一种基于车路通信的车速引导方法与流程

本发明属于智能交通领域，具体涉及一种基于车路通信的车速引导方法，其可以用于车路通信场景中车辆不停车通过信号交叉口。

背景技术

随着使用汽车的人群数量快速增长，汽车引发了一些交通压力、交通事故、拥堵等问题，近几年出现的车路协同是解决一些交通问题的新途径。车路协同过程中，车辆能够通过车路通信获取周围路侧设备的信息，实现车路之间信息的交互和共享，为驾驶员提供更多有效的信息，便于掌握周围的实时路况。基于车路通信获取交叉口信号灯的的状态和剩余时长，对车辆进行车速引导能够给驾驶员提供合理的建议速度，保证车辆不停车通过信号交叉口，提高道路的通行效率。因此研究基于车路通信的车速引导法具有十分重要的现实意义。

车路协同环境下，车速引导方法旨在根据本车实时行驶信息和周围环境、车辆等信息为车辆提供最优的速度建议进而引导车辆行驶，国内外对于交叉口处的车速引导方法都有相关研究。rakhaha等人计算车辆的通行时间判断是否需要进行加减速，在需要的情况下确定加减速的时间，通过线性计算方法决策出车速引导函数。xiah等人研究了一种最优速度曲线方法，通过最优速度曲线引导车辆不停车通过交叉口，和传统的动态规划算法相比计算速度更快。杨晓光等人提出了一种车辆在交叉口车速动态控制下的时间延误研究方法，结果表明该方法与无引导控制的方法相比明显减小了通信延误。俞倩雯等人提出了一种车联网环境下不同路况经济车速的控制方法，研究了经济车速控制规律。安实等人针对绿色节能驾驶，提出了一种车速动态控制方法，可为驾驶员提供动态引导速度建议，并在路侧设置可变信息板进行信息显示。靳秋思等人综合考虑交叉口的上下游，研究了车辆在交叉口的轨迹优化，建立了轨迹优化算法和生态驾驶模型，进行了matlab仿真实验。

然而现有的车速引导方法中，车辆模型大多被简化为一个质点、或者一个向量，忽略了车辆的控制和动力学特征，注重理论上的研究，实际运行效果无法得知。另一方面车速引导方法中的车路通信是在完全仿真环境下最理想的状态，不存在时延等、难以符合实际情况。因此，本发明基于硬件在环的车路通信获取信号灯的相位的剩余时长，考虑车辆进入车速引导区后距离、时间的约束建立交叉口通行预判模型，在此基础上，提出一种车辆车速引导方法，通过将决策的引导速度传输给车辆动力学模型，控制油门、制动使车辆以引导车速行驶，实现车辆不停车通过信号交叉口。

技术实现要素：

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提供一种基于车路通信的车速引导方法。此方法为工程上实现移动机器人在室内环境中的自主定位提供了一种解决方案，方法简单易行、实时性好、精度高，室内环境下具有较好的适用性。

为实现上述目的及其他目的，本发明提供一种基于车路通信的车速引导方法，包括以下步骤：

步骤1.采集车辆行驶数据以及信号灯的相位和剩余时长信息；所述车辆行驶数据包括位移、速度、加速度；

步骤2.基于已获取的信号灯相位和剩余时长信息以及车辆行驶数据，利用车速和时间、距离之间的约束关系，对车辆进入车速引导区后的车辆通行状态进行预判；

步骤3.根据步骤1和步骤2建立车速引导模型，计算出车辆的引导速度。

优选地，所述车辆通行状态包括匀速通过、加速通过以及减速通过。

优选地，若v0tgrem＞l或v0trrem＜l，则判断车辆通行状态为匀速通过；其中，v0表示车辆进入车速引导区时速度，l表示车速引导区的长度，tgrem表示绿灯剩余时间，trrem表示红灯剩余时间。

优选地，若则判断车辆通行状态为加速通过；其中，v0表示车辆进入车速引导区时速度，l表示车速引导区的长度，tgrem表示绿灯剩余时间，t加表示车辆由初始速度加速至道路限速所用的时间，t匀加表示车辆加速后匀速行驶的时间，amax表示最大的加速度，vlimit表示道路限速。

优选地，若则判断车辆通行状态为减速通过；其中，v0表示车辆进入车速引导区时速度，l表示车速引导区的长度，tgrem表示绿灯剩余时间，t加表示车辆由初始速度加速至道路限速所用的时间，t匀加表示车辆加速后匀速行驶的时间，amax表示最大的加速度，t减表示车辆由进入车速引导区时速度减速至低速v1所用的时间，amin表示最大的减速度，t匀减表示车辆减速后匀速行驶的时间，vlimit表示道路限速。

