一种隧道入口交通环境建模方法、车载设备及存储介质

1.本发明涉及交通环境对车辆行驶影响的建模方法，尤其涉及一种隧道入口交通环境建模方法。


背景技术：

2.自动驾驶及驾驶辅助技术已经成为汽车发展的热门方向，这些技术需要对环境进行感知与认知，对环境的建模就显得尤其的重要。
3.根据牛顿第一定律，力是改变物体运动状态的原因，而交通环境中的各参与者并没有直接接触，因此可以引入物理学中电场的概念将人
‑
车
‑
路
‑
环境对车辆的影响用人工势能场力来刻画。人工势能场理论可以有效刻画交通参与者对车辆行驶的影响，并且可以通过矢量叠加进行合成得到整个环境的综合影响，因此在交通环境建模方向得到了较多应用。
4.由于人工势能场理论可以准确地刻画交通环境对车辆行驶的影响，在交通领域应用广泛。但由于隧道内部禁止超车、限速等特殊交通规则，而尚未有人工势能场模型将隧道入口区域的特殊交通规则纳入其中；此外，隧道环境会对车辆行驶造成影响，现有研究建立的障碍物势场模型主要分为不会造成碰撞障碍物势场模型和会造成碰撞障碍物势场模型；可跨越障碍物势场模型、不可跨越障碍物势场模型，隧道这一特殊障碍物并不完全满足以上任何一种模型的全部特征，因此现有的传统势能场模型不能准确的表征隧道对车辆行驶的影响。


技术实现要素：

5.本发明的第一目的是提供一种基于人工势能场的隧道入口交通环境建模方法，以解决现有人工势场模型不能准确的表征隧道对车辆行驶的影响这一问题。
6.为达到上述目的，本发明是这样实现的：一种隧道入口交通环境建模方法，包括以下步骤：
7.s1：车辆通过车载传感器实时采集本车位置、本车速度、周围车辆位置、周围车辆速度的信息；
8.s2：建立车道线势场、车道边界势场、车辆势场和隧道势场，并通过叠加所述车道线势场、车道线边界势场、车辆势场和隧道势场得到隧道入口环境总势场；
9.s3：根据公式f＝e*m计算车道线势场力、车道边界势场力、车辆势场力及隧道势场力并构建各势场力模型，通过叠加所述车道线势场力、车道边界势场力、车辆势场力及隧道势场力可得到隧道入口交通环境的总势场力及总势场力模型；其中：f为势场力；e为势场；m为车辆的等效质量。
10.进一步的，在s3中，所述等效质量按照以下公式计算：其中：e为自然数，m为被控车质量；v
limit
为隧道内限速值；v
r
为被控车与环境障碍物的相对车速：v
r
＝v
被控车
‑
v
环境障碍物
。
11.进一步的，根据车辆离隧道入口距离、隧道限速、车辆运行速度等利用公式计算隧道势场；
12.利用公式可计算出隧道势场力。
13.其中k
tunnel
为隧道势场系数；v
limit
为隧道内限速值，v为车辆速度，σ
x
决定了车辆在隧道入口段进行减速操作的路程长短，根据运动学规律，它与进入隧道入口段的初始速度v0有关；b与车辆在隧道入口段的减速度最大时对应的纵向坐标有关。
14.进一步的，根据车辆位置、车辆速度，利用公式计算车道线势场，
15.利用公式可计算车道线势场力，
16.其中k
lane
是车道线势场系数，由于隧道内不准换道而隧道外允许换道的交通规则，故l1表示车道宽度；σ1表示车道线势场的收敛系数，与车道宽度成正相关；r
aj
表示车辆到车道线横向距离矢量。
17.进一步的，根据车辆位置、车辆速度，利用公式计算车道边界势场；
18.利用公式可计算车道边界势场力，
19.其中k
road
为道路势场系数；r
rj
表示车辆到道路边界横向距离矢量，l表示车道宽度。
20.进一步的，根据周围车辆位置、周围车辆速度、本车速度、本车位置等，为了避免旁边车道车辆换道进入本车道时与本车发生碰撞以及防止迎面驶来车辆与本车发生碰撞，令车辆周围一定空间范围内的势能场值为最大，车身部分即x∈(0，l)势场强度最大，其值为常数u
car
。
21.为了避免旁边车道车辆换道进入本车道时与本车发生碰撞以及防止迎面驶来车辆与本车发生碰撞，在车前一段即x∈(l，l+s)势能场值也应为最大值u
