本发明属于无人驾驶技术以及智能交通运输工程领域，尤其涉及一种无人驾驶车辆通过交叉路口时速度控制系统及方法。
背景技术
无人驾驶汽车及其对道路环境的感知技术是目前交通运输领域的研究一个热点话题，是集自动控制系统、智慧道路及环境信息感知等技术于一体的智能交通发展的产物，其主要目的在于实现车辆自动控制驾驶行为，避免人工驾驶时主观影响因素造成的潜在交通事故风险，从而实现汽车的安全行驶，促进交通运输行业的高效、安全发展。现阶段，对于无人驾驶环境感知的研究主要还停留在汽车自动控制领域和模拟控制系统领域，而对路面环境信息感知领域的研究则很少。在传统信号灯控制的城市主干道交叉路口处，常存在道路空间、线形设计问题，导致车辆在靠近交叉路口或通过交叉路口极易造成交通拥挤，从而引发较高的事故发生率，严重制约着交叉路口的运行效率。同时，由于信号灯的设置使得车辆在通过交叉路口区域内时反复地执行“减速-停车-启动-加速”的操作行为，导致了大量的行驶延误和燃油消耗、污染物排放，严重影响了车辆行驶的舒适性、安全性。无人驾驶车辆是未来车辆的发展方向，具有减少交通事故、缓解交通压力等优点，随着智能交通、感知处理技术的迅速推广，无人驾驶汽车的应用逐渐得到公众认可。未来汽车自动驾驶环境中传统的控制交叉路口车流量的交通信号灯将被取消，在道路交叉路口无信号灯控制条件下无人驾驶汽车如何在复杂道路环境下安全、快速地通过交叉路口是智能交通领域亟需解决的技术问题，这将是无人驾驶领域的一个突破。
中国专利文献cn105160917a公布了一种基于车路协同的信号控制交叉路口车速引导方法，主要是借助车辆运行状态信息和信号灯信息的交互控制进行建议车辆通过道路交叉路口的速度及是否变道操作。该方法仅从交叉路口车速诱导角度考虑，局限于有信号灯控制的环境下，尚未考虑特殊天气环境的影响和各种运行状态的车辆下一步驾驶行为；虽然，中国专利文献cn106205169a公布了一种交叉路口进口道车速控制方法，解决了不同天气条件对车辆安全间距的影响问题，对不同运行状态的车辆通过交叉路口时进行了分类，但是基于信号灯控制条件下对交叉路口处车速控制与预警，考虑了信号灯试延续时间的影响使得通过交叉路口的建议车速不是最优的，不同天气影响的修正系数偏高。
目前，在无人驾驶汽车技术及智慧道路领域内都需要实时感知道路周围环境从而做出正确的自动驾驶行为。同时，在无信号灯控制的道路交叉路口，及时控制车辆行驶速度是防止车辆在转弯或直行过程中发生滑移的重要手段，而且轮胎-路面的附着系数随着车速呈非线性变化，无法人为确保车辆行驶的安全性。因此，智慧道路领域内亟需无人驾驶车辆通过交叉路口时速度控制算法，以满足无人驾驶车辆安全性、可靠性等关键问题。
技术实现要素：
发明目的：针对以上现有技术出现的问题，本发明提出提供了一种无人驾驶车辆通过交叉路口时速度控制系统及方法，该系统可以根据智能交通的技术特点、感知信息处理技术与道路交叉路口车辆通行特点，在无人驾驶汽车通过无信号灯控制的交叉路口时综合提供给车辆控制子系统(avcs)一个尽可能安全快速驶过交叉路口或以最佳运行方案通过交叉路口的速度控制策略，包括是否停止、直行或超车驾驶行为、具体行驶速度等，使得无人驾驶车辆按照就最佳车速和行驶方式在干燥路面上尽量快速通过交叉路口，为自动驾驶技术和智慧道路的发展提供核心技术支持。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种无人驾驶车辆通过交叉路口时速度控制系统，该系统构成如下：
