CN114613142B - 一种基于规则的自动驾驶交叉口车辆换道控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于规则的自动驾驶交叉口车辆换道控制方法，属于智能交通控制领域。首先建立直角坐标系，确定车辆的状态，输入目标车道，确定同一车道上车辆最小跟车距离和相邻车道换道的最小安全间隔、车辆行驶速度和加速度的边界。确定迭代步长，在迭代步长中，根据车辆与停车线距离排序，按排序依次进行判断，是否需要换道，并建立评估模型，根据换道车辆的车速、位置，相邻车道前后车的间距等，评估换道间隙的有效性，具有换道条件则按固定加减速完成换道，否则在当前车道继续行驶，每步迭代结束后，记录每辆车的速度、位置等信息，继续下次迭代。基于规则的换道控制模型能实现车辆在进口道从当前车道换道最佳进口车道的控制。

Description

一种基于规则的自动驾驶交叉口车辆换道控制方法

技术领域

本发明属于智能交通控制领域，涉及交叉口进口车道自动驾驶车辆协作换道技术领域，更具体地说，涉及一种基于规则的自动驾驶交叉口车辆换道控制方法。

背景技术

我国城市交通发展正处于传统交通向智能交通、追求速度规模向注重质量效益转型的关键期，《交通强国建设纲要》中明确指出大力发展智慧交通。在车辆智能化与网联化的趋势下，积极响应国家战略要求，深入探索面向智能网联、自动驾驶环境的新型交通控制技术，有利于提升城市交通智能管控水平，为我国智能交通城市建设提供技术支撑。

感知、规划和控制是自主驾驶的三大关键技术。其中，轨迹规划需要考虑车辆间的协作，最为复杂，轨迹规划一般可分为全局规划和局部决策两类。在局部决策中，换道规划非常重要，最原始的换道决策模型Gipps模型由美国学者Gipps在上世纪60年代提出的，现有的规划方法可分为三类，即人工势场、最优控制算法和栅栏法。

人工势场算法是一种模拟物理力场的算法，它是将道路周围环境抽象成一种引力场，目标点产生“引力”，障碍物产生“斥力”，通过合力来控制移车辆运动。为了有效地寻找最优或次优轨迹，最优控制算法广泛用于轨迹规划。通常利用多项式曲线生成决策轨迹集合，然后通过模型选取最优轨迹；栅栏法是将周围环境划分若干小区域，确定障碍物所在区域位置，采用路径搜索算法寻找轨迹规划方案。此外，在换道决策方法有：元胞自动机模型、博弈论、贝叶斯模型、隐马尔可夫模型、决策树模型、支持向量机换道决策模型等。

有研究学者将换道分为自由换道、强制、协同换道三种，其中自主性换道主要是追求更高的行驶速度，而强制性换道行为是按照目标路线进行变道行驶。现有换道的研究多数针对强制换道问题，如交叉口和高速公路匝道的换道。

现有换道决策方法存在一定的局限性，例如人工势场法仅利用局部信息，可能会使得解陷入局部极值点，但是当障碍物密集、周围行车环境复杂时，基于栅栏法的最短路搜索效率较低，短时间内难以搜索出最优路径等，决策方法较为复杂，很难满足实时决策的需求，基于此，本发明提出一种基于规则的自动驾驶交叉口车辆换道控制方法，通过考虑同一车道前后车跟车安全距离和相邻车道的可换道间隙，迭代计算车辆的换道方案。该方法具有控制逻辑清晰、易于编程、实现能满足实时性要求等特点，本发明针对自动驾驶交叉口进口道换道控制，属于协同换道类型，能够与自动驾驶车辆最佳进出口道优化模型协调控制，自动驾驶车辆最佳进出口道优化模型参见专利《一种最佳进口车道选择的自动驾驶交叉***通控制方法》(专利号：ZL 2020 1 1218959.4)。

