一种基于无线通信的非信控交叉路口车辆编队通行方法与流程

本发明涉及一种智能交通系统领域，特别是关于一种基于无线通信的非信控交叉路口车辆编队通行方法。

背景技术：

汽车技术的发明和发展在给人类带来便利的同时，也带来了一系列问题，而交通拥堵就是其中最主要的问题之一。统计显示，北京每个工作日因交通拥堵而带来的直接和间接的经济损失平均在千万元级别。因此，如何提升交叉路口通行效率，成为汽车和交通领域的研究重点。近年来，网联汽车(CV,Connected Vehicles)技术快速发展，可为解决上述问题提供新的思路，因而得到了汽车和交通领域的广泛关注。网联汽车通过车辆与车辆、车辆与路侧基础设施、车辆与互联网的通信，可以更广泛地获取周围环境信息，从而在感知、决策和控制层面实现车车、车路协同。在网联汽车技术的基础上，多个车辆以相对于自由驾驶条件下更短的车间距离进行编队行驶，形成车辆队列，不但可以降低风阻、减少油耗，更可以减小车流总体长度、降低通行时间、提升交通效率。

然而，尽管车辆编队行驶有助于缩短车流长度、降低通行时间，但是在交叉路口这种交通瓶颈处却大受制约。在有信号控制的交叉路口，车辆队列可能会被红灯所截断，无法保证整个队列连续通行；在无信号控制的交叉路口，不同方向的车辆队列会相互干涉，只能依据优先权依次通行。在这个过程中，低优先权的车辆队列有很大的概率要经历减速、停车、再启动的过程，因而车辆队列在提高通行效率方面的优势大打折扣。为此，如何在交叉路口进行车辆编队控制、避免上述局限，成为车辆编队实用化所面临的一大瓶颈。

关于非信控交叉路口的车辆编队通行方法的相关专利尚不存在。与之类似的已有的技术主要是针对非信控交叉路口的车辆冲突消解或车速引导而提出的相应解决方法。北京航空航天大学提出的消解无信号交叉口两车交通冲突的方法和西安电子科技大学提出的消解无信号交叉口两车交通冲突的方法均设计了两车的冲突辨识、分级与消解方法，其关注车辆安全性，较难应用于关注车辆通行效率的编队中。苏州大学张家港工业技术研究院提出的非信控交叉路口的冲突消解和车速引导方法，旨在对驾驶员进行速度引导，速度轨迹计算较为复杂，也不适用于车辆队列的应用。重庆邮电大学提出的基于车路协同技术的车辆编队方法及其系统和重庆云途交通科技有限公司提出的基于车路协同技术的车辆组队行驶管理方法则未考虑交叉路口的情形。

现有技术中还有一些非信控交叉路口的冲突消解和交叉路口管理的方法，难以应用于车辆的编队控制。如车路协同环境下的交叉口的协调控制研究和基于车路协同技术的交叉口协调方法研究、无信号十字交叉口协作车辆控制研究等，提出多车通过交叉口的安全车速计算方法仅考虑速度跟踪，但是无法应用于车辆编队。由此可见，目前尚无非信控交叉路口车辆编队通行的有效实用的方法。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于无线通信的非信控交叉路口车辆编队通行方法，该方法基于无线通信，对驶近非信控交叉路口的网联车辆进行编队，使各个方向的网联车辆可以依次通过交叉路口，从而避免车辆的减速、停车、起步过程，减小通行时间，提高非信控交叉路口的通行效率。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于无线通信的非信控交叉路口车辆编队通行方法，其特征在于包括以下步骤：1)网联车辆驶近非信控交叉路口时，利用无线通信将自身的身份编号、位置、速度和加速度信息进行广播；2)服务平台利用无线通信获取驶入非信控交叉路口的所有网联车辆的身份编号、位置、速度和加速度信息，进行坐标转换，确定每个网联车辆的虚拟前车；3)服务平台利用无线通信将每个网联车辆的虚拟前车所对应真实车辆的身份编号进行广播，每个网联车辆利用无线通信获取自身的虚拟前车所对应真实车辆的身份编号；4)每个网联车辆通过无线通信获取虚拟前车所对应真实车辆的位置、速度和加速度信息，并进行坐标转换，变为等效前车，再自动控制车辆跟踪等效前车，直至驶离交叉路口。

