CN112489457A - 一种自动驾驶环境下交叉口车辆通过引导方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自动驾驶环境下交叉口车辆通过引导方法，具体步骤为：首先对目标交叉口进行模型化处理；然后根据车辆的通过请求预估车辆通过目标交叉口边界的时间，同时对车辆出口道进行预先分配；随后对车辆在预分配通道内是否存在时空冲突进行判断，并利用转换出口道以及调整车辆通过顺序的方法进行车辆冲突解脱；最后确定车辆通过指令并将其返回车辆，从而实现自动驾驶车辆在交叉口内的冲突解脱，本发明实现了自动驾驶车辆经过目标交叉口时存在时空冲突时的冲突解脱方法，满足了自动驾驶车辆在交叉口内的安全通过需求，为智能交通、自动驾驶、自动控制交叉口车路协同等发展提供了有力技术服务支持。

Description

一种自动驾驶环境下交叉口车辆通过引导方法

技术领域

本发明涉及一种自动驾驶环境下交叉口车辆通过引导方法，属于智能交通自动驾驶技术领域。

背景技术

智能交通***作为缓解交通拥堵、降低交通污染、提高交通效率的重要手段，在交通建设与发展中已被广泛应用，对于城市交通的进一步发展而言，智能交通***的创新性与应用性至关重要。交叉口作为城市交通框架的重要基础组成，随着近年自动驾驶、车路协同等方面的突破性发展，使得交通流在各个交通枢纽点的通过方式在自动驾驶环境下有望发生颠覆性转变，该转变特征主要表现为两点：一是取消交叉口信号灯，二是取消交叉口进口道功能划设。换言之，车辆在自动驾驶环境下能否通过交叉口的依据不再是信号灯变换，而是依靠车辆与车辆、车辆与交叉口之间的互联互通，从而得到车辆通过交叉口的最佳时机和最佳通过速度；同时，车辆在接近交叉口进口道时不再需要改变当前所在车道后进入指定行驶功能的车道，即所有的进口道都具有任意转向功能；并且，为了区别于当前交叉口控制模式，遂将其定义为自动控制交叉口。当然以上转变的实现不仅需要车路协同、V2V、V2I、V2X等相关技术的支持，还要求自动驾驶车辆至少处于L4级，最好是L5级。

在自动驾驶环境下，由于上述转变，交叉口内部的冲突点明显增多，为了完善上述转变，规范行车秩序，减少车辆冲突，提高通过效率，有必要提出自动驾驶车辆在自动控制交叉口内的冲突解脱方法，促进自动驾驶环境下自动控制交叉口内自动驾驶车辆的安全运行，弥补现有技术发展中的空缺与不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题是自动驾驶环境下，交叉口内部冲突点增多的问题。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种自动驾驶环境下交叉口车辆通过引导方法，基于在预设检测周期内统计的各个车辆通过目标交叉口的请求，通过以下步骤A至步骤I获得对应于各个车辆通过目标交叉口的通过方案：

步骤A.根据目标十字交叉口的进口车道、入口车道和边界，确定目标交叉口的模型，针对各个车辆发送的通过请求，按照预设的时间计算规则计算各个车辆到达交叉口边界的时间，然后进入步骤B；

步骤B.结合步骤A中各个车辆到达交叉口边界的时间，按照预设的分配出口道的方法，针对每一个发送通过请求的车辆预先分配出口道，获得各个车辆的预分配通道，然后进入步骤C；

步骤C.判断各个车辆的预分配通道之间是否存在空间冲突；若是，则进入步骤D，若否，则进入步骤I；

步骤D.判断存在空间冲突的各个车辆的预分配通道之间是否存在时间冲突；若是，则规定车辆为冲突车辆，然后进入步骤E，若否，则进入步骤I；

步骤E.分别获得冲突车辆采用的更换车辆出口道的方案和改变车辆通过顺序的方案；

步骤F.判断车辆更换出口道方案是否可行，若是，则进入步骤G，若否，则进入步骤H；

步骤G.比较判断车辆采用更换出口道方案的通过时长和采用改变车辆通过顺序的方案所需要的通过时长的大小，确定采用通过时长较小的方案作为目标冲突车辆通过方案来实现对冲突车辆的引导，并发送相应的车辆通过指令给冲突车辆；

步骤H.采用改变车辆通过顺序的方案来实现对冲突车辆的引导，发送车辆通过指令给存在冲突的车辆；

步骤I.发送包含车辆到达交叉口边界的时间、车辆出口车道的通过指令给各个车辆。

作为本发明的一种优选技术方案，所述在预设检测周期内统计的车辆通过交叉口的请求由以下方法获得：

在距离交叉口边界长度为l_send时，统计在一个检测周期T内的各个车辆i发出的通过交叉口的请求，其中，

该请求包括各个车辆i经过交叉口边界距离为l_send时的行车速度v_i,0和经过交叉口的行驶方向，其中，行驶方向包括直行、左转、右转，并对检测周期T内各进口车道流量Q进行统计。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤A各个车辆i基于匀速到达交叉口边界的时间t_i,I，由如下预设的时间计算规则来获取：

