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      基于車路協(xié)同的無信號交叉口協(xié)調(diào)控制策略

      2022-03-08 04:45:12侯敘良陳志軍
      青島理工大學(xué)學(xué)報 2022年1期
      關(guān)鍵詞:沖突點停車線緩沖區(qū)

      侯敘良,黃 珍,陳志軍

      (1.武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院,武漢 430070;2.武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心,武漢 430063)

      交叉路口作為城市交通道路網(wǎng)重要的組成部分,是連接不同方向道路的節(jié)點,在城市交通中起著至關(guān)重要的作用。據(jù)統(tǒng)計,40%的交通事故發(fā)生在交叉路口,其中約7成發(fā)生在無信號燈交叉口,且嚴(yán)重程度高于信號燈交叉口。因此,提高無信號交叉口的通行安全,減少交通事故,是世界各國學(xué)者都在研究的重點方向。

      近年來,隨著一系列技術(shù)的發(fā)展,包括傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、智能車輛技術(shù)等,車路協(xié)同技術(shù)成為了智能交通領(lǐng)域的研究熱點。文獻(xiàn)[1]基于車路信息交互,建立了多車沖突消解模型,通過判斷和評估交叉口的車車沖突情況,調(diào)節(jié)車輛速度,改變車輛抵達(dá)交叉口的狀態(tài),避免交通事故的發(fā)生。但其主要是通過已建立的無信號交叉口通行規(guī)則確定車輛的優(yōu)先權(quán)級別,并未考慮到路口的通行效率。文獻(xiàn)[2]通過獲取進(jìn)入路口的各個車輛的狀態(tài)信息,預(yù)測車輛在路口發(fā)生的潛在沖突,并為每個車輛計算出避免沖突的目標(biāo)速度,保證車輛安全通過路口。但并未考慮到車輛行駛過程中軌跡的舒適性與平滑性。文獻(xiàn)[3]在為車輛分配通行時隙的基礎(chǔ)上,判斷了車輛的速度控制曲線是否存在,并在多約束條件下,通過三段控制模式完成對車輛的控制。但此過程在車輛較多的情況下,求解的復(fù)雜度會很高。

      在此基礎(chǔ)上,本文設(shè)計一種基于“沖突點占用”的交叉口車輛協(xié)同控制策略,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和求解算法,對個體車輛的行駛過程進(jìn)行完全控制,保證了車輛行駛中軌跡的舒適性與平滑性,提高了路口的通行效率。

      1 基于車路協(xié)同的交叉口車輛協(xié)調(diào)系統(tǒng)框架

      交通沖突是指2個或多個車輛在時空上相互接近,運動狀態(tài)不調(diào)整導(dǎo)致碰撞的現(xiàn)象[4-5]??紤]圖1所示的交叉口,有4個沖突點,分別編號為0—3。對于相對應(yīng)的入口車道而言,當(dāng)i車道的車輛為右轉(zhuǎn)時,占用沖突點的編號為i;直行時占用沖突點編號為i,(i+1)4;左轉(zhuǎn)時占用沖突點的編號為i,(i+1)4和(i+2)4,符號“”表示整除,如圖2所示。

      圖1 十字路口示意

      圖2 車輛占用沖突點示意

      針對圖1所示的交叉口,設(shè)計了由車載單元和路側(cè)單元組成的交叉口協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),見圖3。車輛進(jìn)入路側(cè)單元通信范圍內(nèi),會周期向路側(cè)單元發(fā)送運行狀態(tài)信息,包括車輛位置、速度等[6]。路側(cè)單元在接收和處理車輛信息后,會根據(jù)協(xié)調(diào)算法,決策出最優(yōu)通行策略,并發(fā)送控制命令控制車輛的駕駛行為。

      圖3 交叉口協(xié)調(diào)系統(tǒng)框架

      為保證系統(tǒng)的正常運行,作出如下假設(shè):

      1) 車輛在直行通過路口過程中,無行人和非機動車干擾[7]。

      2) 車輛進(jìn)入交叉口通信范圍前為勻速行駛,且進(jìn)入通信范圍后不允許進(jìn)行換道。

      3) 車輛在行駛過程中和路側(cè)設(shè)備通信正常,無延遲和丟包現(xiàn)象。

      2 車路協(xié)同環(huán)境下路口協(xié)同控制模型

      2.1 分區(qū)控制

      為充分利用路側(cè)設(shè)備的通信范圍,更好地控制車輛的運動[8],本文將交叉口的路段分為3個區(qū),如圖4所示,即:

      1) 自由區(qū):車輛未進(jìn)入路口的通信范圍,不接收交叉口控制中心的命令,自主行駛的區(qū)域。

      2) 緩沖區(qū):車輛進(jìn)入路口的通信范圍,接收交叉口控制中心的命令,在到達(dá)交叉口停車線前調(diào)整自身速度的路段。

      3) 核心區(qū):考慮到交叉口內(nèi)部通車情況復(fù)雜,車輛速度發(fā)生變化會導(dǎo)致計算復(fù)雜度的增加。因此,為運算方便,在核心區(qū)內(nèi)車輛速度保持不變,進(jìn)行勻速運動。

