一种自动驾驶专用相位下的车辆轨迹优化方法与流程

本发明属于智能交通控制领域，涉及城市交叉口车辆通行的运动轨迹的交通控制
技术领域：
，更具体地说，涉及一种自动驾驶专用相位下的车辆轨迹优化方法。
背景技术：
：自动驾驶车辆的技术结构主要包括环境感知和定位、决策规划和执行控制三大模块，具体实现过程是传感器技术和摄像头、gps等技术获取汽车行驶过程中的环境指标，然后经由汽车智能处理器或远程控制中心进行信息融合与处理，规划车辆安全行驶路径与决策车辆跟车、换道、转弯、停车等指令，最后将决策传递给车辆的功能部件，把油门、制动、转向、换挡等指令落实，实现车辆运动。自动驾驶技术从理论与技术层面上已经相当成熟，基本实现在道路上的安全行驶。目前，针对自动驾驶车辆的国内外研究大多存在以下不足：第一，简化车辆的运动轨迹，假设车辆在交叉口路段上匀速行驶，只优化获得车辆进入交叉口的时刻；第二，理想化人工驾驶车辆的运动过程，忽略了自动驾驶车辆可以依靠系统的稳定性，大大缩减了跟驰过程中最小的安全跟车间距，并严格遵守交通规则行驶。在信号灯控制仍然是交叉口交通控制与管理的主流选择的情况下，新增自动驾驶专用相位，限定自动驾驶专用进口车道上只允许自动驾驶车辆行驶，从而实现交叉口所有自动驾驶专用进口车道上车辆自由通行。因此，面向自动驾驶车辆与人工驾驶车辆的混合交通流，基于“绿灯行-红灯停”的车辆通行策略，并充分考虑自动驾驶车辆与人工驾驶车辆的行驶特征的差异性，提出一种自动驾驶专用相位下的车辆轨迹优化方法具有深刻的研究意义。技术实现要素：本发明目的是为了克服上述技术存在的不足，建立一种自动驾驶专用相位下的车辆轨迹优化方法。该方法充分考虑自动驾驶车辆与人工驾驶车辆行驶特征的区别，建立车辆行驶轨迹模型，在自动驾驶专用相位，对自动驾驶专用进口车道上车辆进行协调控制，实现车辆的分类而治，从而有效保障了车辆安全、高效地通过交叉口。技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种自动驾驶专用相位下的车辆轨迹优化方法，包括如下步骤：步骤1：采集交叉口的物理参数，包括交叉口人工驾驶进口车道及自动驾驶专用进口车道、进出口车道数及车道宽度；采集车辆的基本信息，包括车辆当前所在进口车道、位置、速度以及预计转向；采集交叉口各进口车道的信号状态；步骤2：将交叉口划分为轨迹控制区和协调刹车区，建立车辆行驶轨迹模型和自动驾驶车辆冲突分离的协调控制模型；步骤3：以交叉口所有进口车道上的车辆安全、迅速地通过交叉口为优化目标，优化获得车辆行驶轨迹。本发明中，步骤1的采集交叉口环境的物理参数、车辆的基本信息及交叉口信号配时方案，包括如下步骤：步骤1-1：采集交叉口的物理参数，包括自动驾驶专用进口车道及人工驾驶进口车道、进口车道数及出口车道数、各进口车道的车道宽度与各出口车道的车道宽度，用表示交叉口进口方向的进口车道集合，，用表示交叉口出口方向的出口车道集合，，并对进口车道进行编号；步骤1-2：采集车辆的基本信息，包括车辆当前所在进口车道、位置、速度、加速度及预计转向，，其中分别表示左转、直行、右转，用表示交叉口进口车道上车辆的集合，，用表示交叉口人工驾驶进口车道上车辆的集合，，用表示交叉口自动驾驶专用进口车道上车辆的集合，；步骤1-3：采集交叉口各进口车道的信号状态，表示时刻交叉口进口车道信号是绿灯，表示时刻交叉口进口车道信号不是绿灯；本发明中，步骤2的将交叉口划分为轨迹控制区和协调刹车区，建立车辆行驶轨迹模型和自动驾驶车辆冲突分离的协调控制模型，包括如下步骤：步骤2-1：将交叉口进口车道从停车线到距离停车线的范围内划分为轨迹控制区域，进口车道从停车线到距离停车线的范围划分为协调刹车区域；步骤2-2