CN105741585A - 面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法 - Google Patents

Abstract

面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法，属于车联网控制领域。现有的信号配时控制不能消除交叉口处完全停车等待，以及停车延误和燃油消耗影响的问题。一种面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法，确定控制区域划分方法，其中控制区域划分方法包括基本区域划分和控制点优化方法；根据特定车辆识别遵循的规则，识别出控制区域内的特定车辆；计算速度建议值，并根据速度建议值对步骤二确定出的特定车辆进行车辆轨迹控制。本发明具有提升交通效能，减少油耗的好处。

Description

面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法

技术领域

本发明涉及一种面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法。

背景技术

随着定位技术、信息感知技术、信息通信技术以及移动互联技术的飞速发展，车联网已经成为了智能交通下一步发展的必然趋势，尤其是在自动驾驶技术蓬勃发展的背景下，造成了对车联网技术的研发与应用的迫切需求，使得车联网技术得到了全球交通、汽车、能源、环境等相关产业的高度关注，同时也引发了全球各国在车联网领域的新一轮科技竞赛，其目标无疑是争夺科技的制高点和经济的新兴增长点。

信号交叉口作为城市路网中的瓶颈，对交通流有打断作用，往往是交通拥堵和交通事故发生的关键节点。传统的信号交叉口控制主要聚焦于调整交通信号配时来调节到达的交通模式，以减轻“走走-停停”交通带来的交通拥堵、以及燃油消耗和排放的增加。这类方法包括激励控制、自适应控制和信号协同控制。虽然，在实际应用中，这类控制给信号交叉口带来了显著的影响，其核心在于交通信息的准确、实时检测。当前，信号交叉口处常用交通信息检测设备主要包括：线圈检测器、微波检测器和视频检测器等。一方面，该类检测器的铺设和维修具有较高的成本；另一方面，信号配时的控制并未消除在交叉口处的完全停车等待，这对交叉口处车辆的停车延误和燃油消耗依然有很大的影响。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的信号配时控制不能消除交叉口处完全停车等待，以及停车延误和燃油消耗影响的问题，而提出一种面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法。

一种面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、确定控制区域划分方法，其中控制区域划分方法包括基本区域划分和控制点优化方法；

步骤二、根据特定车辆识别遵循的规则，识别出控制区域内的特定车辆；

步骤三、计算速度建议值，并根据速度建议值对步骤二确定出的特定车辆进行车辆轨迹控制。

本发明的有益效果为：

本发明公开了一种面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法。该方法利用车联网技术，对信号交叉口停车线前的进口路段划分出一段控制区域，随后根据相应的信号灯配时信息和车辆运行信息，识别出特定车辆，对其进行可变速度控制，从而使其能够在绿灯相位开始时通过交叉口，进而影响其后的跟驰车辆，提升信号交叉口处的交通效率，降低车辆的燃油消耗。

本发明提出的车联网技术，实现车辆与车辆，车辆与基础设施之间的信息共享，从而准确地获得信号交叉口周围的环境信息，并有效地预测出车辆在交叉口处的运行轨迹，进而结合动态速度控制方法(DSC)，通过动态调节车辆的速度限制以此响应实时的交通状态，并通过车载设备对驾驶员进行提示，从而平滑车辆轨迹，提升交通效能，减少油耗。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明涉及的交叉口进口道控制区区域划分示意图；

图3为本发明涉及的DIRECT算法逻辑图；

图4为本发明涉及的还是车辆轨迹控制示意图；

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式的面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法，结合图1所示的流程图，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、确定控制区域划分方法，其中控制区域划分方法包括基本区域划分和控制点优化方法；其对车辆轨迹控制方法的控制效果有明显的影响；

步骤二、根据特定车辆识别遵循的规则，识别出控制区域内的特定车辆；

步骤三、计算速度建议值，并根据速度建议值对步骤二确定出的特定车辆进行车辆轨迹控制。

具体实施方式二：

与具体实施方式一不同的是，本实施方式的面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法，步骤一所述基本区域划分的过程为，

利用DSRC通信方式及GPS定位方法确定交叉口进口道的控制范围，同时将控制区域分为缓冲区、减速区和加速区这三个基本区域；如图2所示，为交叉口进口道控制区区域划分示意图；