其中，v_1,0为第一辆车辆到达距离进口边界长度为l_send位置时的速度，t_i-1,i为第i-1辆车辆与第i辆车辆的发送通过请求的时间间隔，即第i-1辆车辆与第i辆车辆到达距离进口边界长度为l_send位置时的时间间隔。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤B中所述的预设的分配出口道的方法，由如下步骤组成：

首先对交叉口进行平面坐标划分，定义车道进口方向为A，按照单一方向旋转，将车道进口依次编号A₁、A₂、A₃、A₄，定义车道出口方向为B，与进口车道相应的按照单一方向旋转，将车道出口依次编号B₁，B₂，B₃，B₄，以道路中线起由左向右依次对进口车道编号为1,2,…M，以道路中线起由右向左依次对出口车道进行编号为1,2,…M，M为每个进出道口的车道数；

针对每一个车辆，并且将所有车辆在交叉口内从进口车道至出口车道之间的运动轨迹所占车道范围称为通道cha，以此通道为基础，以车辆通过交叉口的时间、效率和距离为目标，建立如下的目标函数：

其中，

为车辆i在出口方向选择某车道时的通道长度通过阻力；

为车辆i在出口方向选择某车道时的通道时间通过阻力；

为车辆i在出口方向选择某车道时的转向角度通过阻力；

约束条件为：

其中，I为入口方向的编号，m为入口车道编号，1≤m≤M，O为出口方向的编号，n为出口车道编号，1≤n≤N，Im-On为表示入口方向为I，入口车道为m，出口方向为O，出口车道为n的通道，l_i,(Im-On)为车辆i的通道为Im-On的通道长度，t_i,(Im-On)为车辆i在通道为Im-On时的通道通过时间，θ_i,(Im-On)为车辆i在通道为Im-On时的转向角度，l_i,cha为车辆i在出口方向所有可选择车道的通道长度，t_i,cha为车辆i在出口方向所有可选择车道的通道通过时间，θ_i,cha为车辆i所在进口车道与出口方向所有可选择车道的连线与车辆i所在进口车道直线形成的夹角，v_i,cha为车辆i通过通道cha时的行驶速度，v_turn为车辆i通过转向通道时的行驶速度，v_straight为车辆i通过直行通道时的行驶速度，其中，I≠O，车辆i在任意进口方向的任意通过目标；

通过以上步骤，基于目标函数和相应的约束条件，可获得各个车辆i通过交叉口的预分配通道A_Im-B_On，即实现出口车道进行预先分配。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤C通过如下步骤C1至步骤C2来判断各个车辆的预分配通道之间是否存在空间冲突：

步骤C1.根据各个车辆i的预分配通道A_Im-B_On，获得所有车辆i的预分配通道轨迹集合Y；

根据车辆i进入交叉口时的起始坐标

和离开交叉口时的结束坐标

由此可得车辆i在交叉口内通道轨迹为：

步骤C2.通过以下步骤遍历求解各个车辆的各个通道轨迹线之间是否存在公共解来判断各个车辆之间是否存在空间冲突，以及获得存在空间冲突之后的冲突空间区域；

如果存在空间冲突，则冲突点坐标点

需要满足如下条件：

结合步骤C1中的公式得到各个车辆的各个通道轨迹线之间是否存在公共解的情况如下所示：

若为合流冲突点，即当x＝±M,y＝±M时，合流冲突点可具体表示为：

对于合流冲突区域取两车道宽度为冲突区域的长度，则合流冲突空间区域可表示为：

其中，INT()为小于()的最大整数，

为合流冲突区域的点的坐标，

为实际的冲突点的坐标；

交叉冲突点的交叉冲突空间区域可表示为：

其中，

为交叉冲突空间区域的点的坐标，

为实际的冲突点的坐标。

作为本发明的一种优选技术方案，根据空间冲突的类型，分别按照如下方法判定对应的空间冲突是否存在时间冲突；

对于交叉冲突区域而言，车辆i或车辆i⁺从交叉口边界与交叉冲突空间区域开始的距离为：

其中，

为入口车道为m的冲突点坐标，l_width为车道的宽度；

对于合流冲突区域而言，车辆i和车辆i⁺从交叉口边界与合流冲突空间区域开始的距离分别从4个出口方向分别计算；

对于出口B₁，其空间冲突区域限定范围为：

出口B₁直行、左转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

出口B₁右转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

对于出口B₂，其空间冲突区域限定范围为：

出口B₂直行、左转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

出口B₂右转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

对于出口B₂，其空间冲突区域限定范围为：

出口B₃直行、左转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

出口B₃右转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

对于出口B₄，其空间冲突区域限定范围为：

出口B₄直行、左转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

出口B₄右转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

根据以上冲突距离计算结果，进一步得出车辆到达冲突区域开始的时刻为：

在此进行步骤D中的时间冲突判断：

若

则表明空间冲突区域内无时间冲突；

若

则表明空间冲突区域内存在时空冲突。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤E中所述的更换出口道选择的方案，将车辆i和车辆i⁺出口道由B_On更换为B_On′，则出口道坐标即转换为