：基于车辆加速度的优化，确定车辆行驶轨迹的位置-速度-加速度的关系，由公式计算(1)-(2)：(1)(2)其中，表示时刻车辆的位置，表示时刻车辆的速度，表示时刻车辆的加速度，表示更新步长；步骤2-3：自动驾驶专用进口车道上的车辆的加速度不小于最大减速度，且不大于最大加速度，由公式计算(3)：(3)其中，表示车辆最大减速度的绝对值，表示车辆的最大加速度步骤2-4：交叉口所有进口车道上的车辆的速度不大于最大速度，由公式计算(4)：(4)其中，表示车辆的最大速度；步骤2-5：确定同一车道上车辆相邻的前车、后车，由公式计算(5)-(8)：(5)(6)(7)(8)其中，表示车辆所在进口车道，表示车辆的前方车辆集合，表示车辆的后方车辆集合；步骤2-6：人工驾驶进口车道上车辆行驶的跟车过程，受同一车道上相邻前车、后车的位置和速度的影响，车辆跟车的加速度由公式计算(9)：其中，表示表示时刻车辆的跟车加速度，、、、表示人工驾驶进口车道上车辆的跟车模型的参数，表示车辆的车身长度，表示同一车道上相邻两台人工驾驶车辆的最小安全跟车距离，表示人工驾驶车辆的紧急反应时间；步骤2-7：在交叉口各进口车道上虚拟一台车辆，表示进口车道上的第一台车辆，其初始时刻的位置及速度由公式计算(10)-(11)；当进口车道信号切换至红灯，车辆的位置及速度由公式计算(12)-(15)；当进口车道信号切换至绿灯，车辆的位置及速度由公式计算(16)-(19)：(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)()()其中，是0-1变量，表示无穷大正数，表示交叉口进口车道上虚拟车辆的集合，表示车辆所在进口车道上停车线的位置，表示时刻车辆所在进口车道信号是绿灯，表示时刻车辆所在进口车道信号不是绿灯；步骤2-8：人工驾驶进口车道上车辆的加速度不小于最大减速度，且不大于最大加速度及车辆跟车速度，由公式计算(20)：(20)步骤2-9：同一车道上相邻的两台车辆之间的间距不小于最小安全跟车间距与紧急反应时间内车辆行驶的路程之和，人工驾驶车辆由公式(21)计算，自动驾驶车辆由公式(22)计算；(21)(22)其中，表示相邻两台自动驾驶车辆的最小安全跟车距离，表示自动驾驶车辆的紧急反应时间；步骤2-10：自动驾驶相位下，已驶入交叉口轨迹控制区、未驶离交叉口的自动驾驶专用进口车道上的车辆，任意时刻，须进行不同自动驾驶专用进口车道上的任意两台车辆的冲突分离的协调控制，即不同自动驾驶专用进口车道上的任意两台车辆到冲突点距离差的绝对值不小于自动驾驶车辆冲突分离的最小安全间距，由公式计算(23)-(25)：(24)(25)其中，和是0-1变量，表示时刻车辆已驶离交叉口，表示时刻车辆未驶离交叉口，表示时刻车辆允许驶入交叉口，表示时刻车辆禁止驶入交叉口，表示时刻车辆已驶入车辆轨迹控制区，表示时刻车辆未驶入车辆轨迹控制区，表示车辆与车辆在交叉口内行驶轨迹的冲突点位置，表示自动驾驶车辆冲突分离的最小安全间距，表示车辆在交叉口内的行驶轨迹，表示车辆与车辆在交叉口内的行驶轨迹存在冲突点，表示车辆驶离交叉口的目标位置，表示车辆所在进口车道上轨迹控制区边界线的位置；步骤2-11：自动驾驶相位下，已驶入交叉口协调刹车区、未驶离交叉口的自动驾驶专用进口车道上的车辆，任意时刻，须进行不同进口车道上的任意两台车辆的冲突分离的协调刹车控制，即不同自动驾驶专用进口车道上的任意两台车辆到冲突点的距离差的绝对值不小于自动驾驶车辆冲突分离的最小安全间距，由公式(26)-(27)计算：(27)其中，和是0-1变量，表示时刻车辆已驶入协调刹车区，表示时刻车辆未驶入协调刹车区，表示时刻车辆需要刹车，表示时刻车辆不需要刹车，表示车辆所在车