CN106846832B - 基于车路协同的城市信号交叉口最优车速引导算法及*** - Google Patents

Abstract

本发明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***，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***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***中完成了车速引导***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。

Description

基于车路协同的城市信号交叉口最优车速引导算法及***

技术领域

本发明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***,属于智能交通技术领域。

背景技术

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***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***可实现信息在***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***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。

发明内容

发明目的：本发明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***，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：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

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t_x+t_m≤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t_q+h_s≤T_g，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，t_x为当前时刻距本周期开始的时长，t_m为车辆以道路最高限速通过交叉口所需时间，T_g为一个周期内绿灯相位时长，h_s为饱和车头时距，t_q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；v_m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；

L_q为排队长度，a_ms为车辆启动加速度，t_t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t_m和t_q修正后为：

其中，v_left为左转车速；v_right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t_m≤T_r+t_q+h_s-t_x，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，v_g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，T_r为一个周期内红灯相位时长，t_q为前方排队车辆消散时间，h_s为饱和车头时距，t_r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，a_com为车辆减速过程中的适宜加速度，v₀为目标车辆当前速度，t_r为驾驶员反应时间；a_slip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，L_q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***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***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***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***，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，本发明的优点是：

对于建议最优车速引导算法而言，本发明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***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***的物理实现而言，本发明中完成了车速引导***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。

附图说明

图1为本发明算法流程图。

图2为***硬件实现框图，其中包括路旁信息交换中心模块，车载终端模块。

图3为路旁信息交换中心模块具体实现原理图。

图4为车载终端模块具体实现原理图。

图5为***工作流程图。

具体实施方式

如图1所示为本发明实施例公开的城市信号交叉口车速最优引导算法的流程图，大体流程为：当车辆进入引导区域后，先通过计算出的排队消散时间和信号灯相位确定车辆能否在本信号灯周期内通过路口。若无法通过，则引导车辆以经济的车速停止到队尾；若可以通过路口，则判断是否需要引导车辆与前方车辆以车队的形式通过，若不需要的话，则引导车辆尽快通过，若需要以车队形式通过路口，则引导车辆在排队消散完毕时到达停止线。在以上流程判断完毕后，分别计算引导车速。

如图2所示为本发明车速引导***的硬件实现框图，本发明实施例公开的最优车速引导***包括以下组件：车载终端模块和路旁信息交换中心模块；车载终端模块与路旁信息交换模块通过无线信道链路相互连通并进行信息的传输与交互。

其中，车载终端模块包括4个主要物理模块：GPS信号接收模块210、人机交互模块(显示屏)214、无线通信模块209、MCU模块217。其中MCU模块包括4个逻辑单元：GPS数据处理单元211、无线通信控制单元212、显示控制单元213和主控单元215。主控单元215分别与GPS数据处理单元211、无线通信控制单元212和显示控制单元213相连，GPS数据处理单元211与GPS信号接收模块210相连，显示控制单元213与人机交互模块214相连，无线通信控制单元212与无线通信模块209相连。图4为车载终端模块具体实现原理图。如图4所示，MCU模块MSP430为主体，通过串口和GPS相连接，实现对GPS通信波特率的修改、采样频率设置、发送内容筛选，将采集到的经纬度、速度、航向、实时时钟信息保存到MCU模块；人机交互模块通过串口从MCU模块获取建议速度等信息，模拟仪表盘的形式将实时车速和建议车速展示给驾驶员。MCU模块通过SPI通信方式与无线通信模块相连接，控制无线通信模块发送与接收数据。调试接口模块通过JTAG口与计算机相连接。供电模块通过锂电池斩波升压后稳压到3.3v进行供电。本实施例中，车载终端模块中的GPS模块为NEO-6M高性能GPS，无线通信模块为NRF24L01，人机交互模块为TFT彩屏，MCU模块为MSP430F5529。