其中n≠n′，车辆更换出口道选择后，车辆i在交叉口内通道轨迹转变为：

其中，x_i″，y_i″表示车辆i在出口通道转换为B_On′后的通道轨迹坐标；

车辆i⁺在交叉口内通道轨迹转变为：

其中，x″_i+、y″_i+表示车辆i⁺在出口通道转换为B_On′后的通道轨迹坐标；

步骤E中所述的改变车辆通过顺序的方案，具体通过以下方式实现：

根据步骤A中检测周期T内各进口车道统计流量Q，计算车辆i和车辆i⁺所在进口车道的单位时间流量，Q_i-I和

分别代表车辆i和车辆i⁺所在进口车道的流量数，比较其大小，所在车道流量较大的车辆优先通过，若

则比较车辆i和车辆i⁺到达交叉口边界时刻t_i,I和

的大小，则确定时刻小者，即先到达交叉口边界时刻的车辆优先通过，如果到达交叉口边界时刻t_i,I和

也相等，则让车辆i或车辆i⁺所在进口方向编号I较小者优先通过，最后，若车辆所在进口方向也一致，那么比较车辆所在进口车道的位置，选择位置靠右的车辆优先通过。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤F根据以下方案判断更换出口道选择的冲突解脱方案是否可行：

根据车辆i和车辆i⁺出口道转换为B_On′后的车辆轨迹和车辆i的原轨迹，结合如下车辆i和车辆i⁺出口道坐标转换约束的公式，判断

之间是否存在公共解，若

之间存在公共解，则不可以通过更换出口道选择的方案进行车辆冲突解脱，若

之间不存在公共解，则可以通过更换出口道选择的方案进行车辆冲突解脱；

其中

为车辆i和车辆i⁺出口道转换为B_On′后轨迹线重合的点的坐标。

作为本发明的一种优选技术方案，预设的第四判断模块为按照如下方式分别计算采用更换出口道方案的通过时长和改变车辆通过顺序的方案所需要的通过时长的大小；

采用更换出口道方案的通过时长通过如下公式获取：

其中，

分别为车辆i和车辆i⁺更换出口车道为B_On′后的通道通过时间；

改变车辆通过顺序的方案所需要的通过时长通过以下方式获取：

设定调整顺序后的车辆i为优先通过的车辆，车辆i⁺为后通过的车辆，分别以速度v_i,cha和速度

通过交叉口，则车辆i⁺与车辆i到达交叉口边界的时间差通过如下公式获取：

其中，

为车辆i⁺与车辆i到达交叉口边界的时间差，d_safe为交叉口内车辆之间的最小安全距离，

为预估的车辆i到达交叉口边界的时刻，

为预估的车辆i⁺到达交叉口边界的时刻；

按照如下规则计算调整车辆通过顺序后的通过时长：

本发明所述一种自动驾驶环境下交叉口车辆通过引导方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明充分考虑了自动驾驶环境下，自动驾驶车辆在通过的交叉口过程中可能出现的时空冲突，提出了以更换出口道选择、调整车辆通过顺序为导向的车辆冲突解脱方法，实现了交叉口内自动驾驶车辆时空冲突解脱，能够满足自动驾驶车辆在交叉口内的安全通过需求，切实为智能交通、自动驾驶、自动控制交叉口车路协同等发展提供有力技术参考。

附图说明

图1为本发明提供的整体逻辑流程图；

图2为自动控制交叉口模型化处理图；

图3为本发明实施例示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

首先对交叉口内部及外部道路进行模型化处理，在交叉口外部，如图2所示，A表示车道进口方向，以南进口方向为A₁，逆时针旋转依次编号I＝1,2,3,4，则东进口编号为A₂，北进口编号为A₃，西进口编号为A₄，B表示车道出口方向，同样按照逆时针旋转依次编号O＝1,2,3,4，则有B₁，B₂，B₃，B₄分别对应此交叉口的南出口、东出口、北出口和西出口。以道路中线起由左向右依次定义进口车道编号1,2,…M(m∈M)，以道路中线起由右向左依次定义出口车道编号1,2,…N(n∈N)。车辆在靠近交叉口时所在车道用A_Im表示，车辆在通过交叉口后驶离(或目标驶离)的车道用B_On表示。

在交叉口内部，如图2所示，以两条道路中心线连线的交点为原点o，建立交叉口平面直角坐标系，东西方向为x轴，由西向东为x正方向，南北方向为y轴，由南向北为y轴正方向。车辆在交叉口外部的进出口方向及车道编号可在交叉口内外部边缘转变为交叉口内部坐标，交叉口的车道宽度l_width即为坐标系内的单位长度，坐标转换目标为

转换过程遵守以下规则：

本实施例是在较高水平的自动驾驶环境下展开的，利用自动控制交叉口内的控制中心代替传统交叉口的信号灯控制，自动驾驶车辆之间、自动驾驶车辆与控制中心之间具有高效、准确的信息传递。