所述步骤2)中，利用坐标转换，确定虚拟前车和等效前车的方法如下：2.1)建立有向的、通过交叉路口中心点的虚拟车道；2.2)利用非信控交叉路口的网联车辆的位置信息，计算各网联车辆到交叉路口中心点的距离；网联车辆的总数目为N；2.3)对于已通过交叉路口的网联车辆，将其位置以交叉路口中心点进行顺时针或逆时针旋转，投影至虚拟车道的右上方，形成虚拟车辆；2.4)对于未通过交叉路口的网联车辆，将其位置以交叉路口中心点进行顺时针或逆时针旋转，投影至虚拟车道的左下方，形成虚拟车辆；2.5)对所有网联车辆投影后，在虚拟车道上形成虚拟车辆组成的虚拟队列，设虚拟车辆总数目也为N，对虚拟队列中的各虚拟车辆按虚拟车道反方向进行从小到大编号1～N，则依据编号定义虚拟车辆j为虚拟车辆j+1对应的真实车辆的虚拟前车,其中1≤j≤N-1；2.6)真实车辆分别将各自的虚拟前车所对应真实车辆投影至自身所在的真实车道的前方，变为等效车辆，则该等效车辆即为该真实车辆的等效前车。

所述步骤2)中，利用坐标转换，确定网联车辆等效前车的计算方法如下：2.1)设某时刻非信控交叉路口的网联车辆总数目为N，为各网联车辆分别编号为1～N，并记第i辆网联车辆为R_i；设网联车辆R_i距非信控交叉路口中心点的绝对距离为d_i，定义网联车辆R_i距非信控交叉路口中心点的有向距离为D_i，满足D_i＝μ_id_i，1≤i≤N；2.2)对有向距离D_i进行从大到小排序，得有序下标集合为S＝{s₁,s₂,...,s_N}，其中1≤j≤N-1；2.3)假设存在一假想的车辆E_j，其位于网联车辆的前方且车头向前，与网联车辆相距其速度、加速度与网联车辆相同，则定义假想的车辆E_j为网联车辆的等效前车。

所述步骤2.1)中，若网联车辆R_i已通过交叉路口中心点，则μ_i＝1；若网联车辆R_i未通过交叉路口中心点，则μ_i＝-1。

所述服务平台的运行过程如下：3.1)利用无线通信获取新进入非信控交叉路口的所有网联车辆的身份编号、位置、速度和加速度信息；3.2)判断是否不存在虚拟队列，当不存在虚拟队列时，对网联车辆信息进行坐标转换，构建虚拟队列；当存在虚拟队列时，按先后次序将新进入交叉路口的网联车辆加入虚拟队列的队尾，形成新的虚拟队列；3.3)依据形成的虚拟队列，确定各个网联车辆的虚拟前车，并将虚拟前车所对应真实车辆的身份编号广播给各个网联车辆，并返回至步骤3.1)。

所述服务平台设立于云端服务器，或设立于非信控交叉路口的路侧，或随机设立在处于该非信控交叉路口的某辆网联车辆上。

所述步骤4)中，每个网联车辆驶离交叉路口的过程为：4.1)每个网联车辆始终通过无线通信广播自身的身份编号、位置、速度和加速度信息；4.2)当判断网联车辆正在驶近非信控交叉路口时，进入步骤4.3)，否则重复步骤4.2)持续判断；4.3)通过无线通信从服务平台获取虚拟前车所对应真实车辆的身份编号；4.4)通过无线通信获取虚拟前车所对应真实车辆的位置、速度和加速度信息，并进行坐标转换，变为等效前车；4.5)判断自车与等效前车的车间距离，当该车间距离小于预先设置的期望车间距离时，则自动控制跟踪等效前车；否则按照设定车速进行定速巡航，或始终保持跟踪等效前车形成不间断车辆队列；4.6)当判断网联车辆驶离非信控交叉路口时，返回步骤4.2)，否则返回步骤4.5)。