路旁信息交换中心模块包括4个主要物理模块：排队图像获取模块201、信号灯控制上位机205、无线通信模块208、MCU模块216；其中MCU模块又包括5个逻辑单元：图像处理单元202、核心算法单元203、面向信号灯上位机的串口通信单元204、无线通信控制单元207和主控单元206。主控单元206分别与图像处理单元202、核心算法单元203和串口通信单元204相连；图像处理单元202与排队图像获取模块相连201，进行图像处理，获取排队车辆长度；串口通信单元204与信号灯控制上位机205相连，获取信号灯的配时信息，核心算法单元203分别与图像处理单元202和串口通信单元204相连，根据采集的信息计算出车辆的最优速度。图3为路旁信息交换中心模块具体实现原理图。如图3所示，MCU模块通过DMA将图像数据从排队图像获取模块导入到MCU模块，进行图像处理，获取排队车辆长度。MCU模块通过串行通信接口与信号灯控制上位机相连，获取信号灯的配时信息。MCU模块通过SPI方式与无线通信模块相连接，控制无线通信模块与车载终端有序连接，实现道路车辆位置、速度、航向等信息的采集和向车辆发送建议速度。路旁信息交换中心模块还包括调试接口模块和供电模块，调试接口模块通过JTAG口与计算机相连接。供电模块通过锂电池斩波升压后稳压到3.3v进行供电。本实施例中，排队图像获取模块为OV16860传感器，无线通信模块为NRF24L01，MCU模块为MSP430F5529。MSP430通过DMA将摄像头的图像点阵数据保存到MCU进行图像处理；MSP430通过RS232获取信号灯控制上位机传来的信号灯配时数据。MSP430通过USCI_B中的SPI硬件与无线通信模块相连，进行无线信号的接收与发送。

上述路旁信息交换中心模块中的核心算法单元，所采用的最优车速引导算法如下：

1.直行车速引导

对于处于引导范围内的车辆，车速引导***主要通过车辆的位置、速度、当前信号相位和停止线前排队情况判断车辆通过交叉口的方式。当满足以下条件时，目标车辆可在本周期内通过交叉口，否则需要停车等待下一周期。

t_x+t_m≤T (1)

t_q+h_s≤T_g (2)

其中，t_x为当前时刻距本周期开始的时长；h_s为饱和车头时距；T_g为一个周期内绿灯相位时长；T_r为一个周期内红灯相位时长；T＝T_r+T_g为一个信号周期总时长；t_m为车辆以道路最高限速通过交叉口所需时间；t_q为前方排队车辆消散时间。式(1)表示车辆以最高道路限速行驶可在绿灯结束前到达停止线，式(2)表示前方排队车辆能在本周期绿灯结束前消散完毕。

a₁为目标车辆在路段加速时的加速度；v_m为道路最高限速；v₀为该辆车当前速度；L为当前位置距离停止线距离；t_q0为不包括启动损失时间的排队消散时间；L_q为排队长度；a_ms为车辆启动加速度；t_t为启动损失时间。

a.车辆能在本周期内通过交叉口。若目标车辆通过车速引导能够在本周期内通过交叉口，则优化目标是引导车辆能够不停车通过，以降低通过交叉口的延误。在此基础上，进而判断车辆是否能够与前方排队车辆以车队形式通过交叉口。当满足式(5)，即车辆以道路最高限速行驶至停止线所需时间少于排队消散时间时，车辆可紧跟前方车辆以车队形式通过。

t_m≤T_r+t_q+h_s-t_x (5)

若车辆能够与前方车辆以车队形式通过，则引导目标车辆在前方排队车辆消散完毕时到达停止线，引导方式如下：

若车辆不能够与前方车辆以车队形式通过，即以道路最高限速行驶至停止线时排队已经消散完毕，则引导目标车辆尽快通过，引导方式如下：

b.车辆需要减速停车并等待下一周期通过交叉口。车辆无法通过车速引导降低单车延误，则引导车辆以经济节能的方式减速停至排队车辆队尾，从当前时刻开始引导车辆以经济车速行驶，下为经济车速的计算方式：

