一种自动驾驶环境下的交叉口连接路段车辆编队控制方法

1.本公开属于网联自动驾驶车辆协同控制领域，具体而言涉及一种自动驾驶环境下的交叉口连接路段车辆编队控制方法。


背景技术：

2.随着物联网、大数据、人工智能等技术在交通领域的推广应用，智能交通系统相关技术不断发展，具有网联化、智能化、协同化等特征的智能车路协同系统成为解决当前道路交通安全、提升交通系统通行效率、满足人们个性化需求的重要手段。车辆编队作为车路协同系统中的一个重要技术热点和前沿课题，其效率的提高可以在相当程度上提高车辆在路网中的灵活性、通行效率并减少污染的排放。
3.传统的编队控制方法研究多集中于高速公路及城市交叉口场景，而交叉口连接路段同样作为城市结构化道路中的典型交通场景，对城市道路通行能力有着重要的影响。连接路段处车辆编队的不合理可能会导致相邻交叉口处产生拥堵，甚至引发严重事故。此外，目前的车辆编队方法多研究编队形成、编队保持、编队变换等单一编队行为，较少考虑不同编队行为的有机结合，难以实现车辆编队在交叉口和连接路段的有效衔接。


技术实现要素：

4.本公开正是基于现有技术的上述需求而提出的，本公开要解决的技术问题是提供一种自动驾驶环境下的交叉口连接路段车辆编队控制方法，有效解决了连接路段处车辆编队的不合理可能会导致相邻交叉口处产生拥堵，提高通行效率。
5.为了解决上述问题，本公开提供的技术方案包括：
6.提供了一种自动驾驶环境下的交叉口连接路段车辆编队控制方法，其特征在于，包括：
7.s1根据车辆进入连接路段两车道的顺序对每辆车进行编号；
8.s2车道头车对经过编号的车辆进行队列纵向控制；
9.s3换道车辆向目标车道头车发送换道请求，所述目标车道头车根据当前所有车辆状态信息以及决策策略判断所述换道车辆的插入位置，并向所述换道车辆和原车道头车发送信息，所述原车道为换道车辆换道前所在的车道，所述发送信息包括所述换道车辆的插入位置信息，
10.车道头车进行第一次队列编号变化以及队列纵向控制，所述第一次队列编号变化包括原车道队列编号不变，目标车道队列编号重新编号，包括增加换道车辆后的车辆编号；
11.s4根据贝塞尔曲线规划所述换道车辆期望轨迹，所述换道车辆根据所述期望轨迹横向换道；
12.车道头车进行第二次队列编号变化，所述第二次队列编号变化包括原车道队列编号减少，对剩余车辆进行重新编号；目标车道队列编号不变；
13.s5重复s2-s4步骤，直至所有车辆均在目标车道中完成所述队列纵向控制或达到
迭代次数上限时结束。
14.解决了在连接路段两车队车辆的有序换道，以及由无序状态变为两列以期望速度和期望车间距行驶且分布于目标车道的有序车队有序道。
15.优选的，所述队列纵向控制，包括：s21，将每一个车队中相邻的两辆车划分为一组领航跟随车队，前一组中的跟随车将作为后一组的领航车；s22，头车后的每一辆车分别作为前车的跟随车辆和后车的领航车辆进行队列的协调控制，形成期望的稳定车队；s23，通过pid控制器对队列中的每一辆车进行纵向控制，包括控制车辆的位移、速度和加速度。
16.优选的，所述目标车道头车根据当前所有车辆状态信息以及决策策略判断所述换道车辆的插入位置，包括：根据所述换道车辆的实际位置，以目标车道车队中离所述换道车辆最近的车辆空隙位置作为插入位置；通过选择离所述换道车辆最近的车辆空隙位置作为插入位置，可以提高换道的效率，节约排队等待时间。
17.优选的，所述换道车辆根据所述期望轨迹横向换道，包括：通过pid控制器控制所述换道车辆跟随所述期望轨迹进行横向换道，所述pid控制器的输入量包括通过换道车辆轨迹规划得到的理想横向位置，所述pid控制器的输出量包括换道车辆的实际横向位置；通过对理想横向位置和实际横向位置的差值进行比例、积分和微分算法，得到方向盘转角控制量。
18.与现有技术相比，本公开控制车辆在交叉口连接路段进行合理编队，以车辆目标车道为导向在进入交叉口前对车辆分流并形成有序车队，对于提高交叉口连接路段通行效率以及确保连接路段交通安全有着重要意义。
附图说明
19.为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本公开提供的一种自动驾驶环境下的交叉口连接路段车辆编队控制方法的流程图；
21.图2为车辆编号示意图；
22.图3为换道轨迹及五个控制点分布图。
具体实施方式
23.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
24.在本公开实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
25.具体场景为车辆集群由交叉口出口道进入单向双车道，研究车队如何经过编队控制由速度、车间距和目标车道随机分布的无序状态变为两列以期望速度和期望车间距行驶且分布于目标车道的有序车队，重点解决编队过程中车间距的控制与车辆向目标车道换道的问题。