所述步骤4.5)中，自动控制跟踪等效前车时，利用PID、线性或非线性控制、模型预测控制、滑模控制或鲁棒控制方法控制网联车辆的油门踏板和制动踏板，实现对网联车辆的加速度或者速度的控制。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明基于无线通信实现非信控交叉路口车辆的编队通行，可以实现相互冲突车流的同时通行(指各向无需经历减速、停车、起步的过程)，有助于在保证安全的同时，降低车流的通行时间，提高交叉路口的通行效率。2、当每个网联车辆获取虚拟前车所对应真实车辆的身份编号后，本发明仅需通过无线通信获取该身份编号对应的网联车辆的信息，而无需获取其他网联车辆的信息，可以大大降低对通信的需求，例如降低信息传输量和通信频次。

附图说明

图1是本发明构建的虚拟队列、确定虚拟前车和等效前车的示意图；

图2是本发明的服务平台运行流程示意图；

图3是本发明的网联车辆运行流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供一种基于无线通信的非信控交叉路口车辆编队通行方法，其包括以下步骤：

1)网联车辆驶近非信控交叉路口时，利用无线通信将自身的身份编号、位置、速度和加速度信息进行广播；其中，每个网联车辆的身份编号是唯一的；

2)服务平台利用无线通信获取驶入非信控交叉路口的所有网联车辆的身份编号、位置、速度和加速度信息，进行坐标转换，构建虚拟车辆队列，确定网联车辆的通行次序，进而确定每个网联车辆的虚拟前车；

3)服务平台利用无线通信将每个网联车辆的虚拟前车所对应真实车辆的身份编号进行广播，每个网联车辆利用无线通信获取自身的虚拟前车所对应真实车辆的身份编号；

其中，服务平台可以设置在云端服务器，或者非信控交叉路口的路侧，或者该非信控交叉路口处的某辆网联车辆上。

4)每个网联车辆通过无线通信获取虚拟前车所对应真实车辆的位置、速度和加速度信息，并进行坐标转换，变为等效前车，再自动控制车辆跟踪等效前车，直至驶离交叉路口。

上述步骤2)中，利用坐标转换，构建虚拟队列，确定虚拟前车和等效前车的方法如下：

2.1)建立有向的、通过交叉路口中心点的虚拟车道，如图1中由左下方指向右上方的箭头所示；

2.2)利用非信控交叉路口的网联车辆R1～RN的位置信息，计算各网联车辆到交叉路口中心点的距离；其中，N为网联车辆的总数目，在本实施例中以8辆网联车辆为例进行说明。

2.3)对于已通过交叉路口的网联车辆，将其位置以交叉路口中心点进行顺时针或逆时针旋转，投影至虚拟车道的右上方，形成虚拟车辆，如图1中的实线弧形箭头投影为虚拟车辆V1～V4；

2.4)对于未通过交叉路口的网联车辆，将其位置以交叉路口中心点进行顺时针或逆时针旋转，投影至虚拟车道的左下方，形成虚拟车辆，如图1中的实线弧形箭头投影为虚拟车辆V5～V8；

2.5)对所有网联车辆投影后，在虚拟车道上形成虚拟车辆组成的虚拟队列，对虚拟队列中的各虚拟车辆按虚拟车道反方向进行从小到大编号V1,V2,…,V8，如图1所示，虚拟车辆V1,V2,V3,…,V8分别对应的真实车辆为R1,R7,R3,…,R8，则依据编号定义虚拟车辆V1,V2,…,V7分别为真实车辆R7,R3,…,R8的虚拟前车；

