突的。

与现有方法相比，本发明在遵守道路交通安全法相关规定的基础上，通过适当调整自车的驾驶策略，达到消解交通冲突、安全高效通过无信号交叉口的目的。

附图说明

附图1为无信号交叉口两车冲突的消解流程。

附图2为无信号交叉口的固定冲突点汇总图。

附图3为无信号交叉口的车辆轨迹图。

附图4为合流冲突消解图解。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图1为无信号交叉口两车冲突的消解流程，由车辆信息采集与预处理、车车冲突危险辨识、车车冲突类型判断、冲突车辆优先级判定、确定冲突消解策略、执行冲突消解策略几个步骤组成循环。

车辆采集到的信息为两车的经纬度坐标(B_i，L_i)、航迹角ψ_i、速度v_i、角速度ω_i和加速度a_i，利用高斯投影理论将经纬度坐标转换为高斯平面坐标(X_i，Y_i)，然后对两车的高斯平面坐标、航迹角、速度、角速度、加速度进行卡尔曼滤波以提高其精度。

以经过预处理的车辆状态信息为数据基础，利用车辆运动学方程对车辆未来时刻的行驶状态进行预测：

x (i + 1) = x (i) + v (i) t_{s} \cos (ψ (i)) + \frac{1}{2} a_{i} t_{s}^{2} \cos (ψ (i))

y (i + 1) = y (i) + v (i) t_{s} \sin (ψ (i)) + \frac{1}{2} a_{i} t_{s}^{2} \sin (ψ (i))

v(i+1)＝v(i)+a(i)t_s

ψ(i+1)＝ψ(i)+ω(i)t_s

a(i+1)＝a(i)

ω(i+1)＝ω(i)

其中t_s为迭代步长。如果两车模型在t_p＝p·t_s时刻开始存在交叉区域，说明两车存在交通冲突，将t_p定为车辆到达冲突区域的时间，两车的状态参数分别为(x_i，p，y_i，p)，v_i，p，ψ_i，p，a_i，p，ω_i，p；如果两车模型在t_q＝q·t_s时刻交叉区域开始消失，将t_q定为车辆离开冲突区域的时间。其中，p，q为迭代次数，在t_q时刻，两车的状态参数分别为(x_i，q，Y_i，q)，v_i，q，ψ_i，q，a_i，q，ω_i，q。

附图2为无信号交叉口的固定冲突点汇总图，依据交叉口的车流特征将无信号交叉口的固定冲突点分为不同的类别，综合分析车辆航迹角的取值范围和角速度的正负值特征，粗略判定车辆的行驶轨迹，进而判断两车冲突的具体类型。

冲突车辆优先级的判断是以现行的道路交通安全法及其实施条例为依据的，根据《中华人民共和国道路交通安全法》及《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》的规定，从不同方向驶入无信号交叉口的车辆对道路的优先使用权不同，根据优先权的不同建立无信号交叉口车辆通行规则库，在确定了两车的冲突类型后，可以通过调用无信号交叉口车辆通行规则库确定冲突车辆的优先通行权。

冲突消解策略是在优先级高的车辆按照既定的行驶计划行驶的条件下，通过调节优先级低的车辆的纵向运动来消解冲突的。对于交叉冲突和分流冲突，车辆驶出交叉口区域后将在不同的路线上行驶，因此只需令优先级低的车辆在优先级高的车辆驶出冲突区域后再到达冲突区域即可；对于合流冲突，考虑到冲突车辆在驶出交叉口区域后仍然会以跟驰状态行驶，仍然存在发生冲突的可能性，因此要求优先级低的车辆始终行驶在优先级高的车辆的临界安全区域外。

交叉冲突与分流冲突消解

附图3为无信号交叉口的车辆轨迹图，对于交叉冲突与分流冲突，优先级高的车辆在t_q时刻离开冲突区域，为了兼顾行车安全与效率，令优先级低的车辆在t_q时刻到达冲突区域，即令优先级低的车辆在t_q时刻到达本应该在t_p时刻到达的位置P点。

假设当前时刻优先级低的车辆所在的位置为A点，位置坐标为(x_i，0，y_i，0)，航迹角为ψ_i，0，速度为v_i，0，P点的位置坐标为(x_i，p，y_i，p)，航迹角为ψ_i，P且车辆作定圆心圆周运动。A、P两点的直线距离为