针对现有发明技术中的空缺与不足，根据以上环境预设和模型化处理，本实施例提供一种自动驾驶环境下交叉口车辆通过引导方法，其主要为自动驾驶车辆通过自动控制交叉口提供优化方案，整体逻辑详见以下步骤：

步骤A.针对各个车辆发送的通过请求，按照如下的时间计算规则计算各个车辆到达交叉口边界的时间，然后进入步骤B；

车辆

在距离进口边界长度为l_send时，将行车速度v_i,0，通过方向：直行、左转、右转，发送给自动交叉口控制中心(后称为控制中心)。车辆

发送通过请求后，自动交叉口控制中心在单位时间T内记录各车辆的通过请求，并对T时间段内各进口车道及各出口方向流量Q进行统计，统计结果如表1示。

表1 T时间段内各进口车道及各出口方向流量Q统计表

预估车辆

正常情况下越过进口道边界时间t_i,I，是指车辆

以原有行驶速度v_i,0将要越过边界的时间，预估主体为控制中心，计算方法为

其中t_i-1,i指第i-1辆车与第i车的发送请求时间间隔，也就是车辆i-1与i到达距离进口边界长度为l_send位置时的时间间隔，第1辆车的预估越过进口道边界时间为

则第2辆车的预估越过进口道边界时间为

那么以此类推可得第

辆车的预估到达交叉口边界时间。

步骤B.结合步骤A中各个车辆到达交叉口边界的时间，按照如下的分配出口道的方法，针对每一个发送通过请求的车辆预先分配出口道，获得各个车辆的预分配通道；

控制中心收集各车辆通过请求后，对各车辆出口车道进行预先分配，并且将车辆在交叉口内从进口车道至出口车道之间的运动轨迹所占车道范围称为通道cha，在此，以通道为基础，以车辆通过交叉口的时间、效率和距离为目标，建立时间最短、效率最优、距离最小目标函数：

其中

为车辆i在出口方向选择某车道时的通道长度通过阻力；

为车辆i在出口方向选择某车道时的通道时间通过阻力；

为车辆i在出口方向选择某车道时的转向角度通过阻力。

其约束条件为：

其中，I为入口方向的编号，m为入口车道编号，1≤m≤M，O为出口方向的编号，n为出口车道编号，1≤n≤N，Im-On为表示入口方向为I，入口车道为m，出口方向为O，出口车道为n的通道，l_i,(Im-On)为车辆i的通道为Im-On的通道长度，t_i,(Im-On)为车辆i在通道为Im-On时的通道通过时间，θ_i,(Im-On)为车辆i在通道为Im-On时的转向角度，l_i,cha为车辆i在出口方向所有可选择车道的通道长度，t_i,cha为车辆i在出口方向所有可选择车道的通道通过时间，θ_i,cha为车辆i所在进口车道与出口方向所有可选择车道的连线与车辆i所在进口车道直线形成的夹角，v_i,cha为车辆i通过通道cha时的行驶速度，v_turn为车辆i通过转向通道时的行驶速度，v_straight为车辆i通过直行通道时的行驶速度，其中，I≠O，车辆i在任意进口方向的任意通过目标；

