基于V2X通信的信号灯路口智能通行系统的制作方法

本发明涉及一种信号灯路口智能通行方法，具体地涉及一种用于自动驾驶车辆的基于v2x通信的信号灯路口智能通行系统及方法。

背景技术

随着汽车电子化的发展，自动驾驶技术逐渐趋于成熟。由于城市的道路、交通和环境的复杂性，相比封闭区域和高速公路而言，城市自动驾驶在应用场景上更为复杂，技术开发上难度更高。

当前车辆数量剧增，使得交通拥堵，车辆应用场景复杂，交通安全与效率等问题愈发严重。随着通信技术的发展，基于专用短距离通信(dsrc)及移动蜂窝通信(3g/4g)技术的“车-x”(x-车、路、人、云，简称v2x)系统为解决交通安全与能效问题提供了新的技术手段。

自动驾驶车辆在城市道路行驶时，不可避免的会通过有信号灯的交叉路口。当车辆遇到该情形时，装配有基于v2x通信的信号灯路口智能通行系统的车辆会通过v2x获取信号灯信息，并控制车辆安全自主地通过信号灯路口。该系统确保自动驾驶车辆在城市有信号灯路口的正常通行，使车辆提前进行行为决策与控制，有效提升自动驾驶汽车的通行效率。本发明由此而来。

技术实现要素：

为了解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种用于自动驾驶车辆的基于v2x通信的信号灯路口智能通行系统，根据基础设施状态使用v2x通信获取信号灯信息，并根据信号灯状态控制车辆按照交通规则行驶，完善了城市自动驾驶/辅助驾驶功能，提升了路口通行效率，确保车辆安全、智能、高效地通过信号灯路口。

本发明的技术方案是：

一种基于v2x通信的信号灯路口智能通行系统，包括：

信号灯数据采集模块，采集信号灯的状态信息，包含一个路口各方向上的信号灯id、当前颜色、剩余时间、红绿灯时长；

v2x通信路侧系统，将信号灯数据采集模块采集的信号灯相关信息发送至云端数据通信平台；

云端数据通信平台，用于与v2x通信路侧系统和v2x通信车载系统进行数据交互，云端数据通信平台加载各个信号灯路口的地图信息，将从v2x通信路侧系统获取的信号灯信息与对应路口的地图数据进行融合；根据v2x通信车载系统发送的车辆位置、航向角信息判断车辆的运动状态，向v2x通信车载端发送车辆运动前方目标路口的信号灯的相关信息；

v2x通信车载系统，接收云端数据通信平台发送的前方路口的信号灯信息，并发送至车载控制器；

车载控制器，用于接收信号灯信息和获取环境感知信息，根据获取的信号灯相位和配时信息进行行为决策与控制。

本发明还公开了一种基于v2x通信的信号灯路口智能通行方法，包括以下步骤：

(1)车载控制器实时检测车辆速度、经纬度、航向角信息，并结合高精地图，根据自车速度判断是否即将通过信号灯路口，在距离路口停止线一定距离d0时，开启路口智能通行系统；

(2)云端数据通信平台接收到该车辆路口智能通行系统开启的标志，根据车辆当前的运动信息，选取地图上对应的即将通过的路口的信号灯信息，通过v2x通信车载系统发送至车载控制器；

(3)车载控制器根据车辆的目标运动轨迹，结合收取的前方路口的信号灯信息，选择对应的信号灯相位和配时；

(4)在车辆运动至路口停止线的过程中，根据当前车辆运动信息和前方信号灯信息调节车辆下一时刻的运动状态，制定通行策略；

(5)车载控制器控制车辆按照决策的输出通过信号灯。

优选的技术方案中，所述步骤(3)中信号灯对应数据选取时，计算规划路径道路点与路口停止线的距离，将距离小于设定距离内的点保存；

在保存点内选取曲率绝对值最大的点，根据该曲率点与左转、右转限制阈值的关系，确定选择左转、直行或右转信号灯的对应信息；

若车辆前方安全时距内无运动车辆，则车辆在路口智能通行系统开启时开始减速，直至减速至安全速度vs，若车辆前方安全时距内有运动车辆，先根据安全时距确定本车速度，再根据信号灯信息确定车辆能否通过信号灯。