发明内容

技术问题：针对现有换道决策方法较为复杂、在实际控制中较难实现，且在复杂环境下不能满足实时性要求以及容易陷入局部极值的不足，本发明的目的是提供一种基于规则的自动驾驶交叉口车辆换道控制方法，在交叉口进口道考虑自动驾驶车辆协同换道，能配合已有自动驾驶车辆最佳进出口道优化模型同时优化交叉口区域车辆行驶轨迹。降低车辆在交叉口进口道换道的相互干扰，提高交叉口区域整体的通行能力，降低通行延误。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于规则的自动驾驶交叉口车辆换道控制方法，包括如下步骤：

步骤1：参数定义和控制模型数据输入；首先将交叉口各进口方向距停车线L米的进口车道区域设置为换道和速度控制区域，L表示换道和速度控制区域的长度，交叉口东、西、南、北四个进口方向分别由字母E、W、S、N表示，O表示方向的集合，O＝{E,W,S,N}；对各方向进口车道编号，用L_o,j表示o方向车道j，o∈O，在每个进口方向的换道和速度控制区建立直角坐标系，通过坐标确定车辆的位置，

表示车辆i在第k步迭代结束的坐标；车辆进入交叉口的目标车速用V表示，可换道间隙用D表示，d表示同一车道上相邻车辆的最小安全间隔，距离的单位是米，m，速度的单位是米每秒，m/s，加速度的单位是米每平方秒，m/s²。

步骤2：确定每迭代步中同方向车辆移动次序；当前一步所有车辆换道结束后，根据车辆位置横坐标大小确定下一步计算的先后顺序，按顺序依次计算，在计算当前车辆时，顺序在前的车辆已经行驶了当前步长的距离，顺序在后的车辆在当前步还未移动。

步骤3：在每步中判断车辆是否需要换道，并制定换道规则；当车辆需要换道时，建立判断方法，判断相邻车道是否存在可换道间隙，不存在可换道间隙时，车辆继续向前行驶；存在可换道间隙时，换道车辆按速度限制调整速度，向可换道间隙靠拢，在速度调整时满足同一车道上相邻车辆的最小安全间隔d的约束、与目标车道前后车最小安全间隔的约束。

步骤3，包括如下步骤：

步骤31：车辆i进入控制区域前所在车道j用

表示，目标车道用L_o,i,J表示，车辆在第k步所在车道用

表示，判断

与L_o,i,J的大小确定车辆换道需要经过的所有车道集合，当j<J时，车辆i经过的车道集合为

当j>J时，车辆i经过的车道集合为

当j＝J时，车辆i经过的车道集合

在任一迭代步长中，车辆只允许占用一条车道，因此满足公式(1)约束：

式中：

为0-1变量，表示o方向上车辆i在第k步是否在车道j上，

表示在车道j上时，否则

Γ_o,i表示o方向上车辆i经过的车道集合；Ω_o表示o方向所有进口车道上在换道和速度控制区域的车辆集合，i表示车辆i，i∈Ω_o；K表示车辆最大的迭代次数；

车辆每步只能换道一次，且只能换道相邻车道，因此满足公式(2)约束：

公式(2)表示o方向车辆i在一次迭代中最多换道一次，且只能换道到相邻车道，即车道编号的差值的绝对值小于2，|j-j′|<2；当o方向车辆i在k步时在车道j上、即

且|j-j′|≥2时，在k+1步不能换道到车道j′，

即

由于不能保证车辆一定是在k+1步换道，

的为决策变量，但必须保证如果|j-j′|≥2，车辆不能在k+1步换道到车道j′；

步骤32：计算第k+1步迭代车辆的行驶速度；由于迭代步长设置较短，车辆在每迭代步长的时间内纵向速度视为匀速，纵向速度V_y满足公式(3)约束：

V_y＝d_l/(N*t₀) (3)