以单一单车道进口道为例，通过DSRC通信检测车辆所处控制区域内的位置。其中，

缓冲区的作用是对车辆与基础设施之间的通信进行检验，同时预测车辆的行驶轨迹，设定缓冲区的长度为L₁；

减速区的作用是通过向车载App提供速度建议值，指导车辆减速行驶，设定减速区的长度为L₂；

加速区通过向车载App提供速度建议值，指导车辆加速行驶，设定加速区的长度为L₃；

设定控制区域的总长度为L，则确保车辆有足够的空间进行加速和减速的各个基本区域的长度分别为：

$L_2\≥\frac{v_{\max }^2}{2d}$

$L_3=\frac{v_{\max }^2}{2a}$

三个基本区域应该属于总控制区域的控制范围中：L₁+L₂+L₃＝L；

式中，v_max表示减速区或者加速区路段允许的最大车速；d表示减速区路段允许的最大减速度；a表示加速区路段允许的最大加速度。

具体实施方式三：

与具体实施方式一或二不同的是，本实施方式的面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法，步骤一所述确定控制点位置优化方法的过程为，

所述控制点位置优化是通过步骤一确定出缓冲区、减速区和加速区这三个基本区域之后，根据节油目标对控制点位置进行优化，确定三个基本区域的最终长度，具体为：

步骤一一、引进VT-micro车辆燃油消耗和排放模型，对交叉口处的全部车辆的燃油消耗进行计算，计算公式如下：

$FC=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{{x_n}^{-1}\left(0\right)}{\overset{{x_n}^{-1}\left(L\right)}{\∫}}\exp \left\{\underset{i=0}{\overset{3}{\Σ}}\underset{j=0}{\overset{3}{\Σ}}{K}_{ij}{v_n}^i\left(t\right){a_n}^j\left(t\right)\right\}dt$

其中，VT-micro车辆燃油消耗和排放模型是指根据车辆的瞬时速度和加速度计算其瞬时油耗；控制点是指缓冲区与减速区之间的分割点，减速区与加速区之间的控制点；

式中，N为总的车辆数；x_n ^-1(0)表示第n辆车进入控制区域的缓冲区的时间；x_n ^-1(L)表示第n辆车离开缓冲区的时间；K是一个4×4的常系数矩阵，具体情况可参考文献(Ahn1998)；表示第n辆车在t时刻速度的i次方；示第n辆车在t时刻速度的i次方；

步骤一二、利用DIRECT优化算法对控制点的位置进行优化，DIRECT算法逻辑图如图3所示：

第一，仿真器输出每个候选控制点的***的燃油消耗值；

第二，基于对燃油消耗值的评价，DIRECT算法通过多级矩形分割找出下一个可行的候选点，直到找到最优的控制点位置。

其中，DIRECT优化算是指矩形分割。

具体实施方式四：

与具体实施方式三不同的是，本实施方式的面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法，步骤二所述特定车辆识别遵循的规则包括：

当前车辆到达控制区域的缓冲区；和

前一车辆能在当前的绿灯时间周期内通过交叉口，而当前车辆无法在当前周期的绿灯时间内通过交叉口。

具体实施方式五：

与具体实施方式一、二或四不同的是，本实施方式的面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法，步骤二所述识别出控制区域内的特定车辆的过程为，

所述面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法，并不是对控制区域内的所有车辆进行控制，因为这样的计算求解复杂度较高，且现阶段的技术还不能达到。因此，为了简化该问题而又不失去过多的***性能，而是识别出特定车辆、对特定车辆进行相应的控制，其他车辆根据车辆跟驰理论跟随特定车辆行驶的过程，其中，识别出控制区域内的特定车辆的具体步骤如下：

步骤二一、通过DSRC通信方式检测当前车辆是否到达控制区域，若已到达，则利用GPS定位方法获取当前车辆的位置、速度和加速度信息；否则重复此步骤继续通过DSRC通信方式检测当前车辆是否到达控制区域；

步骤二二、交叉口控制中心根据步骤二一获得的当前车辆的实时位置、速度和加速度信息，预测车辆的行驶轨迹，同时根据信号配时信息，判断当前车辆是否符合特定车辆识别遵循的规则，

若不符合，则当前车辆正常通过，不对车辆进行控制；

若符合，则对当前车辆进行相应的车辆轨迹控制。

其中，信号配时信息是指交通信号的红灯时长与绿灯时长之和。

具体实施方式六：

与具体实施方式五不同的是，本实施方式的面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法，步骤三所述计算速度建议值，并根据速度建议值对步骤二确定出的特定车辆进行车辆轨迹控制的过程为，

步骤三一、交叉口控制中心根据车辆信息和信号配时，利用可变速度限制方法，平滑车辆行驶轨迹，计算速度建议值；

步骤三二、检测当前车辆是否到达减速区；

若是，则通过车载App为当前车辆提供速度建议值，提醒驾驶员将当前车辆速度减速到规定的速度；

若否，则继续按当前车辆原始行驶状态行驶；

步骤三三、检测当前车辆是否到达加速区；

若是，则通过车载App为当前车辆提供速度建议值，提醒驾驶员将当前车辆速度加速到规定的速度；

若否，则继续按当前车辆原始行驶状态行驶。

具体实施方式七：

与具体实施方式一、二、四或六不同的是，本实施方式的面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法，步骤三所述计算速度建议值的过程为：