其中，a_com为车辆减速过程中的适宜加速度，可根据经验值设定；t_r为驾驶员反应时间；a_slip为车辆的滑行加速度；t₁为目标车辆滑行的时间。

2.左转、右转车辆车速引导

实际驾驶过程中，左右转车辆与直行车辆在转向过程中差异较大，本研究以执行算法为基础，考虑左转右转车辆在转向过程中车速较慢且靠近停止线前有减速过程，对t_m和t_q的计算值进行修正。

a.不同转向对t_m的修正

以左转车辆车速引导为例，考虑车辆到达停止线前有一个减速过程，得到t_m的计算方式：

其中，v_left为左转车速；a₂为目标车辆在路段减速的加速度。

右转车辆车速引导方法与左转车辆车速引导相同。

b.不同转向对t_q的修正

以左转车辆为例，左转车辆在排队消散的过程中转向速度相比直行较慢，相应计算方法如下：

其中，t_qleft0为不包括启动损失时间的左转排队消散时间。

右转车辆的车速引导与左转类似。

3.不同车道配置下的车速引导

实际交通环境下常存在多转向共用一个车道的情况，则不同转向之间的车辆会相互受到限制，本研究中以直右车道为例，对右转车辆车速引导进行修正。

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***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***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***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。

本实施例中，算法具体运算时相关经验参数值可查文献选取或根据经验合理设定，如：a_ms为车辆启动加速度取2.78m/s²；t_t为启动损失时间取1.5s；v_left为左转车速取30m/s。

如图5所示，本发明车速引导***的具体工作流程如下：

1)路旁信息交换中心模块初始化，与信号灯控制上位机进行通信，获取信号灯实时配时信息；同时从车辆排队图像获取模块获取图像并计算当前车辆排队长度；之后，等待车载终端模块接入；

2)车载终端模块初始化，与路旁信息交换中心模块建立连接，做好数据传输准备；

3)车载终端模块将车辆当前位置及车速信息打包发送至信息交换中心模块，同时发出建议最优车速获取请求；

4)路旁信息交换中心模块将接收到的车载终端模块发送的车辆位置以及车速信息、当前信号灯配时信息、当前车辆排队长度以及当前交叉路口坐标作为参数，导入建议最优车速算法中进行计算；

5)路旁信息交换中心模块将运算得出的建议最优车速(可根据左直右三种转向分别计算，同时推送三个速度)传送至车载终端模块，车载终端模块将建议最优车速实时显示给用户。

本发明提出的车速引导策略，克服了传统车路协同模型的局限，免去了不能超车、不能变道等限制条件，使得模型更符合实际道路情况，并设计了一套完整的车速引导***，通过以msp430为硬件平台的产品开发实现其主要功能模块，并通过对比引导前后的车辆总通行时间，得出本发明计算出来的建议速度有更高的行车参考价值。因此本发明的基于车路协同的速度引导算法和***对道路整体通行效率的提升有重大意义。

Claims (8)

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；

若满足t_x+t_m≤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t_q+h_s≤T_g，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，t_x为当前时刻距本周期开始的时长，t_m为车辆以道路最高限速通过交叉口所需时间，T_g为一个周期内绿灯相位时长，h_s为饱和车头时距，t_q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；v_m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；

L_q为排队长度，a_ms为车辆启动加速度，t_t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t_m和t_q修正后为：

其中，v_left为左转车速；v_right为右转车速，a₂为目标车辆在路段减速的加速度。

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t_m≤T_r+t_q+h_s-t_x，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；T_r为一个周期内红灯相位时长。

3.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：

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，v_g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，T_r为一个周期内红灯相位时长，t_q为前方排队车辆消散时间，h_s为饱和车头时距，t_r为驾驶员反应时间。

4.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：

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，引导车速的计算方式：

其中，a_com为车辆减速过程中的适宜加速度，v₀为目标车辆当前速度，t_r为驾驶员反应时间；a_slip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，L_q为排队长度。

5.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：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***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***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***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。

6.采用根据权利要求1-5任一项所述的城市信号交叉口最优车速引导算法的一种基于车路协同的城市信号交叉口车速引导***，其特征在于：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。

7.根据权利要求6所述的一种基于车路协同的城市信号交叉口车速引导***，其特征在于：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。

8.根据权利要求6所述的一种基于车路协同的城市信号交叉口车速引导***，其特征在于：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。