优选地，若则判断车辆通行状态为减速通过；其中，v0表示车辆进入车速引导区时速度，l表示车速引导区的长度，trrem表示红灯剩余时间，t减表示车辆由进入车速引导区时速度减速至低速v1所用的时间，amin表示最大的减速度，t匀车辆减速后匀速行驶的时间。

优选地，车辆经过车速引导后加速行驶，目标车速为：其中，vg加表示引导速度，a表示车辆的加速度，t表示车辆进入车速引导区的时间至交叉口停止线的时间。

优选地，车辆经过车速引导后减速行驶，目标车速为：其中，vg减表示引导速度，a表示车辆的加速度，t表示车辆进入车速引导区的时间至交叉口停止线的时间。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明基于硬件在环的车路通信获取信号灯的相位的剩余时长，考虑车辆进入车速引导区后距离、时间的约束建立交叉口通行预判模型，在此基础上，提出一种车辆车速引导方法，通过将决策的引导速度传输给车辆动力学模型，控制油门、制动使车辆以引导车速行驶，实现车辆不停车通过信号交叉口。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图1为v2x通信设备硬件在环实验平台的整体框架图；

图2为通行预判模型流程图；

图3为信号交叉口单车速度引导示意图；

图4为基于车路通信的车速引导方法的流程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种基于车路通信的车速引导方法，具体包括以下步骤：

步骤1：步骤1.采集车辆行驶数据以及信号灯的相位和剩余时长信息；所述车辆行驶数据包括位移、速度、加速度。

步骤2：步骤2.基于已获取的信号灯相位和剩余时长信息以及车辆行驶数据，利用车速和时间、距离之间的约束关系，对车辆进入车速引导区后的车辆通行状态进行预判。

本发明主要研究单一车辆通过两相位信号交叉口车速引导的场景，当车辆可以获取到信号灯的相关信息，并进入了车速引导区域，通过通行预判模型及对应的车速引导方法为驾驶员提供引导速度。为了有利于单车速度引导模型的求解，本发明在以下约束条件下进行车速引导模型的建立：

①仅考虑一辆车，周围车辆、自行车以及行人的影响暂不考虑；

②车辆在进入车速引导区域之前已经调整好车道，不涉及换道行为。

③车辆具有车载通信单元，且能与交通灯的通信单元进行无线通信。

④驾驶员在车速引导区域能够根据交叉口速度引导方法给出的建议车速进行速度调整。

车辆进入车速引导区时，信号灯相位、剩余时长和车辆到停车线的距离为确定值，可以利用车速和时间、距离之间的约束关系建立通行预判模型。由于不同时刻信号灯的相位不同，相位剩余时长也不相同，将车辆通行预判的结果分为以下三种类型。

①匀速通过

车辆进入车速引导区时速度为v0，车速引导区的长度为l。当前信号灯的相位是绿灯，且绿灯剩余时间tgrem充足，车辆以当前速度行驶可以顺利通过交叉口，即满足：

v0tgrem＞l

当前信号灯的相位是红灯，但红灯剩余时间trrem较短，车辆以当前的速度行驶可以在下一个绿灯周期顺利通过交叉口，即满足：

v0trrem＜l

在这两种情况下，车辆以自己当前的车速继续行驶即可不停车顺利通过信号交叉口，因此通行预判结果为匀速通过。

②加速通过

如果车辆在绿灯相位进入车速引导区，但不满足①中第一个公式时，则表示车辆匀速无法通过交叉口，会在接下来的红灯周期到达停车线，需要停车等待通过。此时可以考虑车辆以最大的加速度amax加速到道路限速后匀速行驶，在绿灯结束前通过信号交叉口。有研究结果表明，驾驶员可以接受的最大加速度amax＝2.5m/s²，因此本发明的车速引导策略中，加速时最大加速度值amax＝2.0m/s²，减速时最大减速度值amin＝-2.5m/s²。车辆由初始速度加速至道路限速所用的时间为：

车辆加速后匀速行驶的时间为：

t加匀＝tgrem-t加

当车辆在绿灯剩余时长的行驶路程大于l时则能通过交叉口停止线，即满足：

此时通行预判结果为加速通过。

③减速通过

如果车辆在绿灯相位进入车速引导区，既不满足①中第一个公式时，也不满足②中第三个公式，则表示车辆无论匀速或者加速都会在红灯期间到达停止线，需要停车等待，则可以考虑车辆以最大的减速度amin减速到一定速度匀速行驶，在下一个绿灯周期开始后通过交叉口。车辆由初始速度减速至适当的低速v1所用的时间为：