道的协调刹车区的边界位置；步骤2-12：自动驾驶专用相位下，已驶入交叉口协调刹车区、未驶离交叉口的自动驾驶专用进口车道上的车辆，当车辆需要刹车，则该车辆以最大减速度紧急刹车，且当前时刻无法驶入交叉口，由公式(28)-(29)计算：(28)(29)其中，是0-1变量，表示时刻车辆已驶入交叉口，表示时刻车辆未驶入交叉口；步骤2-13：同一车道上，按照车辆距离停车线的远近依次驶入交叉口，由公式计算(30)-(31)：(30)(31)步骤2-14：当自动驾驶专用车道上的车辆已驶入交叉口，则该车辆当前时刻允许驶入交叉口，当车辆已禁止驶入交叉口，则该车辆当前时刻未驶入交叉口，由公式(32)-(33)计算：(32)(33)步骤2-15：基于“绿灯行-红灯停”的通行规则，当交叉口信号灯切换至红灯时，已驶入交叉口的车辆，继续在交叉口内通行，未驶入交叉口的车辆，则无法驶入交叉口，由公式计算(34)-(35)：(34)(35)其中，是0-1变量，表示时刻车辆所在进口车道的信号是绿灯，表示时刻车辆所在进口车道的信号不是绿灯；本发明中，步骤3的以交叉口所有进口车道上的车辆安全、迅速地通过交叉口为优化目标，优化获得车辆行驶轨迹，包括如下步骤：步骤3-1：交叉口所有进口车道上的车辆安全、迅速地驶离交叉口，即在优化时间内，车辆位置与驶离交叉口的目标位置的距离差之和最小，优化获得车辆行驶轨迹的位置、速度及加速度，由公式计算(36)：(36)与现有技术相比，本发明的有益效果是：面向自动驾驶车辆与人工驾驶车辆混合行驶的交通环境，对交叉口所有进口车道上的车辆进行行驶轨迹的优化，并在自动驾驶专用相位下，对自动驾驶专用车道上的车辆进行冲突分离的协调控制，实现自动驾驶车辆与人工驾驶车辆的混合交通流下交叉口交通控制。附图说明图1为本发明的总体流程图；图2为本发明实施例的应用示意图；图中标号说明：201表示交叉口轨迹控制区，202表示交叉口协调刹车区具体实施方法下面结合示例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。本发明的实施方式并不受所述示例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。实施例1：本发明的一种自动驾驶专用相位下的车辆轨迹优化方法，包括如下步骤：步骤1：采集交叉口的物理参数，包括交叉口人工驾驶进口车道及自动驾驶专用进口车道、进出口车道数及车道宽度；采集车辆的基本信息，包括车辆当前所在进口车道、位置、速度、加速度及预计转向；采集交叉口各进口车道的信号状态；步骤2：将交叉口划分为轨迹控制区和协调刹车区，建立车辆行驶轨迹模型和自动驾驶车辆冲突分离的协调控制模型；步骤3：满足交叉口所有进口车道上的车辆安全、迅速地通过交叉口，优化获得车辆行驶轨迹。实施例2：在实施例1的基础上，步骤1中采集交叉口的物理参数、车辆的基本信息及各进口车道的信号状态，包括如下步骤：步骤1-1：采集交叉口的物理参数，包括自动驾驶专用进口车道及人工驾驶进口车道、进口车道数及出口车道数、各进口车道的车道宽度与各出口车道的车道宽度，用表示交叉口进口方向的进口车道集合，，用表示交叉口出口方向的出口车道集合，，并对进口车道进行编号；步骤1-2：采集车辆的基本信息，包括车辆当前所在进口车道、位置、速度、加速度及预计转向，，其中分别表示左转、直行、右转，用表示交叉口进口车道上车辆的集合，，用表示交叉口人工驾驶进口车道上车辆的集合，，用表示交叉口自动驾驶专用进口车道上车辆的集合，；步骤1-3：采集交叉口各进口车道的信号状态，表示时刻交叉口进口车道信号是绿灯，表示时刻交叉口进口车道信号不是绿灯；本实施例步骤1中所述采集交叉口的物理参数，交叉口