无线计算机，用于向交叉路口区域控制中心子系统发送数据请求，并控制道路信息采集子系统、交叉路口区域控制中心子系统、车辆控制子系统的工作，通过信息无线通讯模块进行信息交互，根据交叉路口区域控制中心子系统反馈的数据选取不同策略采集交叉路口区域内路表纹理信息、道路状况数据；
道路信息采集子系统，安装于道路交叉路口路侧，用于根据上述选取的不同采集策略进行采集交叉路口区域内路面纹理信息及道路状况数据，并将上述数据发送至无线计算机计算得到路面表面纹理的构造深度值，并得到路面影响系数值；
交叉路口区域控制中心子系统，安装在交叉路口速度控制区域中心，用于响应无人驾驶车辆的数据请求并反馈，对路表构造深度数据信息进行收集存储、检查并剔除冗余数据，用于交互前后车的行驶状态信息并计算车辆通过交叉路口的建议速度界限值，将速度界限值发送至车辆控制子系统；
车辆控制子系统，安装于车辆内部，根据上述路表纹理信息、道路状况数据和速度界限值，通过车载信息采集处理模块进行车辆速度控制判定，同时综合交叉路口区域中心控制系统的反馈信息进行决策车辆行驶行为。
其中，所述道路信息采集子系统包括以下模块：
路表纹理监测模块，用于实时获取道路路表纹理特征，通过信息无线通讯模块将路面状态实时发送至无线计算机，输入路面附着系数函数计算当前的轮胎-路面附着系数；
路侧信息采集处理模块，用于实时感知获取路面环境状况，计算车辆是否可以通过停车线，并将计算结果反馈给车辆控制子系统；
三维激光雷达监测模块，用于采集车辆与道路周围交通设施的位置信息；
gps定位模块，用于对交叉路口区域内无人驾驶车辆进行实时空间三维定位，获取无人驾驶车辆的位置、与前、后车的相对间距和相对行驶速；
信息无线通讯模块，用于数据传输，通过信息无线通讯模块与交叉路口区域中心控制系统进行交互前后车的状态信息。
其中，所述交叉路口区域控制中心子系统包括以下模块：
车辆状态监测模块，用于实时监控车辆本身的行驶状况；
速度测算模块，用于计算车辆通过交叉路口的安全速度，判定是否开启车辆行驶自动导向模块进行自动转向、直行或者自动避让模块选择超车操作行为；
速度控制建议模块，用于结合速度测算结果实时输出不同行驶方式下的速度界限值；
数据库模块，对路表构造深度数据信息进行收集存储、检查并剔除冗余数据，同时实时无线传输给无线计算机计算路面附着系数值；
信息无线通讯模块，用于数据传输。
其中，所述avcs控制子系统包括以下模块：
车载信息采集处理模块，用于实时获取车辆行驶状态；
安全预警模块，用于结合车辆行驶状态判定无人驾驶车辆安全运行状况，并实时对车辆周围信息作出速度控制预警提示；
自动避让模块，用于响应安全预警信息采取的安全措施；
视觉强化模块，用于增强特殊行驶环境的可视性；
车辆行驶自动导向模块，配合自动避让模块，用于实现车辆最佳行驶路线；
信息无线通讯模块，用于数据传输。
此外，本发明还提供了一种根据上述系统实现的无人驾驶车辆通过交叉路口时速度控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)无人驾驶车辆在交叉路口区域内行驶时，无线计算机向交叉路口区域控制中心子系统发送数据请求；
(2)交叉路口区域控制中心子系统向无线计算机进行数据请求反馈，无线计算机根据数据反馈情况选取不同行驶策略采集交叉路口区域内路表纹理信息、道路状况数据；
(3)无线计算机控制道路信息采集子系统根据步骤(2)中确定的行驶策略进行采集交叉路口区域内路面纹理信息及道路状况数据；