car
，由于本车速度越
快，与其他车间距应该越大，所以势能场峰值临界距离s为s＝δt
×
v
r
+s
min
，
22.其中δt是传感器等的延迟时间，v
r
是被控车与环境车的相对车速，l是车辆长度，s
min
是最小安全间距。
23.当x＜
‑
s时，若相对速度v
r
≤0，环境车与被控车保持安全距离并在相互远离，因此势场值为0；若相对速度v
r
＞0，势场值应该与离(
‑
s，0)距离越近上升速度越快，因此这部分纵向势场采用如下形式：
24.其中，a
car，long
是纵向势场系数，d
x
是前后车在纵向的距离，σ
carx
决定车辆势场在纵向上的影响范围。
25.因为环境车的纵向势场远大于横向势场，车辆在隧道入口区域行车所受的影响也主要来自于纵向，所以环境车势场可以以纵向势场为主体向横向延伸构成，本文采用高斯函数的形式来表示，车辆势场具体形式如下：
26.其中，σ
cary
为横向势场收敛系数，决定车辆势场在横向上的影响范围，；d
y
表示被控车与环境车的横向等效距离，当x＜
‑
s或x＞l+s时，d
y
为被控车离目标车辆中心线的距离，当
‑
s≤x≤l+s且不在矩形框内时，d
y
为被控车离矩形框最近边界的距离。继而利用公式计算被控车辆势场。
27.利用公式可计算被控车辆势场力。
28.其中k
car
是车辆势场系数；d
x
是前后车在纵向的距离；σ
carx
决定车辆势场在纵向上的影响范围；σ
cary
为横向势场收敛系数；决定车辆势场在横向上的影响范围；d
y
表示被控车与环境车的横向等效距离；v
n
和v
n
‑1表示本车和前车速度；p为0或1，当前后车间距小于某一临界值时p为1，当前后车间距大于某一临界值时p为0。
29.根据上面的车辆势场、隧道势场、车道线势场、车道边界势场模型，利用公式e＝e
tunnel
+p*e
car
+e
lane
+e
road
可计算出隧道入口环境总势场力来表征隧道入口环境对车辆行驶的影响。
30.本发明的第二目的在于提供一种车载设备，包括存储单元和计算单元，所述存储单元与所述计算机单元连接，所述存储单元用于存储计算机程序，所述计算机程序能够执行上述的建模方法。
31.本发明的第三目的还在于提供一种计算机存储介质，用于存储上述的计算机程序所述计算机可读存储介质包括随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电科擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘及cd
‑
rom。
32.有益效果：
33.通过将本发明的交通环境建模方法应用在隧道入口区域，利用人工势能场对该区域复杂的交通环境进行了归一化处理，将不同的交通环境进行了统一的量化，并且将隧道入口的特殊影响加入到环境建模中，准确表征了交通环境对车辆行驶的影响。
附图说明
34.图1为本发明提供的隧道入口交通环境建模方法流程示意图；
35.图2为将跟驰场景中的车辆视为点电荷的场景示意图；
36.图3(a)为本发明中提出的隧道势能场力空间分布图；
37.图3(b)为本发明中提出的车道线势能场力空间分布图；
38.图3(c)为本发明中提出的车道边界势能场力空间分布图；
39.图3(d)为本发明中提出的车辆势能场力空间分布图；
40.图4为一般隧道入口交通环境下的总势能场力分布图；
41.图5为车辆位于车道上的示意图。
具体实施方式
42.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。相反，本技术的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
43.实施例1，如图1
‑