26.为便于对本技术实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本技术实施例的限定。
27.本实施例提供了一种自动驾驶环境下的交叉口连接路段车辆编队控制方法，如图1所示。
28.所述自动驾驶环境下的交叉口连接路段车辆编队控制方法包括：
29.s1根据车辆进入连接路段两车道的顺序对每辆车进行编号。
30.获取从上个交叉口出口道进入连接路段的车辆参数信息，所述车辆参数信息包括每辆车的初始位置、速度和所在车道。自动驾驶车辆集群在交叉口出口段依次进入连接路段，由于车辆驶出交叉口的时间和速度不同，使得车辆在沿车道线纵向分布上存在前后位置关系，根据车辆进入道路的顺序对每辆车进行标注，时刻输出状态并进行存储。示例性的，车辆编号示意图如图2所示，所有车辆分布在l1和l2车道上，编号后2号车、4号车、6号车以一定的速度与一定的车间距在l1车道上形成一个无序车队，1号车、3号车、5号车以一定的速度与一定的车间距在l2车道上形成一个无序车队。
31.s2、车道头车对经过编号的车辆，进行队列纵向控制。
32.通过pid控制器控制同一车道上所有车辆形成队列，以实现队列的纵向控制。根据队列的控制目标对车队中每辆车的位移、速度及加速度等参数进行控制，这些参数直接作用于车队车间距和稳定性。所述车辆控制目标包括：所有车辆保持相同的速度，且相邻车辆保持相同的期望车距，经上述过程，s1中的两列无序车队经过纵向队列控制后最终形成以期望间距和速度行驶的有序车队。
33.s2的具体实现步骤如下：
34.s21将每一个车队中相邻的两辆车划分为一组领航跟随车队，前一组中的跟随车将作为后一组的领航车。
35.s22控制车队头车车速以期望车速行进。从第一组领航跟随车队开始，控制每一个跟随车辆速度，同时调整跟随车与同组领航车的速度差和二者之间的车间距，形成期望车队。
36.s23通过pid控制器对队列中的每一辆车进行纵向控制，包括控制车辆的位移、速度和加速度。
37.s3换道车辆向目标车道头车发送换道请求，所述目标车道头车根据当前所有车辆状态信息以及决策策略判断所述换道车辆的插入位置，并向所述换道车辆和原车道头车发送信息，所述发送信息包括所述插入位置信息；车道头车进行第一次队列编号变化，并进行队列纵向控制，所述第一次队列编号变化为原车道队列编号不变，目标车道队列编号为增加换道车辆重新编号。
38.对队列中所有车辆的目标车道进行标注，按照车辆编号顺序依次对当前车进行换道判断。具体实现步骤如下：
39.s31换道车辆发送换道请求。换道车辆向目标车道头车发出换道请求，请求加入目
标车道队列，头车收到换道请求后，根据当前所有车辆状态信息以及决策策略判断该车的插入位置，并向换道车辆返回该信息，同时向原车道头车发送该信息。
40.s32选择插入位置。根据换道车辆的实际位置，在目标车道车队中选择离换道车辆最近的车辆空隙插入，同时为换道车辆分配新的队列编号。特别地，设队列行驶方向为正方向，如果换道车辆位于目标车道队列头车的前方，即换道车辆的纵向位置大于目标车道队列头车，则直接换道到头车前方作为目标车道队列的头车，如l2车道的1号车可换道到l1车道的2号车前方成为队列头车；如果换道车辆位于目标车道队列尾车的后方，即换道车辆的纵向位置小于目标车道队列的尾车，则直接换道到尾车后方作为目标车道队列的尾车，如l1车道的6号车可换道到l2车道的5号车后方成为队列尾车。
41.s33纵向车间距调整。目标车道头车对所在本车道的车辆编号基础上增加换道车辆进行重新编号，原车道队列编号不变，队列根据新的编号，对每辆车进行纵向控制，通过pid控制器进行纵向车间距和车速的调整以使得队列相邻两车的车间距达到期望间距，同时实现同一车道内的车辆以相同的期望车速行驶，输出每辆车的加速度控制量，直至队列纵向运动重新恢复稳定状态，为换道做准备。
42.s4根据贝塞尔曲线规划所述换道车辆期望轨迹，所述换道车辆根据所述期望轨迹进行横向换道；车道头车进行第二次队列编号变化，所述第二次队列编号变化为原车道编号在第一次队列编号变化基础上减少换道车辆进行重新编号，目标车道编号在第一次队列编号变化基础上不变。
43.控制最少车辆的运动状态变化对目标车辆进行车辆换道控制行为选择，执行换道行为，形成新队列。具体实现步骤如下：