(4)无线计算机控制交叉路口区域控制中心子系统对步骤(3)中采集的路面表面纹理信息进行处理，计算得到路面表面纹理的构造深度值；交叉路口区域控制中心子系统通过无线传输模块对路表构造深度值及道路状况数据进行收集存储，速度建议控制模块根据速度测算模块的速度测算结果输出速度界限值；
(5)无线计算机控制车辆控制子系统对步骤(3)中采集的路表纹理特征、道路状况数据和步骤(4)中的速度界限值，通过车载信息采集处理模块进行车辆速度控制判定，同时综合交叉路口区域中心控制系统的反馈信息进行决策车辆行驶行为。
其中，所述的步骤(2)中，根据交叉路口区域控制中心所反馈的数据情况，选取无人驾驶车辆行驶策略，具体方法如下：如果交叉路口区域控制中心反馈无对应道路的路面纹理数据及道路状况数据，则无线传输命令请求道路信息采集系统获取路面表面纹理及周围车辆信息数据，通过无线传输模块将数据实时反馈给交叉路口区域控制中心子系统，并由数据模块进行数据处理，与当前交叉路口的道路交通状况进行对比，在非“头车”情况下，若相邻车辆之间的实时距离si(t)小于等于预设阈值di(t)，则判定无人驾驶车辆处于不安全状态，道路信息采集系统的数据需要更新并请求无线计算机启动安全预警模块；非“头车”情况下，若相邻车辆之间的实时距离si(t)超过预设阈值di(t)，则判定无人驾驶车辆处于安全状态，道路信息采集系统的数据暂时不需要更新并保持当前状态；“头车”情况下，则交叉路口区域控制中心的速度测算模块需要更新并进行实时速度界限值判定，根据实时情况改变速度控制策略；
相邻两车之间的安全距离阈值di(t)计算公式如下：
③若为“头车”
④若为非“头车”
式中，di(t)为相邻两车之间的安全距离阈值；
其中，所述的步骤(4)中，无人驾驶车辆在交叉路口区域内运行时，通过gps定位模块获取无人驾驶车辆的位置、与相邻车道上前、后车的相对间距和相对行驶速度，基于车辆的位置、当前运行速度和加速度信息，路侧信息采集处理模块计算车辆是否可以通过停车线，路侧信息采集处理模块将计算结果反馈给车辆控制子系统，通过无线传输模块与交叉路口区域中心控制系统进行数据信息交互与速度预测，判定是否开启车辆行驶自动导向模块进行速度控制决策，并通过速度建议控制模块输出不同行驶方式下的速度界限值。
其中，通所述步骤(5)中，根据车辆控制子系统中车载信息采集处理模块和路侧信息采集处理模块所获取的无人驾驶汽车运行状态信息，并通过无线连接与交叉路口区域中心控制系统进行数据信息交互，通过速度建议控制模块分析本车以何种方式通过交叉路口，具体方法如下：
③若为“头车”
当vi(t)≤20km/h时且时速小于等于相邻车道内后车的时速v1i-1(t)，即vi(t)≤v1i-1(t)，则采取减速行驶直至在停止线前停止；当vi(t)≥20km/h时，本车的安全时距
④若为非“头车”
通过对比本车与前车之间车头时距进行执行加速或减速策略，如果两车之间时距差
其中，所述的步骤(4)中，根据交叉路口区域中心控制所反馈的数据，通过路表纹理监测模块采集沥青路面表面凹凸不平的纹理图像信息，通过无线计算机的图像处理器进行路表纹理三维重构，并计算交叉路口区域内的路表实时平均断面深度mpd(t)：
式中，mpd(t)为路表实时平均断面深度，单位为mm；h1、h2代表横断面宽度内凸起的最高点即峰值高度，其中，h1表示前半周期内凸起的最高点，h2表示后半周期内凸起的最高点，h代表横断面宽度内最高点与基准线之间的中线，单位均为mm。
其中，路表纹理监测模块获取的路表构造深度数据实时通过无线通讯传输模块输送给无线计算机，计算路面影响系数