车辆减速后匀速行驶的时间为：

t减匀＝tgrem+tr-t减

其中，tr是红灯相位的时间。

当车辆在剩余的绿灯时长和接下来的红灯时长里，总行驶路程小于l时则能在下一个绿灯周期通过交叉口停止线，即满足：

还存在一种情况，车辆在红灯相位进入车速引导区时，但不满足①中第二个公式，即车辆匀速无法通过交叉口，红灯期间到达停车线需要停车等待，此时也可以考虑先减速后匀速行驶，在接下来的绿灯周期通过交叉口。车辆减速时间同上式t减，车辆减速后匀速行驶的时间为：

t匀＝trrem-t减

其中，trrem是红灯剩余时长。

当车辆在剩余的红灯时长里的行驶距离小于l，则能在接下来的绿灯周期通过交叉口停止线，即满足：

以上两种情况的通行预判结果都为减速通过。

以上过程定性的分析了车辆如何不停车通过信号交叉口，建立车路通信环境下交叉口车速引导区域的通行预判模型。

步骤3.根据步骤1和步骤2建立车速引导模型，计算出车辆的引导速度。

对车辆进入车速引导区后的通行状态进行预判，在此基础上，还需要对车辆进行合理准确的速度引导，避免在交叉口停车等待。

本发明针对不同的通行预判结果提供相应的速度引导模型。如果车辆进入车速引导区后，不论信号灯相位是红灯还是绿灯，预判结果都为匀速通过，则可以不进行速度引导，车辆以进入车速引导区时的速度行驶即可；如果车辆在绿灯相位进入车速引导区，预判结果为加速通过，则对车辆进行加速的车速引导，若预判结果为减速通过，则对车辆进行减速的车速引导；如果车辆在红灯相位进入车速引导区，预判结果为减速通过，则对车辆进行减速的车速引导。在车与信号灯通信的条件下，以不停车通过信号交叉口为目标，建立车速引导模型。

车辆不停车通过信号交叉口的行驶过程主要分为两个阶段，①车辆速度变化到引导车速；②车辆以引导车速行驶通过信号交叉口。故车辆通过交叉口停止线的时刻为：

其中，tstop是车辆通过信号交叉口停止线的时刻，t0是车辆进入车速引导区的时刻，v0是车辆进入车速引导区的速度，vg是引导速度，a是车辆的加速度(减速度)，l是车速引导区的长度，是车辆速度变化到引导车速的时间，是车辆以引导速度行驶至停车线的时间。

如果车辆的通行预判结果为加速通过，则车辆经过车速引导后加速行驶，目标车速为：

如果车辆的通行预判结果为减速通过，则车辆经过车速引导后减速行驶，目标车速为：

上面两式中，t是车辆进入车速引导区的时间至交叉口停止线的时间：

t＝tstop-t0

对于能够加速通过的车辆，t是进入车速引导区时的绿灯相位剩余时长；对于绿灯期间进入车速引导区，且需要减速在下一个绿灯周期通过的车辆，t是进入车速引导区时的绿灯相位剩余时长和红灯周期之和；对于红灯期间进入车速引导区，需要减速在接下来的绿灯期间通过的车辆，t是进入车速引导区时的红灯相位剩余时长。

根据车辆经过引导后行驶车速的变化趋势，将车辆分为两部分：

①加速行驶可通过信号交口的车辆，其目标车速高于初始速度但低于道路限速，本实施例中道路限速取为20m/s：

v0＜vg加≤vlimit

②减速行驶可通过信号交口的车辆，其目标车速应该低于初始车速：

vg减＜v0

为了对本发明进行验证，本实施例依托的车车协同实验平台，是一个集成了工作站、prescan和matlab/simulink联合仿真环境的综合性软硬件结合的实验平台。利用该平台的交通仿真软件prescan可进行交通场景建模，并建立仿真程度更高的车辆模型，实时获取车辆当前的行驶信息，即车辆的经纬度、速度，加速度、航向角等，也可以获取路侧设备的信息等，并在matlab/simulink中添加车辆的控制算法，完成软件环境的搭建。

实验平台的v2x通信设备采用实际的4g模块和zigbee模块，本发明中采用4g模块进行通信。4g模块实际组网过程中，让硬件在环实验平台作为一个单独不变的公网ip，再接入到internet之中。实验平台启用网卡进行无线通信时，系统先进行检查获取ip地址。当实验平台通获得地址后，prescan中的交通信号灯/车辆将自身数据打包通过串口送至4g模块，随即通过网络将该4g模块接收到的数据进行发送，另外一个4g模块将接收的数据经过串口再送回至prescan中的其他车辆，建立了prescan中的信号灯与车辆之间通过实际通信模块的双向连接，整个v2x通信设备在环的实验平台搭建完成。

计算出的引导速度值传输给prescan中车辆的执行机构，从而输出适当的节气门开度和制动。由于prescan中的车辆动力学模型具有较为精确的参数，仿真度更高，本发明中，车辆动力学模型采用prescan中的dynamics_simple模型，将执行机构输出的节气门制动或者制动压力输入给车辆动力学模型，控制车辆的行驶行为，使得车辆按照引导速度行驶，不停车通过信号交叉口。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。