      車輛進(jìn)入緩沖區(qū)后,會向路口控制中心發(fā)送自身的實時狀態(tài)信息S0(v0,t0);路口控制器在接收到車輛信息后,先進(jìn)行信息處理,然后判斷車輛是否產(chǎn)生沖突,若存在沖突則為車輛分配通行順序,重新為車輛規(guī)劃軌跡,發(fā)送控制命令給車輛,保證車輛進(jìn)入核心區(qū)狀態(tài)為S1(v1,t1)。

      2.2 車輛調(diào)度

      沖突點在任何時刻只能被獨占[9],這里以沖突點0為例進(jìn)行分析,見圖5。車輛1抵達(dá)沖突點(Conflict Point)0和離開沖突點0的時刻分別為t011和t012,車輛2抵達(dá)沖突點0和離開沖突點0的時刻分別為t021和t022。若兩車存在交通沖突,則其占有沖突點0的時間存在相交,見圖6。

      圖5 路口車輛沖突示意

      圖6 沖突點占用時空

      在此基礎(chǔ)上,定義編號為n的車輛對沖突點i的占用時間為TO(i,n)=[ts,te],ts和te分別表示編號為n的車輛對沖突點占用開始和結(jié)束的時刻。為避免車輛沖突,車輛對同一沖突點的占用時間應(yīng)確保不會產(chǎn)生相交。定義車輛p在通行交叉口時,其軌跡上經(jīng)過j個沖突點,則車輛p對沖突點的占用時間為

      TVO(p)=TO(1,p)∪TO(2,p)∪…∪TO(j,p)

      (1)

      式中:TVO(j)為車輛p對沖突點j的占用時間。

      對沖突點j而言,其占用時間為

      TCO(j)=TO(j,1)∪TO(j,2)∪…∪TO(j,i)

      (2)

      式中:TCO(i)為沖突點j上編號為i的車輛所占用的時間。

      為保證車輛盡快安全通行,即車輛通過交叉口的時間最小,選取目標(biāo)函數(shù)為

      (3)

      通過調(diào)整車輛i進(jìn)入核心區(qū)的狀態(tài),可以確定車輛i通過交叉口的時間,進(jìn)而計算出車輛總通行時間,具體算法流程如下。

      步驟1:初始化,令車輛抵達(dá)交叉口停車線最短時間tmin=+∞,所有車輛離開交叉口的時間Z=+∞。

      步驟2:計算tmin。

      步驟3:確定當(dāng)前車輛p的占用時間TVO(p),更新TCO和TO。

      步驟4:根據(jù)先來先到原則,為后面車輛分配通行時隙[ts,te],計算進(jìn)入核心區(qū)的時刻t。

      步驟5:在時間集合[t,t+T,t+2T,t+3T,…,t+9T]中采樣不同時刻的狀態(tài),通過章節(jié)2.3確定最優(yōu)軌跡,其中T=0.05 s。若該軌跡滿足約束條件,則確定TVO,TCO和TO;否則令t=t+Δt,再進(jìn)行對軌跡的求解,其中Δt=0.5 s。

      步驟6:循環(huán)進(jìn)行步驟4和5,直至所有車輛都被分配好通行策略,算法結(jié)束。

      當(dāng)同一時刻有多輛車進(jìn)入緩沖區(qū)時,可采用枚舉法或遺傳算法進(jìn)行組合優(yōu)化。

      2.3 車輛軌跡重規(guī)劃

      車輛在緩沖區(qū)進(jìn)行速度調(diào)整,完成從狀態(tài)S0(v0,t0)到狀態(tài)S1(v1,t1)的轉(zhuǎn)變。對車輛而言,為保證底層控制器順利執(zhí)行路口控制器的控制命令,在緩沖區(qū)行駛時的加速度和軌跡曲率關(guān)于時間的一階微分應(yīng)確保連續(xù)。因此,本文采用五次多項式描述車輛的軌跡。

      s(t)=c0+c1t+c2t2+c3t3+c4t4+c5t5

      (4)

      設(shè)定車輛進(jìn)入緩沖區(qū)時,初始位置為0,則狀態(tài)為[0v00],進(jìn)入交叉口的狀態(tài)為[lv10],其中l(wèi)為車輛距交叉口停車線的長度。當(dāng)路口控制器確定車輛始末運動狀態(tài)時,便可以代入2個時刻的狀態(tài),對整個運動過程進(jìn)行求解,得到五次多項式模型:

      ξt(t)=M1(t)c012+M2(t)c345

      (5)

      (6)

      (7)