优选的技术方案中，车辆自路口智能通行系统开启时至行驶至停止线过程中，若信号灯为红灯时：若红灯剩余时长≥ttr时，车辆减速停止，等待绿灯通行；若tn≤红灯剩余时长＜ttr，车辆减速行驶至停止线，灯变绿时通过；若红灯剩余时长＜tn，车辆原速行驶至停止线，信号灯变绿时通过。其中，tr为红灯最大时长；tg为绿灯最大时长；tn为可匀速通过路口时长；ttr为红灯时可减速通过时长；ttg为绿灯时可加速通过时长；

若信号灯为绿灯时：若绿灯剩余时长＞tn，原速直接通行；若ttg＜绿灯剩余时长≤tn，车辆原速行驶到停止线时，根据车辆是否越过停止线及信号灯是否变黄，通过路口；若绿灯剩余时长≤ttg，车辆减速停止，等待绿灯通行；

若信号灯为黄灯时：车辆减速停止，等待绿灯通行。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、根据基础设施状态使用v2x通信获取信号灯信息，并根据信号灯状态控制车辆按照交通规则行驶，完善了城市自动驾驶/辅助驾驶功能，提升了路口通行效率，确保车辆安全、智能、高效地通过信号灯路口。

2、该系统确保自动驾驶车辆在城市有信号灯路口的正常通行，使车辆提前进行行为决策与控制，有效提升自动驾驶汽车的通行效率。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明基于v2x通信的信号灯路口智能通行系统的原理框图；

图2为本发明基于v2x通信的信号灯路口智能通行方法的流程图；

图3为信号灯路口智能通行策略示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例：

下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步说明。

本发明提出一种基于v2x通信的信号灯路口智能通行系统，即路口智能通行系统，尤其适用于自动驾驶车辆，自动驾驶车辆在城市道路行驶时，不可避免的会通过有信号灯的交叉路口。当车辆遇到该情形时，装配有基于v2x通信的车辆自动通过信号灯路口智能通行系统的车辆会通过v2x获取信号灯信息，并控制车辆安全自主地通过信号灯路口。该系统确保自动驾驶车辆在城市有信号灯路口的正常通行，使车辆提前进行行为决策与控制，有效提升自动驾驶汽车的通行效率。如图1所示，主要包含信号灯数据采集模块、v2x通信路侧端、云端数据通信平台、v2x通信车载端、其它传感器模块、车载控制器和车辆。

该系统各模块的作用如下所述：

1、信号灯数据采集模块

信号灯数据采集模块采集信号灯的状态信息，包含一个路口各个方向上的信号灯id、当前颜色(红黄绿)、剩余时间、红绿灯时长。信号灯数据采集频率为1hz。

2、v2x通信路侧系统

v2x通信路侧系统将信号灯数据采集模块采集的信号灯相关信息发送至云端数据通信平台。

3、云端数据通信平台

用于路侧系统与车载系统的数据交互。云端数据通信平台加载各个信号灯路口的地图信息，将从路侧系统获取的信号灯信息与对应路口的地图数据进行融合；同时，平台根据车载系统发送的车辆位置、航向角等信息，随时根据车辆的运动状态进行判断，向v2x通信车载端发送车辆运动前方即将通过的目标路口信号灯的相关信息。

4、v2x通信车载系统

接收云端数据通信平台发送的前方路口的信号灯信息，并发送至车载控制器。

5、车载控制器

车载控制器模块由主控芯片及其外围电路和用于信号灯通行的软件组成，用于接收v2x通信模块获取的信号灯信息，以及其它传感器模块获取的环境感知信息。根据获取的信号灯相位和配时信息，使搭载路口智能通行系统的车辆可以提前进行行为决策与控制，有效提高车辆通行效率。

6、其它传感器模块

其它传感器模块包含gps或其它高精定位模块，视觉感知模块，激光雷达，毫米波雷达等模块，用于进行车辆定位、障碍物检测等环境感知，是路口智能通行系统的安全基础。

7、车辆

车辆发送自身状态信息至车载控制器，作为控制器进行决策的输入之一；另外反向接收车载控制器输出的控制命令，按照决策输出控制车辆智能通过信号灯路口。

该系统的工作步骤如下所述，详见图2：

(1)车载控制器模块实时读取gps或其它高精定位模块检测到的车辆速度、经纬度、航向角等信息，并结合高精地图，根据自车速度判断是否即将通过信号灯路口，在距离路口停止线一定距离d0时(该距离取决于当前车速)，开启路口智能通行系统；