44.s41采用贝赛尔曲线进行换道轨迹规划，确定期望轨迹。四阶贝赛尔曲线的位置和形状由五个控制点的分布决定，因此需要确定五个控制点p0,p1,p2,p3,p4的位置，换道轨迹及五个控制点分布如图3所示，以p0为坐标原点建立坐标系，车辆纵向行驶方向为x轴正方向，车辆换道横向偏移方向为y轴正方向。设pi的坐标为(xi,yi)，p0和p4分别为车辆换道轨迹的初始位置和终点位置，终点纵向位置位于插入位置前、后车质心连线的中点，横向位置坐标值等于车道宽度，p0p1和p3p4始终与贝赛尔曲线相切，p2的横向位置在车道分界线上，则仅需要确定p1,p2,p3三个控制点的纵向位置坐标x1,x2,x3即可确定五个控制点的位置，x1,x2,x3三个参数可通过对实际车辆换道轨迹数据进行曲线拟合得到，从而确定贝赛尔曲线。
45.s42换道轨迹跟踪。在pid控制器的控制下，目标换道车辆跟随期望轨迹进行横向换道，pid控制器的输入量包括轨迹规划计算出的理想横向位置，输出量包括车辆的实际横向位置，对理想横向位置和实际横向位置的差值进行比例、积分和微分算法，得到方向盘转角控制量，直至换道完成，形成新的队列。
46.s43队列编号调整。原车道队列编号在换道车辆换道前队列编号基础上减少换道车辆进行重新编号，目标车道编号在换道车辆换道前队列编号基础上增加换道车辆重新编号。
47.s5形成新队列后重新进行s2-s4，当所有车辆均位于目标车道并形成两列等速度、等车间距的有序稳定队列时或达到迭代次数上限时算法结束。
48.以上所述的具体实施方式，对本技术的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本技术的具体实施方式而已，并不用于限定本技术
的保护范围，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种自动驾驶环境下的交叉口连接路段车辆编队控制方法，其特征在于，包括：s1根据车辆进入连接路段两车道的顺序对每辆车进行编号；s2车道头车对经过编号的车辆进行队列纵向控制；s3换道车辆向目标车道头车发送换道请求，所述目标车道头车根据当前所有车辆状态信息以及决策策略判断所述换道车辆的插入位置，并向所述换道车辆和原车道头车发送信息，所述原车道为换道车辆换道前所在的车道，所述发送信息包括所述换道车辆的插入位置信息，车道头车进行第一次队列编号变化以及队列纵向控制，所述第一次队列编号变化包括原车道队列编号不变，目标车道队列编号重新编号，包括增加换道车辆后的车辆编号；s4根据贝塞尔曲线规划所述换道车辆期望轨迹，所述换道车辆根据所述期望轨迹横向换道；车道头车进行第二次队列编号变化，所述第二次队列编号变化包括原车道队列编号减少，对剩余车辆进行重新编号；目标车道队列编号不变；s5重复s2-s4步骤，直至所有车辆均在目标车道中完成所述队列纵向控制或达到迭代次数上限时结束。2.根据权利要求1所述的一种自动驾驶环境下的交叉口连接路段车辆编队控制方法，其特征在于，所述车道头车对经过编号的车辆进行队列纵向控制包括：s21划分每一个车队中相邻的两辆车为一组领航跟随车队，前一组中的跟随车将作为后一组的领航车；s22头车后的每一辆车分别作为前车的跟随车辆和后车的领航车辆进行队列的协调控制，形成期望的稳定车队；s23通过pid控制器对队列中的每一辆车进行纵向控制，包括控制车辆的位移、速度和加速度。3.根据权利要求1所述的一种自动驾驶环境下的交叉口连接路段车辆编队控制方法，其特征在于，所述目标车道头车根据当前所有车辆状态信息以及决策策略判断所述换道车辆的插入位置，包括：根据所述换道车辆的实际位置，以目标车道车队中离所述换道车辆最近的车辆空隙位置作为插入位置。4.根据权利要求1所述的一种自动驾驶环境下的交叉口连接路段车辆编队控制方法，其特征在于，所述换道车辆根据所述期望轨迹横向换道，包括：通过pid控制器控制所述换道车辆跟随所述期望轨迹进行横向换道，所述pid控制器的输入量包括通过换道车辆的期望轨迹规划得到的理想横向位置，所述pid控制器的输出量包括换道车辆的实际横向位置；通过对理想横向位置和实际横向位置的差值进行比例、积分和微分算法，得到方向盘转角控制量。

技术总结
本公开涉及一种自动驾驶环境下的交叉口连接路段车辆编队控制方法，根据车辆进入连接路段两车道的顺序对每辆车进行编号，车道头车对经过编号的车辆进行队列纵向控制，换道车辆向目标车道头车发送换道请求，所述目标车道头车根据当前所有车辆状态信息以及决策策略判断所述换道车辆的插入位置，并向所述换道车辆和原车道头车发送信息，车道头车进行第一次队列编号变化并进行队列纵向控制，根据贝塞尔曲线规划所述换道车辆期望轨迹，车道头车进行第二次队列编号变化，重复以上步骤直至所有车辆均在目标车道中完成所述队列纵向控制或达到迭代次数上限时结束。有效解决了连接路段处车辆编队的不合理可能会导致相邻交叉口处产生拥堵，提高通行效率。提高通行效率。提高通行效率。


技术研发人员：刘淼淼 魏泽平 李蓬睿
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2022.11.29
技术公布日：2023/6/27