本发明属于智能交通领域，涉及城市道路针对自动驾驶车辆的交通管控技术领域，更具体地说，涉及一种自动驾驶下交叉口通行权的设置方法。
背景技术
自动驾驶技术发展前景非常广阔，2018年以来，北京、上海、重庆、深圳多地针对自动驾驶车辆先后出台自动驾驶路测细则，杭州、广州、武汉正在规划建设无人驾驶实验基地。自动驾驶环境下，通过采用无线通信和互联网等技术，可以实现车辆之间、车辆与道路的通信。这使得车辆在交叉口不再需要信号灯控制，车辆间能相互协作、相互配合地通过交叉口，实现从基于信号相位的信号控制转变为针对“单个车辆”的通行权控制。但是，当到达的交通量较大时，如何协调自动驾驶车辆在交叉口内部空间的通行权，在不同进口道不同转弯方向的车辆间，确定最优的通过交叉口的车辆次序，成为需要研究的重要问题。
另一方面，现有绝大多数交叉口，对进口车道的左转、直行、右转做了严格的划分，车辆在进入交叉口之前需要换道到相应的车道，而车辆驶出交叉口时却没有规定必须驶入哪条车道，可以选择任一条出口道驶出。而在自动驾驶条件下，需严格设置每辆车驶入和驶出交叉口的车道，一方面，可提高自动驾驶车辆的安全性，另一方面可通过最优选择出口车道，提高交叉口的通行效率。
因此，本发明提供了一种自动驾驶下交叉口通行权的设置方法，在自动驾驶条件下，交叉口进口道无需划分车道功能，即所有进口道均可“左直右”行驶，在此条件下，同时优化自动驾驶车辆的通行时间和出口车道。以总延误最小为目标，将交叉口内部区域划分为若干方格，计算车辆选择不同出口车道时，占用每个方格的时间，通过约束一个方格最多被一辆车占用，实现车辆安全高效地通过交叉口区域。
经对现有技术的文献检索发现，已有针对自动驾驶交叉口通行权的文献主要基于先到先服务的通行方法，缺乏统筹考虑整个交叉口到达车辆的总延误。
技术实现要素：
技术问题：针对自动驾驶车辆在进口道所有车道都能“左直右”通行的条件下，如何最佳确定通行次序的同时选择最佳出口车道的问题，本发明提供了一种自动驾驶下交叉口通行权的设置方法，确保自动驾驶车辆安全、高效、有序地通过交叉口。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种自动驾驶下交叉口通行权设置方法，包括如下步骤：
步骤1：确定交叉口各进口道、出口道车道数并分别对其编号，将交叉口的内部空间分为若干正方形的小方格并将方格进行编号，确定各方格的坐标范围；采集车辆所在进口道编号，转弯方向，到达停车线的预测时刻，输入交叉口所有的车辆通行路径压到的方格以及车辆进入和驶出方格的位置点；
步骤2：建立车辆行驶路径选择模型，建立车辆实际到达停车线时刻的计算模型，建立驶入方格的时刻和驶出方格的时刻的计算模型；
步骤3：确保同一个方格在同一时刻只能被一辆车占用，建立多台车辆占用同一个方格的约束条件公式；
步骤4：以交叉口到达车辆的总延误最小为目标函数，优化获得每辆车的最佳出口车道以及通过交叉口的最佳时刻。
本发明中，步骤1包括如下步骤：
步骤11：用参数o表示交叉口进口道，参数d表示交叉口出口道，参数e,w,s,n分别表示东、西、南、北方向，o∈{e,w,s,n}，d∈{e,w,s,n}；g表示车道上的第g辆车；oi→dj表示车辆从o进口道的第i条车道驶向d出口道的第j条车道，不考虑掉头行驶，因此，在oi→dj中，o≠d；每个进口道包含io条车道，其中io∈{1,2,…,no}，no表示o方向进口道最大车道数，每个出口道包含jd条车道，其中jd∈{1,2,…,md}，md表示d方向出口道最大车道数。车速用参数v表示，考虑车辆在交叉口内部匀速行驶，不能停留。将交叉口分为若干正方形的小方格并进行编号，rpq表示方格r在x轴和y轴对应的编号分别是p，q；建立直角坐标系，采集每辆车压过的方格及进入和驶出方格的位置点，