车辆i在任意进口方向的任意通过目标，由表2所示(注:本发明不考虑掉头情况)。

表2 车辆i在任意进口方向的任意通过目标

以上，可获得车辆

通过交叉口的预分配通道。

步骤C.通过如下第一判断模块判断各个车辆的预分配通道之间是否存在空间冲突；若是，则进入步骤D，若否，则进入步骤I；

根据车辆i的预分配通道A_Im-B_On，可得车辆i进入交叉口时的起始坐标

和离开交叉口时的结束坐标

由此可得车辆i在交叉口内通道轨迹为：

此时，便有全部发送通过请求车辆的预分配通道轨迹集合Y，为了确定各预分配通道之间是否存在冲突点，需遍历求解各通道轨迹线之间是否存在公共解，具体求解公式如下：

然后根据各轨迹线公共解情况确定预分配通道之间是否存在空间冲突，空间冲突判别结构为：

其中当x＝±M,y＝±M时又可分为以下情况具体讨论，即合流冲突点可具体表示为：

根据所得冲突点，判断冲突点所辐射的空间冲突区域。

其中交叉冲突空间区域确定为：

对于合流冲突区域取两车道宽度为冲突区域的长度，则合流冲突空间区域确定为：

其中，INT()为取整函数，为小于()的最大整数。

步骤D.按照如下第二判断模块判断存在空间冲突的各个车辆的预分配通道之间是否存在时间冲突；若是，则规定车辆为冲突车辆，然后进入步骤E，若否，则进入步骤I；

对于交叉冲突区域而言，车辆

从进口边界与交叉冲突空间区域开始的距离为：

对于合流冲突区域而言，车辆

从进口边界与合流冲突空间区域开始的距离可以从4个出口方向分别展开。

对于出口B₁，其空间冲突区域限定范围为：

出口B₁直行、左转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

出口B₁右转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

对于出口B₂，其空间冲突区域限定范围为：

出口B₂直行、左转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

出口B₂右转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

对于出口B₃，其空间冲突区域限定范围为：

出口B₃直行、左转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

出口B₃右转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

对于出口B₄，其空间冲突区域限定范围为：

出口B₄直行、左转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

出口B₄右转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

根据以上冲突距离计算结果，进一步得出车辆到达冲突区域开始的时刻为：

在此进行第二判断模块的时间冲突判断：

若

则表明空间冲突区域内无时间冲突。

若

则表明空间冲突区域内存在时空冲突。

步骤E.分别获得冲突车辆采用的更换车辆出口道的方案和改变车辆通过顺序的方案；

经过第一判断模块和第二判断模块所得车辆之间存在时空冲突之后，确定车辆在通道内存在时空冲突，进而对车辆冲突进行解脱调整，本发明提出两种可选择的冲突解脱调整方法，第一种方法为更换车辆出口道选择，第二种方法为调整车辆通过顺序，同时在这两种冲突解脱调整方法的基础上提出第三判断模块和第四判断模块，其中第三判断模块为更换出口道选择是否可行判断，第四判断模块为车辆车道转换与调整车辆通过顺序后的通过时长判断。

第一种车辆冲突解脱调整方法,更换车辆出口道选择。

车辆i(i⁺)出口道由B_On尝试更换为B_On′，出口道坐标即转换为

其中n≠n′。车辆更换出口道选择后，车辆i(i⁺)在交叉口内通道轨迹转变为：

第二种车辆冲突解脱调整方法,调整车辆通过顺序。

根据step1中T时间段内各进口车道统计流量Q，确定车辆i(i⁺)所在进口车道的单位时间流量，则

代表车辆i(i⁺)所在进口车道的流量数，比较其大小，规定所在车道流量较大的车辆优先通过，若车辆所在各自车道流量数相等，则比较车辆i(i⁺)预计正常情况下越过进口道边界时刻

的大小，则规定时刻小者(先到达边界位置的车辆)优先通过，如果车辆i(i⁺)预计正常情况下越过进口道边界时刻

也相等则规定车辆i(i⁺)所在进口方向编号I较小者优先通过。最后，若车辆所在进口方向也一致，那么比较车辆所在进口车道的位置，规定位置靠右的车辆优先通过。

步骤F.通过第三判断模块判断车辆更换出口道方案是否可行，若是，则进入步骤G，若否，则进入步骤H；

以上y″_i、

y_i之间只要存在公共解便不可进行车道转换，车辆i(i⁺)出口道坐标转换约束要求即为

若y″_i、

y_i之间不存在公共解便可进行车道转换。

若第三判断模块结果为否，则相应输出更换出口道选择不可行；若第三判断结果为是，则相应输出更换车道后的通道方案。

步骤G.通过第四判断模块比较判断车辆采用更换出口道方案的通过时长和采用改变车辆通过顺序的方案所需要的通过时长的大小，确定采用通过时长较小的方案作为目标冲突车辆通过方案来实现对冲突车辆的引导，并发送相应的车辆通过指令给冲突车辆；

车辆车道转换与调整车辆通过顺序后的通过时长判断。第四判断模块是在第三判断模块判断结果为是的前提下进行的，在此首先计算车辆在两种冲突解脱调整方案中调整车辆通过时间，然后比较两种方法所需时间大小，最终确定采用调整车辆通过时间较小的方法实现车辆冲突解脱。

更换车辆出口道选择，调整车辆通过时间计算方法：

其中，

为车辆i(i⁺)车道更换后的通道通过时间。

调整车辆通过顺序，调整车辆通过时间计算方法：

优先通过的车辆i(i⁺)按原预估到达时间正常越过进口道边界，并以

正常通过交叉口，然后通过的车辆i⁺(i)首先计算其需要晚到达进口道边界位置时间长度：

其中，d_safe为交叉口内车辆之间需保持的最小安全距离。

此时对车辆通过顺序调整后的通过时长进行计算：

若第三判断模块结果为否，则第四判断模块将被忽略，并且确定采用调整车辆通过顺序的方法实现车辆冲突解脱。若第三判断模块的结果为是，则继续进行第四判断模块，并且确定采用调整车辆通过时间较小的方法实现车辆冲突解脱。

步骤H.采用改变车辆通过顺序的方案来实现对冲突车辆的引导，发送车辆通过指令给存在冲突的车辆，通过的车辆i⁺(i)到达交叉口边界位置的时刻，需满足约束：

由于本发明主要考虑交叉口内自动驾驶车辆冲突解脱方法，因此不对

展开细致讨论。

图1示出了本发明实施例所提供的一种自动驾驶环境下交叉口车辆通过引导方法流程图。

具体地，本发明实施例选取双向6车道正十字交叉口为研究对象，本实施例中的车道宽度l_width均为3.5米，本实施例中的l_send为100米，即为车辆距离交叉口边界为100米时便向控制中心发送通过请求，令v₀＝40Km/h,v_i,cha＝10Km/h,v_straight＝20Km/h，d_safe＝7米。在自动驾驶环境下自动驾驶车辆之间、自动驾驶车辆与控制中心之间具有高效、准确的信息传递。