其中，β为天气修正系数、c1为路表纹理形状因子、c为滑移率曲线的形状因数；a、b是测试路表宏观纹理的仪器影响系数；
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下的有益效果：
1.本发明提供的一种无人驾驶车辆通过交叉路口时速度测算与控制系统，取代人工驾驶中驾驶员对通过交叉路口过程的控制角色，避免了人为因素引起的交通事故；能够应对雨雪天气路面上无信号灯控制的交叉路口驾驶行为，以较佳的方式安全、快速通过交叉路口。
2.本发明利用现代智能交通技术和无线感知处理技术，特别是基于空间三维定位、量测、信息交互及车辆控制子系统(avcs)使得车载信息采集处理模块、安全预警模块、自动避让模块、视觉强化模块、车辆行驶自动导向模块、路表纹理监测模块、路面线形数据存储模块、三维激光雷达监测模块、gps定位模块、速度测算模块、速度控制建议模块和信息无线通讯模块等连接，以自助控制车辆速度及运行状态的形式使得无人驾驶汽车以最优的状态通过交叉路口，同时达到节能的目的。
3.本发明联合汽车车辆控制子系统(avcs)、道路信息采集系统、交叉路口区域中心控制系统实现了车-车、车-路及车-路-环境之间的信息交互，综合考虑了车辆状态信息、路面纹理和天气变化，自主进行控制交叉路口车辆速度、行驶方式，对交叉路口车流之间的操作行为进行实时监测与预警，极大提高了无信号灯控制的交叉路口车辆通行能力，为未来无人驾驶汽车的普及和智慧道路的发展提供一定基础。
附图说明
图1为系统工作流程图；
图2为本发明的无信号灯交叉路口速度控制系统模块结构示意图；
图3为本发明的无信号灯交叉路口速度控制流程图；
图4为本发明用到的路面平均断面深度计算示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明提供了一种无人驾驶车辆通过交叉路口时速度控制系统，以实现无人驾驶车辆行驶过程中通过交叉路口时速度实时控制，确保无人驾驶车辆通过道路交叉路口过程中的安全性。其中本发明提出的一种无人驾驶车辆通过交叉路口时速度控制系统，如图1和图2所示，包括：道路信息采集子系统，安装于道路交叉路口路侧，用于将获取的路表构造深度数据实时通过信息无线通讯传输模块发送至给交叉路口区域控制中心子系统，对路表构造深度数据信息进行收集存储、检查并剔除冗余数据，同时数据实时通过无线通讯传输给无线计算机计算路面影响系数值；交叉路口区域控制中心子系统，安装在交叉路口速度控制区域中心，用于交互前后车的行驶状态信息并计算车辆通过交叉路口的安全速度界限值，将数据发送至车辆控制子系统(avcs)。avcs控制子系统，安装于车辆内部，用于响应交叉路口区域控制中心子系统的数据请求，并将已存储的车辆行驶状态数据反馈给无线计算机，判定是否开启车辆行驶自动导向模块进行自动转向、直行或者自动避让模块选择超车操作行为。三个系统间的控制和数据传输通过无线计算机和无线传输模块来完成。
其中，道路信息采集子系统包括：路表纹理监测模块，路侧信息采集处理模块，三维激光雷达监测模块，gps定位模块，信息无线通讯模块；
路表纹理监测模块，用于实时获取道路路表纹理特征，通过信息无线通讯模块将路面状态实时发送至无线计算机，输入路面附着系数函数计算当前的轮胎-路面附着系数；
路侧信息采集处理模块，用于实时感知获取路面环境状况，计算车辆是否可以通过停车线，并将计算结果反馈给车辆控制子系统(avcs)；
三维激光雷达监测模块，用于采集车辆与道路周围交通设施的位置信息；