图4为车辆轨迹平滑示意图。图中，

首先，设控制区域总长度为L，缓冲区长L₁，减速区长L₂，加速区长L₃；信号周期时长为C，绿灯时长为Tg，红灯时长为Tr；车辆进入控制区域的时间为t_in；

根据图4中的时空关系可得：

c₁-t₁＝t_d+t_u+t_a+t′_u

式中，t₁为当前车辆到达减速区的时间；t_d为当前车辆减速花费的时长；t_u为当前车辆减速后匀速运行的时长；t_a为当前车辆加速花费的时长；t′_u为当前车辆加速后匀速运行的时长；c₁为周期结束时间；

$\left\{\begin{array}{c}{L}_1=v_0(t_1-t_{in})\\ L_2=v_0{t}_d-\frac{1}{2}{{\mathrm{dt}}_d}^2+v_L{t}_u\\ L_3=v_L{t}_a+\frac{1}{2}{{\mathrm{at}}_a}^2+v_{\max }{t}_u^{\′}\end{array}\right.$

$c_1-t_{in}=\left(\frac{L_1}{v_0}\right)+\left(\frac{v_0-v_L}{d}\right)+(\frac{L_2}{v_L}-\frac{{v_0}^2-{v_L}^2}{2{\mathrm{dv}}_L})+\left(\frac{v_{max}-v_L}{a}\right)+(\frac{L_3}{v_{\max }}-\frac{{v_{\max }}^2-{v_L}^2}{2{\mathrm{av}}_{max}})$

式中，对应当前车辆通过缓冲区的部分；对应当前车辆通过减速区的部分；对应当前车辆通过加速区的部分；v_max表示减速区或者加速区路段允许的最大车速；v₀表示进入缓冲区时的初始速度；v_L表示速度限制值；

最后，利用Runge-Kutta求解得速度限制值v_L。

具体实施方式八：

与具体实施方式二不同的是，本实施方式的面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法，所述GPS定位方法涉及的定位精度小于1米。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、确定控制区域划分方法，其中控制区域划分方法包括基本区域划分和控制点优化方法；

步骤二、根据特定车辆识别遵循的规则，识别出控制区域内的特定车辆；

步骤三、计算速度建议值，并根据速度建议值对步骤二确定出的特定车辆进行车辆轨迹控制。

2.根据权利要求1所述面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法，其特征在于：步骤一所述基本区域划分的过程为，

利用DSRC通信方式及GPS定位方法确定交叉口进口道的控制范围，同时将控制区域分为缓冲区、减速区和加速区这三个基本区域；其中，

缓冲区的作用是对车辆与基础设施之间的通信进行检验，同时预测车辆的行驶轨迹，设定缓冲区的长度为L₁；

减速区的作用是通过向车载App提供速度建议值，指导车辆减速行驶，设定减速区的长度为L₂；

加速区通过向车载App提供速度建议值，指导车辆加速行驶，设定加速区的长度为L₃；

设定控制区域的总长度为L，则确保车辆有足够的空间进行加速和减速的各个基本区域的长度分别为：

$L_2\≥\frac{v_{\max }^2}{2d}$

$L_3=\frac{v_{\max }^2}{2a}$

三个基本区域应该属于总控制区域的控制范围中：L₁+L₂+L₃＝L；

式中，v_max表示减速区或者加速区路段允许的最大车速；d表示减速区路段允许的最大减速度；a表示加速区路段允许的最大加速度。

3.根据权利要求1或2所述面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法，其特征在于：步骤一所述确定控制点位置优化方法的过程为，

步骤一一、引进VT-micro车辆燃油消耗和排放模型，对交叉口处的全部车辆的燃油消耗进行计算，计算公式如下：

$FC=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{{x_n}^{-1}\left(0\right)}{\overset{{x_n}^{-1}\left(L\right)}{\∫}}\exp \left\{\underset{i=0}{\overset{3}{\Σ}}\underset{j=0}{\overset{3}{\Σ}}{K}_{ij}{v_n}^i\left(t\right){a_n}^j\left(t\right)\right\}dt$

其中，VT-micro车辆燃油消耗和排放模型是指根据车辆的瞬时速度和加速度计算其瞬时油耗；控制点是指缓冲区与减速区之间的分割点，减速区与加速区之间的控制点；

式中，N为总的车辆数；x_n ^-1(0)表示第n辆车进入控制区域的缓冲区的时间；x_n ^-1(L)表示第n辆车离开缓冲区的时间；K是一个4×4的常系数矩阵；v_n ⁱ(t)表示第n辆车在t时刻速度的i次方；a_n ^j(t)示第n辆车在t时刻速度的i次方；