本发明中，步骤2建立车辆行驶路径选择模型，建立车辆实际到达停车线时刻的计算模型，建立驶入方格的时刻和驶出方格的时刻的计算模型，包含如下步骤：
步骤21：进口道车辆左转和右转，驶出交叉口的方向已知且确定，因此在驶出方向的所有出口道选择一条车道驶出，由公式(1)计算。
公式中，
当车辆为直行且进口道io小于等于出口道车道数jd，即io≤jd时，直行车辆选择的路径由公式(2)计算：
当车辆为直行且进口道io大于出口道jd即io>jd时，进口道比出口道多出的车道上的车辆驶向距离最近的出口道，路径选择由公式(3)计算：
步骤22：o方向的第i条进口道上的第g辆车预测到达停车线的时刻用
第g辆车到达停车线的预测时刻大于等于前一辆车g-1驶离停车线的时刻，即
公式中dv为车辆到交叉口停车线的距离，goi表示一条进口道上的车辆总数。
当g＝1时，即车辆为车道第一辆车时，前方没有等待通行的车辆，此时实际到达停车线的时刻等于预测到达停车线时刻，由公式(5)计算。
步骤23：第g辆车驶入位置点
第g辆车驶入其他位置点的时刻由公式(7)计算：
第g辆车驶出第一个位置点的时刻由公式(8)计算：
第g辆车驶出其他位置点的时刻由公式(9)计算：
本发明中，步骤3确保同一个方格在同一时刻只能被一辆车占用，建立多台车辆占用同一个方格的约束条件公式，具体包括以下步骤：
步骤31：会存在多条不同行驶路径的车辆到达同一个方格rpq，须两两比较车辆到达和驶出方格的时刻，定义到达交叉口所有车辆的集合为g，对于任意一辆车g1,g2∈g，假设车辆g1的路径为(oi→dj)1，车辆g2的路径为(oi→dj)2，对任意的o∈{e,w,s,n}，d∈{e,w,s,n}，i∈{1,2,…,no}，j∈{1,2,…,md}。使用公式(10)和公式(11)可以确保同一个方格在同一时刻只能被一辆车占用。
公式中
本发明中，步骤4以交叉口到达车辆的总延误最小为目标函数，优化获得每辆车的最佳出口车道以及通过交叉口的最佳时刻，具体包括以下步骤：
步骤41：第g辆车的延误由公式(12)计算，延误等于驶离停车线的时刻减去预测到达停车线的时刻。总延误由公式(13)计算，根据总延误最小的公式(14)，及公示(1)-(13)可以确定每辆车在交叉口区域内的最佳路径
min(delay)(14)
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明方法能在自动驾驶车辆在进入交叉口之前确定车辆的通行权和出口车道，确保各进口道车辆安全有序地通过交叉口且总延误最低。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为实施例示意图。
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：
示例：选择城市的典型交叉口为研究对象，在自动驾驶环境下，能获知到达车辆的实时位置、到达停车线的预测时刻，转弯方向，以及所有通行路径在交叉口内部驶入方格的位置和驶出方格的位置。实例中各方向进口道车道数分别为：ne＝ns＝nn＝3、nw＝4；各方向出口道车道数分别为：mw＝ms＝mn＝2、me＝3，交叉口各车道宽度均为3m，设置方格的边长为3m。匀速通过交叉口的速度v＝10m/s。随机生成13辆自动驾驶车辆，优化此13辆车的行驶路径和进入交叉口的最佳时刻。各进口道自动驾驶车辆到达停车线的预测时刻和转弯方向，如图2和表1所示。