式中：V_y表示车辆换道时的纵向速度，N*表示正整数；

在车辆进入控制区域前采集车辆的初始速度，o进口方向车辆i进入控制区的速度用

表示；任一步长横向速度满足公式(4)约束：

其中v_min表示横向速度下限、v_max表示横向速度上限、

表示车辆i在第k步的横向速度；

确定车辆横向行驶的加减速参数取值，用a_u和a_d分别表示横向加速度和横向减速度；当车辆在第k+1步匀加速、减速和匀速行驶时，第k+1步结束后的横向速度分别由公式(5)-(7)计算：

若o方向车辆i在第k+1步换道到车道j′，即

且

则o方向上车辆i在车道j′的横向速度满足公式(8)约束：

公式(8)仅保证当

且

时，

成立，其他任何情况下，

与

没有联系；

步骤33：计算第k+1步迭代车辆的位移；第k+1次迭代的纵向位移

由公式(9)计算：

当车辆在第k+1步匀加速、减速和匀速行驶时，第k+1次迭代的横向位移

分别由公式(10)-(12)计算：

步骤34：若o方向车辆i在第k+1步换道到车道j′，即

且

则o方向上车辆i在车道j′的横距离满足公式(13)约束：

式中：M为很大的正数；

公式(13)仅保证当

且

时，

成立，其他任何情况下，

与

没有关系。

换道前，需要换道间隙满足约束：

公式(14)中D表示可换道间隙；M₁、M₂都是很大的正数；

公式(14)成立的条件是：o方向k步的车辆i-1和第k+1步的车辆i+1都在车道j′上，即

且车辆i在k+1步换道到车道j′，即

且

换道后，所在车道满足安全间隔约束，o方向车辆i在第k+1步在车道j′，与车道j′的前车i+1、后车i-1的距离满足公式约束：

由于在计算当前车辆时，顺序在前的车辆已经行驶了当前步长的距离，顺序在后的车辆在当前步还未移动，因此，车辆i和车辆i+1在第k+1步，但车辆i-1为顺序在后的车辆，此时未移动，在第k步。

考虑到换道车辆换入目标车道的车速可能较大，目标车道上相邻前车车速较小，出现紧急刹车情况，考虑到换道的舒适性，速度和安全间隔满足约束条件：

d≥(v_max-v_min)·t₀ (17)

d表示同一车道上相邻车辆的最小安全间隔；公式(17)可保证后车以最大速度v_max、前车以最小速度v_min行驶t₀步长的时间不会追尾。

考虑到车辆尽可能早到交叉口，因此在加速、减速、匀速均满足跟车安全间隔约束的条件下，加速向前寻找可换道间隙的效益大于匀速大于减速，目标函数如下所示：

步骤4：车辆进入目标车道后调节行驶车速，以目标车速到达交叉口，当交通流很大，有车辆在换道与速度控制区域无法完成换道时，以当前车道行驶，行驶速度调整至目标车速，到达交叉口的车辆根据相互通信避免冲突、穿插通过交叉口。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点

本发明方法针对自动驾驶交叉口进口车道，考虑自动驾驶车辆换道的控制方法，克服现有方法控制逻辑复杂，不易编程实现和可能不满足时效性的不足。通过设置一种基于规则的换道控制方法，使车辆在交叉口进口车道协同换道至目标车道，同时能配合已有交叉口内部车辆轨迹优化方法使用(《一种最佳进口车道选择的自动驾驶交叉***通控制方法》专利号：ZL 2020 1 1218959.4)，通过对换道车辆的有效组织，减少换道产生的负面影响，如急刹车、强行并道对其他车辆的干扰等问题，提高交叉口区域的通行能力，降低通行延误。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明方法的研究对象示意图；

图3换道场景描述示意图。

图3表示换道和速度调整场景示意图，车辆1在西方向进口车道2，目标车道为进口车道3，相邻车道3可换道间隙D≥10m，车辆1可以调整速度向相邻车道换道，虚线车辆1表示换道后的车辆。