2.6)真实车辆R7,R3,…,R8分别将各自的虚拟前车V1,V2,…,V7投影至自身所在的真实车道的前方，如图1中的虚线弧线箭头所示，变为等效车辆E1,E2,…,E7，则等效车辆E1,E2，…,E7分别为真实车辆R7,R3,…,R8的等效前车。如图1中虚拟车辆V2对应真实车辆R7，将真实车辆R7的虚拟前车V1投影至真实车辆R7的前方，成为等效车辆E1，则等效车辆E1即为真实车辆R7的等效前车。

上述步骤2)中，利用坐标转换，构建虚拟队列，确定网联车辆等效前车的计算方法如下：

2.1)忽略交叉路口和车辆的尺寸，设某时刻非信控交叉路口的网联车辆总数目为N，为各网联车辆分别编号为1～N，并记第i辆(1≤i≤N)网联车辆为R_i。设网联车辆R_i距非信控交叉路口中心点的绝对距离为d_i，定义网联车辆R_i距非信控交叉路口中心点的有向距离为D_i，满足D_i＝μ_id_i。

其中，若网联车辆R_i已通过交叉路口中心点，则μ_i＝1；若网联车辆R_i未通过交叉路口中心点，则μ_i＝-1。

2.2)对有向距离D_i进行从大到小排序，得有序下标集合为S＝{s₁,s₂,...,s_N}。其中1≤j≤N-1。

2.3)假设存在一假想的车辆E_j，其位于网联车辆的前方且车头向前，与网联车辆相距其速度、加速度与网联车辆相同(方向均向前或向后)。则定义该假想的车辆E_j为网联车辆的等效前车。

上述步骤2)、步骤3)中，如图2所示，服务平台的运行过程如下：

3.1)利用无线通信获取新进入非信控交叉路口的所有网联车辆的身份编号、位置、速度和加速度信息；

3.2)判断是否存在虚拟队列，当不存在虚拟队列时，对网联车辆信息进行坐标转换，构建虚拟队列；当存在虚拟队列时，按先后次序将新进入交叉路口的网联车辆加入虚拟队列的队尾，形成新的虚拟队列；

3.3)依据形成的虚拟队列，确定各个网联车辆的虚拟前车，并将虚拟前车所对应真实车辆的身份编号广播给各个网联车辆，并返回至步骤3.1)。

上述步骤4)中，每个网联车辆驶离交叉路口的过程为：

4.1)每个网联车辆始终通过无线通信广播自身的身份编号、位置、速度和加速度信息；

4.2)当判断网联车辆正在驶近非信控交叉路口时，进入步骤4.3)，否则重复步骤4.2)持续判断；

4.3)通过无线通信从服务平台获取虚拟前车所对应真实车辆的身份编号；

4.4)通过无线通信获取虚拟前车所对应真实车辆的位置、速度和加速度信息，并进行坐标转换，变为等效前车；

4.5)判断自车与等效前车的车间距离，当该车间距离小于预先设置的期望车间距离时，则自动控制跟踪等效前车；否则按照设定车速进行定速巡航，或始终保持跟踪等效前车形成不间断车辆队列；

4.6)当判断网联车辆驶离非信控交叉路口时，返回步骤4.2)，否则返回步骤4.5)。

上述步骤4.5)中，自动控制跟踪等效前车时，可利用PID、线性或非线性控制、模型预测控制、滑模控制或鲁棒控制等多种控制方法控制网联车辆的油门踏板和制动踏板，实现对网联车辆的加速度或者速度的控制。

上述各实施例仅用于说明本发明，各步骤的次序和内容都是可以有所变化的，如可以在考虑路口和车辆尺寸的情况下重新调整各步骤的次序和内容。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别步骤进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。