      對應(yīng)本文的場景,選擇的質(zhì)量評估目標(biāo)函數(shù)為

      (8)

      式中:C為質(zhì)量評估目標(biāo)函數(shù);kj為舒適度的權(quán)重系數(shù);ji為第i時刻的加速度一階微分;ks為軌跡行為的權(quán)重系數(shù)。

      圖7 軌跡評估示意

      由于車輛的運動、動力學(xué)特性都存在極限,在完成所有備選軌跡的損失計算后需進(jìn)行軌跡檢查,過濾掉不符合制動限制的軌跡,本文場景所檢查內(nèi)容包括:

      3 仿真實驗及結(jié)果分析

      圖8 十字路口交通場景

      為了驗證該算法的正確性和有效性,本文通過PreScan和Matlab/Simulink搭建一個雙向兩車道十字路口的仿真環(huán)境[10],如圖8所示。

      具體實驗設(shè)置如下:

      1) 道路寬度為3.5 m,交叉口停車線至中心的距離為6.25 m,最大轉(zhuǎn)彎半徑為40 m。

      2) 路側(cè)設(shè)備通信范圍為100 m,通信頻率為20 Hz。

      3) 車輛均為BMW_X5,在自由區(qū)完成速度調(diào)整,保證進(jìn)入緩沖區(qū)速度為7.5 m/s。

      3.1 工況一

      車輛1自西向東行駛,車輛2自南向北行駛。由圖9可以看出,若兩車按原定計劃行駛,則在t=18.75 s時發(fā)生碰撞。若按照交叉口協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行調(diào)控,車輛2先通過沖突點0,車輛1在t=19.5 s抵達(dá)交叉口停車線,則可避免產(chǎn)生沖突。

      圖9 兩車控制前后所在位置對比

      整個控制過程中,車輛1實現(xiàn)了“減速—加速”的速度調(diào)整過程,車輛2保持勻速行駛。由圖10可以看出,經(jīng)過控制之后,車輛1在緩沖區(qū)進(jìn)行了速度調(diào)速,軌跡發(fā)生變化,進(jìn)入路口前與車輛2保持了安全距離。

      圖10 車輛1調(diào)速前后運行狀態(tài)

      3.2 工況二

      車輛1自西向東行駛,車輛2自南向北行駛,車輛3自東向西行駛。由圖11可以看出,若3輛車按原定計劃行駛,則在t=18.75 s時發(fā)生碰撞。若按照交叉口協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行調(diào)控,車輛1,3先分別通過沖突點3,0和1,2,車輛2在t=20.2 s抵達(dá)交叉口停車線,則可避免產(chǎn)生沖突。

      圖11 三車控制前后所在位置對比

      整個控制過程中,車輛1,3保持勻速行駛,車輛2實現(xiàn)了“減速—加速”的速度調(diào)整過程。由圖12可以看出,經(jīng)過控制后,車輛2在緩沖區(qū)進(jìn)行了速度調(diào)整,軌跡發(fā)生變化,進(jìn)入路口前與車輛1,3保持了安全距離。

      3.3 工況三

      車輛1自西向東行駛,車輛2自南向北行駛,車輛3自東向西行駛,車輛4自北向南行駛。由圖13可以看出,若4輛車按原定計劃行駛,則在t=18.75 s時發(fā)生碰撞。若按照交叉口協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行調(diào)控,車輛2,4先分別通過沖突點0,1和2,3,車輛1,3在t=20.2 s抵達(dá)交叉口停車線,則可避免產(chǎn)生沖突。

      圖12 車輛2調(diào)速后運行狀態(tài)

      圖13 四車控制前后所在位置對比

      整個控制過程中,車輛1,3實現(xiàn)了“減速—加速”的速度調(diào)整過程,車輛2,4保持勻速行駛。由圖14可以看出,經(jīng)過控制之后,車輛1,3在緩沖區(qū)進(jìn)行了速度調(diào)整,軌跡發(fā)生變化,進(jìn)入路口前和車輛2,4保持了安全距離。

      圖14 車輛1,3調(diào)速后運行狀態(tài)

      從3組實驗結(jié)果可以看出,通過路口控制器對車輛進(jìn)行完全控制,避免了車輛沖突的產(chǎn)生,保證了車輛行駛軌跡的舒適性和平滑性,提高了交叉口的通行效率。

      4 結(jié)論

      針對無信號燈交叉口車輛沖突問題,本文設(shè)計了基于“沖突點占用”的交叉口協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),充分利用了路側(cè)設(shè)備的通信范圍及頻率,實現(xiàn)對車輛的完全控制。通過車輛調(diào)度算法決策出最優(yōu)通行策略,并利用五次多項式擬合軌跡曲線,保證了車輛在行駛過程中軌跡的舒適性及平滑性,避免車輛發(fā)生沖突,提高路口的通行效率,適合于車輛運行精度高的交叉口協(xié)調(diào)。

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