具体实施方式

结合附图和实施例，对本发明技术方案详细说明如下：

设置迭代步长t₀＝0.5s，换道和速度控制区域的长度L＝150m，对交叉口各进口道进行编号，并建立直角坐标系，车道宽度d_l＝3.5m，同一车道上相邻车辆的最小安全空间间隔d＝3m，可换道间隙D＝10m，换道结束后调整速度到达交叉口，期望速度V＝10m/s。

实施例1

以长沙某双向四车道十字交叉口西进口方向24辆车观测数据为例，计算得平均车头时距为5s，其中需要换道的车辆18辆，占总车辆数的75％，根据车辆所在位置和速度计算车辆进入控制区域的时间，车辆基本信息如表1所示：

表1 24辆车基础信息表

根据步骤3迭代计算，结果表明，所有车辆均能在速度和换道控制区完成换道，换道完成率100％，换道过程中不存在紧急刹车情况。所有车辆每步所在位置的横纵坐标如附表2所示。

表2高流量下西进口方向车辆迭代计算中位置调整汇总表

实施例2

通过降低平均车头时距增加车辆密度对控制模型进一步验证，泊松分布随机生成车辆，随机生成的24辆车中，18辆车需要换道，平均车头时距设置为2.5s，同时随机生成车辆进入速度和换道控制区的初始速度，初始速度的取值范围为20km/h～60km/h。平均车头时距为2.5s时车辆的基本信息如附表3所示。仍以0.5s为步长计算，计算结果如表4所示。表4中，x、y、x-s、y-s分别代表车辆的x轴坐标、y轴坐标、x轴方向的速度、y轴方向的速度。表4中同时记录了每迭代步长的位置和速度。

表3平均车头时距2.5s的车辆基本信息表

表4实施例2中计算结果汇总表

Claims (1)

1.一种基于规则的自动驾驶交叉口车辆换道控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：参数定义和控制模型数据输入；首先将交叉口各进口方向距停车线L米的进口车道区域设置为换道和速度控制区域，L表示换道和速度控制区域的长度，交叉口东、西、南、北四个进口方向分别由字母E、W、S、N表示，O表示方向的集合，O＝{E,W,S,N}；对各方向进口车道编号，用L_o,j表示o方向车道j，o∈O，在每个进口方向的换道和速度控制区建立直角坐标系，通过坐标确定车辆的位置，

表示车辆i在第k步迭代结束的坐标；车辆进入交叉口的目标车速用V表示，可换道间隙用D表示，d表示同一车道上相邻车辆的最小安全间隔，距离的单位是米，m，速度的单位是米每秒，m/s，加速度的单位是米每平方秒，m/s²；

步骤2：确定每迭代步中同方向车辆移动次序；当前一步所有车辆换道结束后，根据车辆位置横坐标大小确定下一步计算的先后顺序，按顺序依次计算，在计算当前车辆时，顺序在前的车辆已经行驶了当前步长的距离，顺序在后的车辆在当前步还未移动；

步骤3：在每步中判断车辆是否需要换道，并制定换道规则；当车辆需要换道时，建立判断方法，判断相邻车道是否存在可换道间隙，不存在可换道间隙时，车辆继续向前行驶；存在可换道间隙时，换道车辆按速度限制调整速度，向可换道间隙靠拢，在速度调整时满足同一车道上相邻车辆的最小安全间隔d的约束、与目标车道前后车最小安全间隔的约束；