步骤一二、利用DIRECT优化算法对控制点的位置进行优化：

第一，仿真器输出每个候选控制点的***的燃油消耗值；

第二，基于对燃油消耗值的评价，DIRECT算法通过多级矩形分割找出下一个可行的候选点，直到找到最优的控制点位置；

其中，DIRECT优化算是指矩形分割。

4.根据权利要求3所述面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法，其特征在于：步骤二所述特定车辆识别遵循的规则包括：

当前车辆到达控制区域的缓冲区；和

前一车辆能在当前的绿灯时间周期内通过交叉口，而当前车辆无法在当前周期的绿灯时间内通过交叉口。

5.根据权利要求1、2或4所述面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法，其特征在于：步骤二所述识别出控制区域内的特定车辆的过程为，

所述面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法，是识别出特定车辆、对特定车辆进行相应的控制，其他车辆根据车辆跟驰理论跟随特定车辆行驶的过程，其中，识别出控制区域内的特定车辆的具体步骤如下：

步骤二一、通过DSRC通信方式检测当前车辆是否到达控制区域，若已到达，则利用GPS定位方法获取当前车辆的位置、速度和加速度信息；否则重复此步骤继续通过DSRC通信方式检测当前车辆是否到达控制区域；

步骤二二、交叉口控制中心根据步骤二一获得的当前车辆的实时位置、速度和加速度信息，预测车辆的行驶轨迹，同时根据信号配时信息，判断当前车辆是否符合特定车辆识别遵循的规则，

若不符合，则当前车辆正常通过，不对车辆进行控制；

若符合，则对当前车辆进行相应的车辆轨迹控制；

其中，信号配时信息是指交通信号的红灯时长与绿灯时长之和。

6.根据权利要求5所述面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法，其特征在于：步骤三所述计算速度建议值，并根据速度建议值对步骤二确定出的特定车辆进行车辆轨迹控制的过程为，

步骤三一、交叉口控制中心根据车辆信息和信号配时，利用可变速度限制方法，平滑车辆行驶轨迹，计算速度建议值；

步骤三二、检测当前车辆是否到达减速区；

若是，则为当前车辆提供速度建议值，当前车辆速度减速到规定的速度；

若否，则继续按当前车辆原始行驶状态行驶；

步骤三三、检测当前车辆是否到达加速区；

若是，则为当前车辆提供速度建议值，当前车辆速度加速到规定的速度；

若否，则继续按当前车辆原始行驶状态行驶。

7.根据权利要求1、2、4或6所述面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法，其特征在于：步骤三所述计算速度建议值的过程为：

首先，设控制区域总长度为L，缓冲区长L₁，减速区长L₂，加速区长L₃；信号周期时长为C，绿灯时长为Tg，红灯时长为Tr；车辆进入控制区域的时间为t_in；

得：

c₁-t₁＝t_d+t_u+t_a+t′_u

式中，t₁为当前车辆到达减速区的时间；t_d为当前车辆减速花费的时长；t_u为当前车辆减速后匀速运行的时长；t_a为当前车辆加速花费的时长；t′_u为当前车辆加速后匀速运行的时长；c₁为周期结束时间；

$\left\{\begin{array}{c}{L}_1=v_0(t_1-t_{in})\\ L_2=v_0{t}_d-\frac{1}{2}{{\mathrm{dt}}_d}^2+v_L{t}_u\\ L_3=v_L{t}_a+\frac{1}{2}{{\mathrm{at}}_a}^2+v_{\max }{t}_u^{\′}\end{array}\right.$

$c_1-t_{in}=\left(\frac{L_1}{v_0}\right)+\left(\frac{v_0-v_L}{d}\right)+\left(\frac{L_2}{v_L}-\frac{{v_0}^2-{v_L}^2}{2{\mathrm{dv}}_L}\right)+\left(\frac{v_{\max }-v_L}{a}\right)+\left(\frac{L_3}{v_{\max }}-\frac{{v_{\max }}^2-{v_L}^2}{2{\mathrm{av}}_{\max }}\right)$

式中，对应当前车辆通过缓冲区的部分；对应当前车辆通过减速区的部分；对应当前车辆通过加速区的部分；v_max表示减速区或者加速区路段允许的最大车速；v₀表示进入缓冲区时的初始速度；v_L表示速度限制值；

最后，利用Runge-Kutta求解得速度限制值v_L。

8.根据权利要求2所述面向节油的基于车联网的车辆轨迹平滑控制方法，其特征在于：所述GPS定位方法涉及的定位精度小于1米。