图3示出了双向6车道十字交叉口模型化处理结果，则进出口车道编号M＝N＝3。

如图3所示生成4辆自动驾驶车辆在一定时间段内通过该自动控制交叉口，分别标号为车辆1，车辆2，车辆3和车辆4，根据车辆所在进口信息利用公式(1)实现车辆进入交叉口的边界坐标转变，则有车辆1(2,-3)，车辆2(3,2)，车辆3(-2,3)，车辆4(-3,-2)。控制中心收到的车辆通过目标分别为车辆1直行，车辆2直行，车辆3右转，车辆4右转，那么根据车辆通过目标利用公式(2)(3)对车辆进行通道预分配，根据通道预分配结果结合图3可得常见交叉冲突和合流冲突形式。

为了简明扼要表达本实施例，接下来利用车辆1与车辆2之间的交叉冲突进行冲突解脱过程解析，则控制中心接收车辆1和车辆2的直行通过请求，预估得到车辆1和车辆2正常情况下越过交叉口边界的时间分别为t_1,I和t_2,I(设定t_1,I＝9秒，t_2,I＝10.85秒)，利用公式(2)(3)对车辆1和车辆2进行通道预分配，则分配结果为车辆1为通道(2,-3)-(2,3)，车辆2为通道(3,2)-(-3,2)。

进入第一判断模块。

利用公式(4)分别确定车辆1和车辆2在交叉口内通道轨迹为：x₁＝2,(y₁∈[-3,3])，y₂＝2,(x₂∈[-3,3])。根据公式(5)确定车辆1和车辆2存在冲突点(2,2),根据冲突点坐标及公式(7)确定车辆1和车辆2确定其冲突区域为

根据公式(9)确定车辆1和车辆2从进口边界与交叉冲突空间区域开始的距离为

则第一判断模块结果为车辆1和车辆2之间存在空间冲突。

进入第二判断模块。

根据公式(22)可得车辆1和车辆2的分别到达冲突区域起点的时间为

根据公式(23)(24)确定车辆1和车辆2之间存在时间冲突。

则第二判断模块结果为车辆1和车辆2之间存在时间冲突。从而确定车辆1和车辆2在通道内存在时空冲突。

进入第三判断模块。

根据公式(25)(26)(27)确定车辆1和车辆2之间利用更换出口道选择实现车辆冲突解脱是不可行的。

由于第三判断模块结果为否，则直接忽略第四判断模块，确定采用调整车辆通过顺序的方法实现车辆冲突解脱。

由于本发明实施例仅利用车辆1和车辆2两车辆进行实施说明，使得车辆1和车辆2所在进口道流量相等，则确定通过顺序的规则为车辆1预计正常情况下越过进口道边界时刻t_1,I＝9秒小于车辆2预计正常情况下越过进口道边界时刻t_2,I＝11.5秒，根据车辆通过顺序调整规则确定车辆1优先通过，车辆2然后通过。

根据公式(29)计算出车辆2需晚到达进口道边界位置的时间长度为t_2,extend＝1.3秒，并确定车辆2到达进口道边界位置的时间为t′_2,I≥12.15秒。

最后控制中心返回车辆1和车辆2通过指令。

车辆1按原计划优先通过交叉口出口道信息为B₃₂,到达进口道边界位置的时间为t_1,I＝9秒。

车辆2为然后通过的车辆，出口道信息为B₄₂，需要对到达进口道边界位置的时间进行推迟，且到达时间需满足t′_2,I≥12.15秒。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (9)

1.一种自动驾驶环境下交叉口车辆通过引导方法，其特征在于，基于在预设检测周期内统计的各个车辆通过目标交叉口的请求，通过以下步骤A至步骤I获得对应于各个车辆通过目标交叉口的通过方案：

步骤A.根据目标十字交叉口的车道和边界，确定目标交叉口的模型，针对各个车辆发送的通过请求，按照预设的时间计算规则计算各个车辆到达交叉口边界的时间，然后进入步骤B；

步骤B.结合步骤A中各个车辆到达交叉口边界的时间，按照预设的分配出口道的方法，针对每一个发送通过请求的车辆预先分配出口道，获得各个车辆的预分配通道，然后进入步骤C；

步骤C.判断各个车辆的预分配通道之间是否存在空间冲突；若是，则进入步骤D，若否，则进入步骤I；

步骤D.判断存在空间冲突的各个车辆的预分配通道之间是否存在时间冲突；若是，则规定车辆为冲突车辆，然后进入步骤E，若否，则进入步骤I；

步骤E.分别获得冲突车辆采用的更换车辆出口道的方案和改变车辆通过顺序的方案；

步骤F.判断车辆更换出口道方案是否可行，若是，则进入步骤G，若否，则进入步骤H；步骤G.比较判断车辆采用更换出口道方案的通过时长和采用改变车辆通过顺序的方案所需要的通过时长的大小，确定采用通过时长较小的方案作为目标冲突车辆通过方案来实现对冲突车辆的引导，并发送相应的车辆通过指令给冲突车辆；