所述步骤3，包括如下步骤：

步骤31：车辆i进入控制区域前所在车道j用

表示，目标车道用L_o,i,J表示，车辆在第k步所在车道用

表示，判断

与L_o,i,J的大小确定车辆换道需要经过的所有车道集合，当j<J时，车辆i经过的车道集合为

当j>J时，车辆i经过的车道集合为

当j＝J时，车辆i经过的车道集合

在任一迭代步长中，车辆只允许占用一条车道，因此满足公式(1)约束：

式中：

为0-1变量，表示o方向上车辆i在第k步是否在车道j上，

表示在车道j上时，否则

Γ_o,i表示o方向上车辆i经过的车道集合；Ω_o表示o方向所有进口车道上在换道和速度控制区域的车辆集合，i表示车辆i，i∈Ω_o；K表示车辆最大的迭代次数；

车辆每步只能换道一次，且只能换道相邻车道，因此满足公式(2)约束：

公式(2)表示o方向车辆i在一次迭代中最多换道一次，且只能换道到相邻车道，即车道编号的差值的绝对值小于2，|j-j′|<2；当o方向车辆i在k步时在车道j上、即

且|j-j′|≥2时，在k+1步不能换道到车道j′，

即

由于不能保证车辆一定是在k+1步换道，

的为决策变量，但必须保证如果|j-j′|≥2，车辆不能在k+1步换道到车道j′；

步骤32：计算第k+1步迭代车辆的行驶速度；由于迭代步长设置较短，车辆在每迭代步长的时间内纵向速度视为匀速，纵向速度V_y满足公式(3)约束：

V_y＝d_l/(N^*t₀) (3)

式中：V_y表示车辆换道时的纵向速度，N^*表示正整数；

在车辆进入控制区域前采集车辆的初始速度，o进口方向车辆i进入控制区的速度用

表示；任一步长横向速度满足公式(4)约束：

其中v_min表示横向速度下限、v_max表示横向速度上限、

表示车辆i在第k步的横向速度；

确定车辆横向行驶的加减速参数取值，用a_u和a_d分别表示横向加速度和横向减速度；当车辆在第k+1步匀加速、减速和匀速行驶时，第k+1步结束后的横向速度分别由公式(5)-(7)计算：

若o方向车辆i在第k+1步换道到车道j′，即

且

则o方向上车辆i在车道j′的横向速度满足公式(8)约束：

公式(8)仅保证当

且

时，

成立，其他任何情况下，

与

没有联系；

步骤33：计算第k+1步迭代车辆的位移；第k+1次迭代的纵向位移

由公式(9)计算：

当车辆在第k+1步匀加速、减速和匀速行驶时，第k+1次迭代的横向位移

分别由公式(10)-(12)计算：

步骤34：若o方向车辆i在第k+1步换道到车道j′，即

且

则o方向上车辆i在车道j′的横距离满足公式(13)约束：

式中：M为很大的正数；

公式(13)仅保证当

且

时，

成立，其他任何情况下，

与

没有关系；

换道前，需要换道间隙满足约束：

公式(14)中D表示可换道间隙；M₁、M₂都是很大的正数；

公式(14)成立的条件是：o方向k步的车辆i-1和第k+1步的车辆i+1都在车道j′上，即

且车辆i在k+1步换道到车道j′，即

且

换道后，所在车道满足安全间隔约束，o方向车辆i在第k+1步在车道j′，与车道j′的前车i+1、后车i-1的距离满足公式约束：

由于在计算当前车辆时，顺序在前的车辆已经行驶了当前步长的距离，顺序在后的车辆在当前步还未移动，因此，车辆i和车辆i+1在第k+1步，但车辆i-1为顺序在后的车辆，此时未移动，在第k步；

考虑到换道车辆换入目标车道的车速可能较大，目标车道上相邻前车车速较小，出现紧急刹车情况，考虑到换道的舒适性，速度和安全间隔满足约束条件：

d≥(v_max-v_min)·t₀ (17)

d表示同一车道上相邻车辆的最小安全间隔；公式(17)可保证后车以最大速度v_max、前车以最小速度v_min行驶t₀步长的时间不会追尾；

考虑到车辆尽可能早到交叉口，因此在加速、减速、匀速均满足跟车安全间隔约束的条件下，加速向前寻找可换道间隙的效益大于匀速大于减速，目标函数如下所示：

步骤4：车辆进入目标车道后调节行驶车速，以目标车速V到达交叉口，当交通流很大，有车辆在换道与速度控制区域无法完成换道时，以当前车道行驶，行驶速度调整至目标车速，到达交叉口的车辆根据相互通信避免冲突、穿插通过交叉口。

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