进口车道数、，对各进口车道编号，，其中自动驾驶专用进口车道和人工驾驶进口车道，对各出口车道编号，，获取各进口车道宽度均为米、各出口车道宽度均为米，车辆尺寸为；采集交叉口所有进口车道上车辆的基本信息，如表1所示；确定优化更新步长，优化周期为；表1：交叉口所有进口车道上车辆的所在进口车道、位置、速度、加速度及预计转向的基本信息表车辆编号i车辆所在进口车道li位置xi(t0)速度vi(t0)(m/s)加速度ai(t0)(m/s2)预计转向βi185791.871.1l＇265703.480.34l＇345662.241.59s＇415573.371.26s＇535501.5-0.96s＇6125430.24-0.41s＇795322.840.84s＇8155232.33-0.55r＇9165090.751.17r＇1055003.58-0.84r＇1115002.151.48l＇12104780.031.15s＇1354603.431.41l＇14144563.310.11r＇1584502.961.16l＇1644310.90.96r＇17134091.390.89r＇1834003.781.39r＇19143452.561.52r＇20113401.640.69s＇2173251.27-0.67l＇22133211.431.58r＇2363000.431.38l＇2493001.5-0.57s＇25102873.210.21s＇26122693.27-0.16s＇2772311.18-0.79l＇2822000.541.03l＇29161783.78-0.58r＇30111290.36-0.76s＇3121002.041.38s＇3215982.631.22r＇实施例3：在实施例1的基础上，步骤2中将交叉口划分为轨迹控制区和协调刹车区，建立车辆行驶轨迹模型和自动驾驶车辆冲突分离的协调控制模型，包括如下步骤：步骤2-1：将交叉口进口车道从停车线到距离停车线的范围内划分为轨迹控制区域，进口车道从停车线到距离停车线的范围划分为协调刹车区域；步骤2-2：基于车辆加速度的优化，确定车辆行驶轨迹的位置-速度-加速度的关系，由公式计算(1)-(2)：(1)(2)其中，表示时刻车辆的位置，表示时刻车辆的速度，表示时刻车辆的加速度，表示更新步长；步骤2-3：自动驾驶专用进口车道上的车辆的加速度不小于最大减速度，且不大于最大加速度，由公式计算(3)：(3)其中，表示车辆最大减速度的绝对值，表示车辆的最大加速度步骤2-4：交叉口所有进口车道上的车辆的速度不大于最大速度，由公式计算(4)：(4)其中，表示车辆的最大速度；步骤2-5：确定同一车道上车辆相邻的前车、后车，由公式计算(5)-(8)：(5)(6)(7)(8)其中，表示车辆所在进口车道，表示车辆的前方车辆集合，表示车辆的后方车辆集合；步骤2-6：人工驾驶进口车道上车辆行驶的跟车过程，受同一车道上相邻前车、后车的位置和速度的影响，车辆跟车的加速度由公式计算(9)：其中，表示表示时刻车辆的跟车加速度，、、、表示人工驾驶进口车道上车辆的跟车模型的参数，表示车辆的车身长度，表示同一车道上相邻两台人工驾驶车辆的最小安全跟车距离，表示人工驾驶车辆的紧急反应时间；步骤2-7：在交叉口各进口车道上虚拟一台车辆，表示进口车道上的第一台车辆，其初始时刻的位置及速度由公式计算(10)-(11)；当进口车道信号切换至红灯，车辆的位置及速度由公式计算(12)-(15)；当进口车道信号切换至绿灯，车辆的位置及速度由公式计算(16)-(19)：(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)()()其中，是0-1变量