表1各进口道自动驾驶车辆到达停车线的预测时刻及转弯方向表
车辆1为直行车辆，行驶过的方格编号、驶入方格的位置点坐标和驶出的方格位置点坐标、车头驶入方格的时刻、车尾驶出方格的时刻，如表2所示。
表2：直行车辆1车头驶入方格的时刻和车尾驶出方格的时刻
车辆2为直行车辆，行驶过的方格编号、驶入方格的位置点坐标和驶出的方格位置点坐标、车头驶入方格的时刻、车尾驶出方格的时刻，如表3所示。
表3：直行车辆2车头驶入方格的时刻和车尾驶出方格的时刻
车辆3为直行车辆，驶过的方格编号，车头驶入方格的时刻和车尾驶出方格的时刻如表4所示。
表4：直行车辆3车头驶入方格的时刻和车尾驶出方格的时刻
车辆4、5、6、7、8为直行车辆，驶过的方格，车头驶入方格的时刻、车尾驶出方格的时刻如表5所示。
表5：直行车辆4、5、6、7、8驶过的方格、车头驶入方格的时刻和车尾驶出方格的时刻
车辆9为左转车辆，出口道有s1,s2可供选择，行驶路径为e2→s1时压过的方格、驶入方格和驶出方格的位置点坐标、驶入方格和驶出方格的时刻如表6所示。
表6：车辆9在路径e2→s1上驶过的方格、驶入方格和驶出方格的位置点坐标、车头驶入方格的时刻和车尾驶出方格的时刻
车辆9在路径e2→s2驶过的方格、驶入方格和驶出方格的位置点坐标，车辆驶入方格和驶出方格的时刻如表7所示。
表7：车辆9在路径e2→s2驶过的方格、驶入方格和驶出方格的位置点坐标、车头驶入方格的时刻和车尾驶出方格的时刻
车辆10为左转车辆，可供选择出口道有n1,n2，当行驶路径为w3→n1时，车辆10压过的方格、驶入方格和驶出方格的位置点坐标、驶入方格和驶出方格的时刻如表8所示，当行驶路径为w3→n1时，如表9所示。
表8：车辆10在路径w3→n1驶过的方格、驶入方格和驶出方格的位置点坐标、车头驶入方格的时刻和车尾驶出方格的时刻
表9：车辆10在路径w3→n2上车辆驶过的方格、驶入方格和驶出方格的位置点坐标及投影到外边界的坐标、车头驶入方格的时刻和车尾驶出方格的时刻
车辆11为右转车辆，出口道有三条车道可供选择，分别是e1,e2,e3，当行驶路径为s1→e1时，驶过的方格、驶入方格和驶出方格的位置点坐标、驶入方格和驶出方格的时刻如表10所示；当行驶路径为s1→e2时如表11所示；当行驶路径为s1→e3时如表12所示。
表10：路径s1→e1驶过的方格、驶入方格和驶出方格的位置点坐标、车头驶入方格的时刻和车尾驶出方格的时刻
表11：路径s1→e2上车辆驶过的方格、驶入方格和驶出方格的位置点坐标、车头驶入方格的时刻和车尾驶出方格的时刻
表12：路径s1→e3车头驶入方格的时刻
车辆12为右转车辆，有三条出口道可供选择，分别是e1,e2,e3。不同行驶路径上车头驶入方格的时刻和车尾驶出方格的时刻如表13所示。
表13：车辆12不同路径上车头驶入方格的时刻和车尾驶出方格的时刻
车辆13为右转车辆，对应出口道有两条车道可选，分别是w1,w2。不同路径上车辆车头驶入方格的时刻和车尾驶出方格的时刻如表14所示。
表14：车辆13不同路径上车头驶入方格的时刻和车尾驶出方格的时刻
根据步骤4中公式(14)和公式(1)-(13)可求出13辆车通过交叉口的总延误最小min(delay)＝15.9s，此时每辆车选择的最佳出口车道及车辆驶离停车线的最佳时刻如表15所示；各进口道车辆预测到达停车线时刻、实际到达停车线的时刻及车辆延误如表16所示，由于车辆均为各进口道第一辆车，前方没有排队车辆，则实际到达时刻等于预测到达时刻。
表15：车辆最佳出口车道选取及车辆驶离停车线的最佳时刻表
表16：各进口道车辆到达停车线的预测时刻、到达停车线的实际时刻及车辆延误表