D = | AP | = \sqrt{{(x_{i, P} - x_{i, 0})}^{2} + {(y_{i, P} - y_{i, 0})}^{2}},

轨迹所对应的圆心角为ψ_i，P-ψ_i，0，则轨迹圆的半径为

R = \frac{D}{2 \sin \frac{ψ_{i, P} - ψ_{i, 0}}{2}},

A、P两点间的弧长为l＝R(ψ_i，P-ψ_i，0)。

取驾驶员反应与制动***协调时间的总和为t_C秒，则车辆实际采取制动的时间为(t_q-t_C)秒，优先级低的车辆所采取的避让措施应满足条件：l＝v_i，0·t_q+0.5·a·(t_q-t_C)²，即优先级低的车辆应当获得的理想减速度为

a = \frac{2 (l - v_{i, 0} \cdot t_{q})}{{(t_{q} - t_{C})}^{2}} .

合流冲突消解

对于合流冲突，优先级高的车辆在t_p时刻到达冲突区域，考虑到冲突车辆在驶出交叉口区域后以跟驰状态行驶，仍然存在发生冲突的可能，因此要求优先级低的车辆始终行驶在优先级高的车辆的临界安全区域外。

优先级高的车辆按照既定的行驶计划行驶，并且在t_p时刻到达冲突区域。假定在优先级低的车辆的预测轨迹上存在一点M，令优先级低的车辆在t_p时刻到达M点，此时两车处于临界安全状态。

附图4为合流冲突消解图解，A、P两点间的弧长为l＝R(ψ_i，P-ψ_i，0)，A、M两点间的弧长为l₁，M、P两点间弧长为l₂，且l＝l₁+l₂，设M点的速度为v_M。

在A、M段上，车辆减速行驶，减速度为a，则l₁＝v_i，0·t_p+0.5a(t_p-t_C)²，即v_m＝v_i，0+a(t_p-t_C)。

假定车辆在M、P段上制动，a_max是车辆的制动减速度，则

整理得

a = \frac{2 (l - l_{2} - v_{i, 0} \cdot t_{p})}{{(t_{p} - t_{C})}^{2}} = \frac{2 [l - (v_{M} \cdot t_{C} + \frac{v_{M}^{2}}{{2 a}_{\max}}) - v_{i, 0} \cdot t_{p}]}{{(t_{p} - t_{C})}^{2}},

将v_M代入方程，则有

\frac{{(t_{p} - t_{C})}^{2}}{{2 a}_{\max}} a^{2} + [\frac{{(t_{p} - t_{C})}^{2}}{2} + (t_{p} - t_{C}) \cdot t_{C} + \frac{v_{i, 0} \cdot (t_{p} - t_{C})}{a_{\max}}] a = l - (t_{p} + t_{C}) \cdot v_{i, 0} - \frac{v_{i, 0}^{2}}{{2 a}_{\max}},

解得的a即为优先级低的车辆的理想减速度。

上述求得的理想减速度为车辆执行机构的输入变量，执行机构根据自己的控制算法对车辆的驾驶行为做出相应的调整。

如此循环反复以便达到消解交通冲突的目的。

Claims

1.一种消解无信号交叉口两车交通冲突的方法，其特征在于包括以下步骤：

A、车辆信息采集与预处理，采集两车的经纬度位置、速度、角速度、加速度、航迹角，利用高斯投影理论将经纬度位置坐标转换为高斯平面坐标，利用卡尔曼滤波对高斯平面坐标、航迹角、速度、角速度、加速度进行滤波处理；

B、车车冲突危险辨识，以经过预处理的车辆信息为数据基础，利用车辆运动学方程预测车辆的行驶状态，判断在未来的一段时间内两车是否存在交通冲突；

C、车车冲突类型判断，依据交叉口的车流特征将无信号交叉口的固定冲突点分为不同的类别，综合分析车辆航迹角的取值范围和角速度的正负值特征，粗略判定车辆的行驶轨迹，进而判断两车冲突的具体类型；

D、冲突车辆优先级判定，按照道路交通法的相关规定，驶入无信号交叉口的车辆对道路的使用优先级不同，对每种类型的冲突进行车辆优先级确定，建立无信号交叉口车辆通行规则库，在确定了两车的冲突类型后，可以根据规则库确定车辆的优先通行权；

E、确定冲突消解策略，在优先级高的车辆按照既定的行驶计划行驶的条件下，通过调节优先级低的车辆的纵向运动来消解冲突；

F、执行冲突消解策略。

2.根据权利要求1所述的消解无信号交叉口两车交通冲突的方法，其特征在于：所述各个步骤形成循环，反复作用直至车车冲突消除为止。