gps定位模块，用于对交叉路口区域内无人驾驶车辆进行实时空间三维定位，获取无人驾驶车辆的位置、与前、后车的相对间距和相对行驶速；
信息无线通讯模块，用于数据传输，通过信息无线通讯模块与交叉路口区域中心控制系统进行交互前后车的状态信息。
其中，交叉路口区域控制中心子系统包括：车辆状态监测模块，速度测算模块，速度控制建议模块，数据库模块，信息无线通讯模块；
车辆状态监测模块，用于实时监控车辆本身的行驶状况；
速度测算模块，用于计算车辆通过交叉路口的安全速度，判定是否开启车辆行驶自动导向模块进行自动转向、直行或者自动避让模块选择超车操作行为；
速度控制建议模块，用于结合速度测算结果实时输出不同行驶方式下的速度界限值；
数据库模块，对路表构造深度数据信息进行收集存储、检查并剔除冗余数据，同时实时无线传输给无线计算机计算路面附着系数值；
信息无线通讯模块，用于数据传输。
其中，avcs控制子系统包括：车载信息采集处理模块，安全预警模块，自动避让模块，视觉强化模块，车辆行驶自动导向模块，信息无线通讯模块；
车载信息采集处理模块，用于实时获取车辆行驶状态；
安全预警模块，用于结合车辆行驶状态判定无人驾驶车辆安全运行状况，并实时以声、光等形式对车辆周围必要信息作出速度控制预警提示；必要信息包括相邻车辆的位置、速度，道路状况。
自动避让模块，用于响应安全预警信息采取的安全措施；
视觉强化模块，用于增强特殊行驶环境(如黄昏、大雾或雨雪天气等)的可视性；
车辆行驶自动导向模块，配合自动避让模块，用于实现车辆最佳行驶路线；
信息无线通讯模块，用于数据传输。
并且，作所述道路信息采集系统安装于道路交叉路口路侧，交叉路口区域中心控制系统安装在交叉路口速度控制区内中心，avcs控制系统安装于车辆内部，三个子系统通过信息无线通讯模块进行信息交互并由无线计算机进行交叉路口速度控制综合考虑了车辆状态信息、路面纹理和天气变化，自主进行控制交叉路口车辆速度、行驶方式，对无信号灯控制的道路交叉路口无人驾驶汽车的操作行为进行实时监测与预警。
此外，本发明还提出了一种无人驾驶车辆通过交叉路口时速度控制方法，结合图3，下面对该方法进行说明：
(1)车载信息采集处理模块及时获取车辆的当前行驶状态，并通过信息无线通讯模块将车辆的状态信息发送至路侧信息采集处理模块，路侧信息采集处理模块将交叉路口区域内实时反馈给车辆avcs系统，并由数据存储模块进行信息数据处理，与当前交叉路口的道路交通状况进行对比。在非“头车”情况下，若相邻车辆之间的实时距离si(t)小于等于预设阈值di(t)，则判定无人驾驶车辆处于不安全状态，那么道路信息采集系统的数据需要更新并请求无线计算机启动安全预警模块；非“头车”情况下若相邻车辆之间的实时距离si(t)超过预设阈值di(t)，则判定无人驾驶车辆处于安全状态，那么道路信息采集系统的数据暂时不需要更新并保持当前状态。“头车”情况下，则交叉路口区域控制中心的速度测算模块需要更新并进行实时速度界限值判定，根据实时情况改变速度控制策略。如果交叉路口区域控制中心反馈有对应道路的路面纹理数据及路侧交通信息，则根据实时情况采取速度控制策略，并在0.5s后无线传输命令请求道路信息采集系统重新采集路表纹理及道路信息数据。
(2)路侧信息采集处理模块实时感知获取路面环境状况；同时根据路表纹理监测模块获取当前道路路表纹理特征值，即计算路表平均断面深度mpd通过信息无线通讯模块将路面状态实时发送至无线计算器，输入路面附着系数函数计算当前的轮胎-路面附着系数。