，表示无穷大正数，表示交叉口进口车道上虚拟车辆的集合，表示车辆所在进口车道上停车线的位置，表示时刻车辆所在进口车道信号是绿灯，表示时刻车辆所在进口车道信号不是绿灯；步骤2-8：人工驾驶进口车道上车辆的加速度不小于最大减速度，且不大于最大加速度及车辆跟车速度，由公式计算(20)：(20)步骤2-9：同一车道上相邻的两台车辆之间的间距不小于最小安全跟车间距与紧急反应时间内车辆行驶的路程之和，人工驾驶车辆由公式(21)计算，自动驾驶车辆由公式(22)计算；(21)(22)其中，表示相邻两台自动驾驶车辆的最小安全跟车距离，表示自动驾驶车辆的紧急反应时间；步骤2-10：自动驾驶相位下，已驶入交叉口轨迹控制区、未驶离交叉口的自动驾驶专用进口车道上的车辆，任意时刻，须进行不同自动驾驶专用进口车道上的任意两台车辆的冲突分离的协调控制，即不同自动驾驶专用进口车道上的任意两台车辆到冲突点距离差的绝对值不小于自动驾驶车辆冲突分离的最小安全间距，由公式计算(23)-(25)：(24)(25)其中，和是0-1变量，表示时刻车辆已驶离交叉口，表示时刻车辆未驶离交叉口，表示时刻车辆允许驶入交叉口，表示时刻车辆禁止驶入交叉口，表示时刻车辆已驶入车辆轨迹控制区，表示时刻车辆未驶入车辆轨迹控制区，表示车辆与车辆在交叉口内行驶轨迹的冲突点位置，表示自动驾驶车辆冲突分离的最小安全间距，表示车辆在交叉口内的行驶轨迹，表示车辆与车辆在交叉口内的行驶轨迹存在冲突点，表示车辆驶离交叉口的目标位置，表示车辆所在进口车道上轨迹控制区边界线的位置；步骤2-11：自动驾驶相位下，已驶入交叉口协调刹车区、未驶离交叉口的自动驾驶专用进口车道上的车辆，任意时刻，须进行不同进口车道上的任意两台车辆的冲突分离的协调刹车控制，即不同自动驾驶专用进口车道上的任意两台车辆到冲突点的距离差的绝对值不小于自动驾驶车辆冲突分离的最小安全间距，由公式(26)-(27)计算：(27)其中，和是0-1变量，表示时刻车辆已驶入协调刹车区，表示时刻车辆未驶入协调刹车区，表示时刻车辆需要刹车，表示时刻车辆不需要刹车，表示车辆所在车道的协调刹车区的边界位置；步骤2-12：自动驾驶专用相位下，已驶入交叉口协调刹车区、未驶离交叉口的自动驾驶专用进口车道上的车辆，当车辆需要刹车，则该车辆以最大减速度紧急刹车，且当前时刻无法驶入交叉口，由公式(28)-(29)计算：(28)(29)其中，是0-1变量，表示时刻车辆已驶入交叉口，表示时刻车辆未驶入交叉口；步骤2-13：同一车道上，按照车辆距离停车线的远近依次驶入交叉口，由公式计算(30)-(31)：(30)(31)步骤2-14：当自动驾驶专用车道上的车辆已驶入交叉口，则该车辆当前时刻允许驶入交叉口，当车辆已禁止驶入交叉口，则该车辆当前时刻未驶入交叉口，由公式(32)-(33)计算：(32)(33)步骤2-15：基于“绿灯行-红灯停”的通行规则，当交叉口信号灯切换至红灯时，已驶入交叉口的车辆，继续在交叉口内通行，未驶入交叉口的车辆，则无法驶入交叉口，由公式计算(34)-(35)：(34)(35)其中，是0-1变量，表示时刻车辆所在进口车道的信号是绿灯，表示时刻车辆所在进口车道的信号不是绿灯；实施例4：在实施例1的基础上，所述步骤3中以交叉口所有进口车道上的车辆安全、迅速地通过交叉口为优化目标，优化获得车辆行驶轨迹，包括如下步骤：步骤31：交叉口所有进口车道上的车辆安全、迅速地驶离交叉口，即在优化时间内，车辆位置与驶离交叉口的目标位置的距离差之和最小，优化获得车辆行驶轨迹的位置、速度及加速度，由公式计算(1)：(36)在实施例1的基础上，以最大速度、最大加速度与最大减速度进行计算，优化获得车辆行驶轨迹的位置、速度及加速度。当前第1页12