步骤H.采用改变车辆通过顺序的方案来实现对冲突车辆的引导，发送车辆通过指令给存在冲突的车辆；

步骤I.发送包含车辆到达交叉口边界的时间、车辆出口车道的通过指令给各个车辆。

2.根据权利要求1所述一种自动驾驶环境下交叉口车辆通过引导方法，其特征在于，所述在预设检测周期内统计的车辆通过交叉口的请求由以下方法获得：

在距离交叉口边界长度为l_send时，统计在一个检测周期T内的各个车辆i发出的通过交叉口的请求，其中，

该请求包括各个车辆i经过交叉口边界距离为l_send时的行车速度v_i,0和经过交叉口的行驶方向，其中，行驶方向包括直行、左转、右转，并对检测周期T内各进口车道流量Q进行统计。

3.根据权利要求2所述一种自动驾驶环境下交叉口车辆通过引导方法，其特征在于，步骤A各个车辆i基于匀速到达交叉口边界的时间t_i,I，由如下预设的时间计算规则来获取：

其中，v_1,0为第一辆车辆到达距离进口边界长度为l_send位置时的速度，t_i-1,i为第i-1辆车辆与第i辆车辆的发送通过请求的时间间隔，即第i-1辆车辆与第i辆车辆到达距离进口边界长度为l_send位置时的时间间隔。

4.根据权利要求3所述一种自动驾驶环境下交叉口车辆通过引导方法，其特征在于，步骤B中所述的预设的分配出口道的方法，由如下步骤组成：

首先对交叉口进行平面坐标划分，定义车道进口方向为A，按照单一方向旋转，将车道进口依次编号A₁、A₂、A₃、A₄，定义车道出口方向为B，与进口车道相应的按照单一方向旋转，将车道出口依次编号B₁，B₂，B₃，B₄，以道路中线起由左向右依次对进口车道编号为1,2,…M，以道路中线起由右向左依次对出口车道进行编号为1,2,…M，M为每个进出道口的车道数；

针对每一个车辆，并且将所有车辆在交叉口内从进口车道至出口车道之间的运动轨迹所占车道范围称为通道cha，以此通道为基础，以车辆通过交叉口的时间、效率和距离为目标，建立如下的目标函数：

其中，

为车辆i在出口方向选择某车道时的通道长度通过阻力；

为车辆i在出口方向选择某车道时的通道时间通过阻力；

为车辆i在出口方向选择某车道时的转向角度通过阻力；

约束条件为：

其中，I为入口方向的编号，m为入口车道编号，1≤m≤M，O为出口方向的编号，n为出口车道编号，1≤n≤N，Im-On为表示入口方向为I，入口车道为m，出口方向为O，出口车道为n的通道，l_i,(Im-On)为车辆i的通道为Im-On的通道长度，t_i,(Im-On)为车辆i在通道为Im-On时的通道通过时间，θ_i,(Im-On)为车辆i在通道为Im-On时的转向角度，l_i,cha为车辆i在出口方向所有可选择车道的通道长度，t_i,cha为车辆i在出口方向所有可选择车道的通道通过时间，θ_i,cha为车辆i所在进口车道与出口方向所有可选择车道的连线与车辆i所在进口车道直线形成的夹角，v_i,cha为车辆i通过通道cha时的行驶速度，v_turn为车辆i通过转向通道时的行驶速度，v_straight为车辆i通过直行通道时的行驶速度，其中，I≠O，车辆i在任意进口方向的任意通过目标；