(3)通过gps定位模块获取无人驾驶车辆的位置、与前、后车的相对间距和相对行驶速度，基于车辆的位置、当前运行速度和加速度信息，路侧信息采集处理模块计算车辆是否可以通过停车线，然后路侧信息采集处理模块将计算结果反馈给avcs系统，通过无线传输模块与交叉路口区域中心控制系统进行数据信息交互与速度预测，基于安全预警模块进行速度控制预警提示。
(4)通过信息无线通讯模块与交叉路口区域中心控制系统进行交互前后车的状态信息，由速度测算模块计算车辆通过交叉路口的安全速度，判定是否开启车辆行驶自动导向模块进行自动转向、直行或者自动避让模块选择超车操作行为，并通过速度建议控制模块输出不同行驶方式下的速度界限值。
本发明基于空间三维定位、量测、信息交互及车辆控制子系统(avcs)使得车载信息采集处理模块、安全预警模块、自动避让模块、视觉强化模块、车辆行驶自动导向模块、路表纹理监测模块、路面线形数据存储模块、三维激光雷达监测模块、gps定位模块、速度测算模块、速度控制建议模块和信息无线通讯模块等连接，以自助控制车辆速度及运行状态的形式使得无人驾驶汽车以最优的状态通过交叉路口，同时达到节能、环保的目的。
具体地，在所述的步骤(1)中的信息无线通讯模块，用于引导交叉路口区域内车辆之间运行状态、道路路面信息和交叉路口控制中心之间的信息的连接，进行实时数据交互及反馈控制。
所述的步骤(2)中路表平均断面深度mpd计算方法为：通过路表纹理监测模块中的高速激光扫描仪、高精度三角摄像机实时采集沥青路面表面凹凸不平的纹理图像信息，然后运用图像处理器进行路表纹理三维重构，并计算交叉路口区域内的任意时刻路表平均断面深度mpd(t)。
其中，所述的路面影响系数为
其中，β为天气修正系数，正常路面上取1.0；c1为路表纹理形状因子；c为滑移率曲线的形状因数；a、b是测试路表宏观纹理的仪器影响系数；
所述步骤(3)中，安全预警模块属于车辆avcs系统中的子模块，用于根据本车与前后车之间的相互运行状态，计算相邻车辆之间的安全距离阈值，并根据计算结果判断本车的碰撞危险状况，进而决策是否进一步采取自动避让模块进行减速或者超车操作行为。相邻两车之间的安全距离阈值计算公式为：
①若为“头车”，“头车”，即是该车道上距离交叉路口停止线最近的第一辆车；相邻
两车之间的安全距离阈值为：
②若为非“头车”，相邻两车之间的安全距离阈值为：
式中，di(t)为相邻两车之间的安全距离阈值；
所述的步骤(4)中速度建议控制模块，用于处理本无人驾驶汽车进入交叉路口速度控制区域内根据avcs系统中车载信息采集处理模块和路侧信息采集处理模块所获取的本车运行状态信息，包括瞬时速度、加速度及相邻车辆时距，并通过无线连接与交叉路口区域中心控制系统进行数据信息交互，分析本车以何种方式通过交叉路口。
⑤若为“头车”，
当vi(t)≤20km/h时且时速小于相邻车道内后车的时速，即vi(t)≤v1i-1(t)，v1i-1(t)相邻车道内后车的时速，则采取减速行驶直至在停止线前停止；当vi(t)≥20km/h时，本车的安全时距为
⑥若为非“头车”
通过对比本车与前车之间车头时距进行执行加速或减速策略，如果两车之间时距
综合道路环境与本车行驶策略，通过交叉路口速度控制区域内的本车道后续车辆实时发送速度建议控制，从而使得无信号灯控制的交叉路口车辆以最佳状态安全驶过交叉路口，尽量避免紧急制动、追尾事故的发生，为确保速度控制系统之间信息交互的时效性，采取每隔δt＝0.5s进行一次信息传输、交互循环，在信息交互时间内不考虑交叉路口车辆的干涉。