5所示：人工势能场理论可以有效刻画交通参与者对车辆行驶的影响，并且可以通过矢量叠加进行合成得到整个环境的综合影响，因此本发明采用人工势能场理论建立隧道入口区域各个交通参与者的势场模型，最后进行合成得到车辆单车行驶模型。根据牛顿第一定律，力是改变物体运动状态的原因，而交通环境中的各参与者并没有直接接触，因此可以引入物理学中电场的概念将人
‑
车
‑
路
‑
环境对车辆的影响用人工势能场来刻画。
44.将场论的思想应用于交通领域中则是每一个交通参与者都会形成一个与其自身属性相关的势能场，同时它也会受到一定空间范围内其他所有交通参与者形成的势能场的场力。在一定空间范围内的其他所有交通参与者对本交通参与者作用场力的叠加是使其产生运动状态改变的主要原因，而利用这一合成得到的力可以得到本车的行驶状态变化规律。例如对交通领域中最常见的跟驰场景而言，如图2所示，后车在行驶的过程中会受到前车的影响而与前车保持安全距离行驶。当前后车间距在一定范围内时，当前车减速时后车会随之减速，这表明前车影响了后车的运动状态，人工势能场理论就是利用“场”来刻画这种影响。
45.车辆行驶时隧道入口交通参与者主要包括隧道、车道线、道路边界、车辆，因此总势场u由隧道势场、车道线势场、道路边界势场叠加组成。
46.参照电场中点电荷所受场力的公式f＝eq，e表示场强，q代表点电荷带电量，为电场环境下的属性，在交通环境中可以用车辆自身的属性等效质量m来代替，则f＝e*m。车辆自身的属性主要包含车身大小，质量，速度，由于车身大小与质量正相关，因此可以提出如下等效质量表达式
47.其中，m为被控车质量；v
limit
为隧道内限速值，将其放在分母主要是为了消除量纲；v
r
是被控车与环境障碍物的相对车速：v
r
＝v
被控车
‑
v
环境障碍物
。
48.根据传感器获得的交通环境信息并将交通参与者进行分为隧道、车道线、车道边界、车辆等种类，根据交通参与者的种类及状态信息为其建立势场力模型。具体步骤如下：
49.基于势场力模型及隧道势场模型，由于v
隧道口
＝0，因此v
r
＝v，
50.利用公式计算隧道势场；并计算出隧道势场力为隧道势场力空间分布如图3(a)所示。
51.其中k
tunnel
为隧道势场系数；v
limit
为隧道内限速值，v为车辆速度，σ
x
决定了车辆在隧道入口段进行减速操作的路程长短，根据运动学规律，它与进入隧道入口段的初始速度v0有关；b与车辆在隧道入口段的减速度最大时对应的纵向坐标有关。
52.基于势场力模型及车道线势场模型，对车道线而言v
车道线
为0，因此v
r
＝v，根据车辆位置、车辆速度，利用公式计算车道线势场；
53.利用公可计算出车道线势场力，车道线势场力空间分布如图3(b)所示。
54.其中k
lane
是车道线势场系数，由于隧道内不准换道而隧道外允许换道的交通规则，故l表示车道宽度；σ
l
表示车道线势场的收敛系数，与车道宽度成正相关；r
aj
表示车辆到车道线横向距离矢量。
55.基于势场力模型及车道边界势场模型，对车道边界有v
车道边界
为0，因此有v
r
＝v，根据车辆位置、车辆速度，利用公式计算车道边界势场；并利用公式可计算出车道边界势场力，车道边界势场力空间分布如图3(c)所示。
56.其中k
road
为道路势场系数；r
rj
表示车辆到道路边界横向距离矢量，l表示车道宽度。
57.根据周围车辆位置、周围车辆速度、本车速度、本车位置等，为了避免旁边车道车辆换道进入本车道时与本车发生碰撞以及防止迎面驶来车辆与本车发生碰撞，令车辆周围一定空间范围内的势能场值为最大，车身部分即x∈(0，l)势场强度最大，其值为常数u
car
。
58.为了避免旁边车道车辆换道进入本车道时与本车发生碰撞以及防止迎面驶来车
辆与本车发生碰撞，在车前一段即x∈(l，l+s)势能场值也应为最大值u
car
，由于本车速度越快，与其他车间距应该越大，所以势能场峰值临界距离s为s＝δt
×
v
r
+s
min
，其中δt是传感器等的延迟时间，v
r