通过以上步骤，基于目标函数和相应的约束条件，可获得各个车辆i通过交叉口的预分配通道A_Im-B_On，即实现出口车道进行预先分配。

5.根据权利要求4所述一种自动驾驶环境下交叉口车辆通过引导方法，其特征在于，步骤C通过如下步骤C1至步骤C2来判断各个车辆的预分配通道之间是否存在空间冲突：

步骤C1.根据各个车辆i的预分配通道A_Im-B_On，获得所有车辆i的预分配通道轨迹集合Y；根据车辆i进入交叉口时的起始坐标

和离开交叉口时的结束坐标

由此可得车辆i在交叉口内通道轨迹为：

步骤C2.通过以下步骤遍历求解各个车辆的各个通道轨迹线之间是否存在公共解来判断各个车辆之间是否存在空间冲突，以及获得存在空间冲突之后的冲突空间区域；

如果存在空间冲突，则冲突点坐标点

需要满足如下条件：

结合步骤C1中的公式得到各个车辆的各个通道轨迹线之间是否存在公共解的情况如下所示：

若为合流冲突点，即当x＝±M,y＝±M时，合流冲突点可具体表示为：

对于合流冲突区域取两车道宽度为冲突区域的长度，则合流冲突空间区域可表示为：

其中，INT()为小于()的最大整数，

为合流冲突区域的点的坐标，

为实际的冲突点的坐标；

交叉冲突点的交叉冲突空间区域可表示为：

其中，

为交叉冲突空间区域的点的坐标，

为实际的冲突点的坐标。

6.根据权利要求5所述一种自动驾驶环境下交叉口车辆通过引导方法，其特征在于，根据空间冲突的类型，分别按照如下方法判定对应的空间冲突是否存在时间冲突；

对于交叉冲突区域而言，车辆i或车辆i⁺从交叉口边界与交叉冲突空间区域开始的距离为：

其中，

为入口车道为m的冲突点坐标，l_width为车道的宽度；

对于合流冲突区域而言，车辆i和车辆i⁺从交叉口边界与合流冲突空间区域开始的距离分别从4个出口方向分别计算；

对于出口B₁，其空间冲突区域限定范围为：

出口B₁直行、左转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

出口B₁右转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

对于出口B₂，其空间冲突区域限定范围为：

出口B₂直行、左转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

出口B₂右转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

对于出口B₃，其空间冲突区域限定范围为：

出口B₃直行、左转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

出口B₃右转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

对于出口B₃，其空间冲突区域限定范围为：

出口B₄直行、左转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

出口B₄右转车辆自进口边界与冲突区域开始的距离为：

根据以上冲突距离计算结果，进一步得出车辆到达冲突区域开始的时刻为：

在此进行步骤D中的时间冲突判断：

若满足以下公式：

则表明空间冲突区域内无时间冲突；

若满足以下公式：

则表明空间冲突区域内存在时空冲突。

7.根据权利要求6所述一种自动驾驶环境下交叉口车辆通过引导方法，其特征在于，步骤E中所述的更换出口道选择的方案，将车辆i和车辆i⁺出口道由B_On更换为B_On′，则出口道坐标即转换为

其中n≠n′，车辆更换出口道选择后，车辆i在交叉口内通道轨迹转变为：

其中，x″_i，y″_i表示车辆i在出口通道转换为B_On′后的通道轨迹坐标；

车辆i⁺在交叉口内通道轨迹转变为：

其中，

表示车辆i⁺在出口通道转换为B_On′后的通道轨迹坐标；

步骤E中所述的改变车辆通过顺序的方案，具体通过以下方式实现：

根据步骤A中检测周期T内各进口车道统计流量Q，计算车辆i和车辆i⁺所在进口车道的单位时间流量，Q_i-I和

分别代表车辆i和车辆i⁺所在进口车道的流量数，比较其大小，所在车道流量较大的车辆优先通过，若

则比较车辆i和车辆i⁺到达交叉口边界时刻t_i,I和

的大小，则确定时刻小者，即先到达交叉口边界时刻的车辆优先通过，如果到达交叉口边界时刻t_i,I和

也相等，则让车辆i或车辆i⁺所在进口方向编号I较小者优先通过，最后，若车辆所在进口方向也一致，那么比较车辆所在进口车道的位置，选择位置靠右的车辆优先通过。

8.根据权利要求7所述一种自动驾驶环境下交叉口车辆通过引导方法，其特征在于，步骤F根据以下方案判断更换出口道选择的冲突解脱方案是否可行：

根据车辆i和车辆i⁺出口道转换为B_On′后的车辆轨迹和车辆i的原轨迹，结合如下车辆i和车辆i⁺出口道坐标转换约束的公式，判断y″_i、

y_i之间是否存在公共解，若y″_i、

y_i之间存在公共解，则不可以通过更换出口道选择的方案进行车辆冲突解脱，若y″_i、

y_i之间不存在公共解，则可以通过更换出口道选择的方案进行车辆冲突解脱；

其中

为车辆i和车辆i⁺出口道转换为B_On′后轨迹线重合的点的坐标。

9.根据权利要求8所述一种自动驾驶环境下交叉口车辆通过引导方法，其特征在于，预设的第四判断模块为按照如下方式分别计算采用更换出口道方案的通过时长和改变车辆通过顺序的方案所需要的通过时长的大小；

采用更换出口道方案的通过时长通过如下公式获取：

其中，

分别为车辆i和车辆i⁺更换出口车道为B_On′后的通道通过时间；

改变车辆通过顺序的方案所需要的通过时长通过以下方式获取：

设定调整顺序后的车辆i为优先通过的车辆，车辆i⁺为后通过的车辆，分别以速度v_i,cha和速度

通过交叉口，则车辆i⁺与车辆i到达交叉口边界的时间差通过如下公式获取：

其中，

为车辆i⁺与车辆i到达交叉口边界的时间差，d_safe为交叉口内车辆之间的最小安全距离，

为预估的车辆i到达交叉口边界的时刻，

为预估的车辆i⁺到达交叉口边界的时刻；

按照如下规则计算调整车辆通过顺序后的通过时长：

Images