(2)云端数据通信平台接收到该车辆路口智能通行系统开启的标志，根据车辆当前的运动信息，选取地图上对应的即将通过的路口的信号灯信息，通过v2x通信车载端发送至车载控制器；

(3)车载控制器根据车辆的目标运动轨迹，结合收取的前方路口的信号灯信息，选择对应的信号灯相位和配时(选择左转、直行或右转)，作为路口智能通信系统决策的依据；

(4)在车辆运动至路口停止线的过程中，时刻根据当前车辆运动信息和前方信号灯信息调节车辆下一时刻的运动状态，根据实际情形，制定不同的通行策略；

(5)车载控制器控制车辆按照决策的输出智能通过信号灯。

基于v2x的车辆自动通过信号灯路口控制方法包括以下步骤：

步骤1：在距离路口停止线一定距离d0时，开启智能通过信号灯系统。

对于行车过程中的车距要求，参考《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》第八十条规定：机动车在高速公路上行驶，车速超过每小时100公里时，应当与同车道前车保持100米以上的距离；车速低于每小时100公里时，与同车道前车距离可以适当缩短，但最小距离不得少于50米。依据此规定，并考虑城市交叉路口工况，制定表1(获取信号灯信息的距离)。

tn:在行驶速度vn下，可匀速通过有信号灯路口的时长。其取值依赖于dn和vn：

表1获取信号灯信息的距离

步骤2：云端数据通信平台接收到该车辆路口智能通行系统开启的标志，根据车辆当前的运动信息，选取地图上对应的即将通过的路口的信号灯信息，通过v2x通信车载端发送至车载控制器；

步骤3：车载控制器根据车辆的目标运动轨迹，结合收取的前方路口的信号灯信息，选择对应的道路前方停止线，信号灯相位和配时。信号灯对应数据选取时，计算规划路径道路点与路口停止线的距离，将距离小于一定距离内的点保存；

步骤4：信号灯对应数据选取时，在保存点内选取曲率绝对值最大的点。然后根据该曲率点与左转、右转限制阈值的关系，确定选择左转、直行或右转信号灯的对应信息。判定方法详见图2；

步骤5：如若车辆前方安全时距内无车辆，则车辆在智能通过信号灯系统开启时开始减速，直至减速到稳定且便于在停止线之前制动的安全速度vs；

步骤6：如图3所示，根据步骤5判定，车辆自智能通过信号灯系统开启时至行驶至停止线过程中，信号灯为红灯时：红灯剩余时长≥ttr时，车辆减速停止，等待绿灯通行；tn≤红灯剩余时长＜ttr，车辆减速至较低速度行驶，行驶到停止线前信号灯变绿，低速通过；红灯剩余时长＜tn，车辆原速行驶至停止线时，信号灯变绿，直接通行；

其中，tr为红灯最大时长；tg为绿灯最大时长；tn为可匀速通过时长；ttr为红灯时可减速通过时长；ttg为绿灯时可加速通过时长；

步骤7：如图3所示，根据步骤5判定，车辆自智能通过信号灯系统开启时至行驶至停止线过程中，信号灯为绿灯时：绿灯剩余时长＞tn，原速直接通行；ttg＜绿灯剩余时长≤tn，车辆原速行驶到停止线时，信号灯会变黄，此时需要在遵守交通规则(限速条件)的前提下加速通过信号灯；绿灯剩余时长≤ttg，车辆尚未(刚刚)行驶至停止线，信号灯就会变为黄灯，此时车辆无法按照交通规则通过信号灯。此时，车辆应减速停止，等待绿灯通行；

步骤8：如图3所示，根据步骤5判定，车辆自智能通过信号灯系统开启时至行驶至停止线过程中，信号灯为黄灯时：车辆减速停止，等待绿灯通行；

步骤7：假设v2x通信正常，若前方有运动车辆，则先根据安全时距确定本车速度，再根据信号灯信息确定车辆能否通过信号灯，参考步骤6～步骤8。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。