是被控车与环境车的相对车速，l是车辆长度，s
min
是最小安全间距，现有文献中有取5米的，根据驾驶风格来定，激进型驾驶员则取小一点，保守型则取大一点。
59.当x＜
‑
s时，若相对速度v
r
≤0，环境车与被控车保持安全距离并在相互远离，因此势场值为0；若相对速度v
r
＞0，势场值应该与离(
‑
s，0)距离越近上升速度越快，因此这部分纵向势场采用如下形式：
60.其中，a
car，long
是纵向势场系数，d
x
是前后车在纵向的距离，σ
carx
决定车辆势场在纵向上的影响范围。
61.因为环境车的纵向势场远大于横向势场，车辆在隧道入口区域行车所受的影响也主要来自于纵向，所以环境车势场可以以纵向势场为主体向横向延伸构成，本实施例采用高斯函数的形式来表示，车辆势场具体形式如下：
62.其中，σ
cary
为横向势场收敛系数，决定车辆势场在横向上的影响范围，；d
y
表示被控车与环境车的横向等效距离，当x＜
‑
s或x＞l+s时，d
y
为被控车离目标车辆中心线的距离，当
‑
s≤x≤l+s且不在矩形框内时，d
y
为被控车离矩形框最近边界的距离。继而利用公式计算车辆势场。
63.并利用公式计算出车辆势场力。车辆势场力空间分布如图3(d)所示。
64.其中k
car
是车辆势场系数；d
x
是前后车在纵向的距离；σ
carx
决定车辆势场在纵向上的影响范围；σ
cary
为横向势场收敛系数；决定车辆势场在横向上的影响范围；d
v
表示被控车与环境车的横向等效距离；v
n
和v
n
‑1表示本车和前车速度；p为0或1，当前后车间距小于某一临界值时p为1，当前后车间距大于某一临界值时p为0。所述某一临界值可以设定为一常数值，如车辆势场降低到某个值以下时则可以忽略，此时的车间距就是这个临界值。
65.根据上面的车辆势场、隧道势场、车道线势场、车道边界势场模型，利用公式e＝e
tunnel
+p*e
car
+e
lane
+e
road
可计算出隧道入口环境总势场力来表征隧道入口环境对车辆行驶的影响。
66.最后根据隧道入口交通环境中的各个交通参与者的势场力模型可得出总势场力，一般场景的总势场力空间分布如图4所示。通过对交通环境的势场力分布进行建模可以表征隧道入口交通环境对车辆行驶的影响。
67.通过应用本实施例提供的隧道入口交通环境建模方法，对隧道入口区域复杂的交通环境进行了归一化处理，将不同交通参与者对车辆行驶的不同影响进行了统一的量化，并且将隧道限速等特殊影响加入到环境建模中，提高了模型在隧道入口区域的适应性和准确性。
68.本实施例还提供了一种车载设备，包括存储单元和计算单元，存储单元用于存储
计算机程序，存储单元与计算单元相连接。存储单元中的软件程序能够执行本发明提供的环境建模方法。计算单元用于执行上述计算机程序，该计算机程序被执行时，能够实现本发明提供的基于人工势能场理论的隧道入口环境建模方法。
69.本实施例还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行本发明中的隧道入口交通环境建模方法。
70.本发明的另一实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储着计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述隧道入口交通环境建模方法。
71.上述的计算机可读存储介质应该包括以下组成部分：随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd
‑
rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。例如u盘、移动硬盘等。
72.专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。