本發(fā)明屬于車路協(xié)同/智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于車路協(xié)同環(huán)境通過(guò)車輛編隊(duì)控制從而保障車輛行駛安全，提高道路通行能力的控制方法及裝置。

背景技術(shù)：

隨著智能交通和車路協(xié)同技術(shù)的不斷發(fā)展，先進(jìn)的信息采集、信息交互技術(shù)的發(fā)展使實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)融合成為了可能，這些均促進(jìn)了智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)和車輛駕駛系統(tǒng)的發(fā)展。在無(wú)線通信環(huán)境下，智能網(wǎng)聯(lián)汽車可以更容易地感知和獲取周圍的環(huán)境和車輛信息，并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車路信息融合與協(xié)同控制。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車是具有先進(jìn)的短程無(wú)線通信與互聯(lián)網(wǎng)接入功能的智能化車輛，智能網(wǎng)聯(lián)汽車可以實(shí)時(shí)采集自車狀態(tài)信息及絕對(duì)位置，并對(duì)鄰車的行駛信息及周邊環(huán)境信息進(jìn)行獲取。通過(guò)算法分析將駕駛指令傳達(dá)給駕駛員并運(yùn)用無(wú)線通信技術(shù)將駕駛意圖發(fā)送給周邊車輛，具有網(wǎng)聯(lián)化和智能化的特點(diǎn)。

車路協(xié)同系統(tǒng)是具有全時(shí)空動(dòng)態(tài)采集、融合交通信息功能并能夠與道路協(xié)同配合對(duì)車輛進(jìn)行安全指導(dǎo)控制的系統(tǒng)。通過(guò)無(wú)線通信手段實(shí)時(shí)采集道路、車輛數(shù)據(jù)并根據(jù)內(nèi)置算法對(duì)駕駛員提供全程動(dòng)態(tài)的危險(xiǎn)信息警示、駕駛建議指導(dǎo)等功能。從而實(shí)現(xiàn)人車路協(xié)同工作，對(duì)形成安全、高效的交通環(huán)境有很大的促進(jìn)作用。

車輛編隊(duì)控制系統(tǒng)具體指車輛能夠按照規(guī)定車間距、車速以隊(duì)列形式行駛并可根據(jù)指令完成特定駕駛動(dòng)作的控制系統(tǒng)。通過(guò)編隊(duì)控制，能夠有效提高道路車輛密度，主動(dòng)控制車輛避免避撞，減少不必要的提速和剎車。對(duì)增加交通可控性、提高道路安全性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排有很大的作用。

從目前車輛駕駛系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀可知，現(xiàn)有駕駛輔助系統(tǒng)大多只能通過(guò)單一傳感器識(shí)別危險(xiǎn)信息并進(jìn)行預(yù)警，并不能對(duì)于不同場(chǎng)景下的駕駛行為進(jìn)行有效地判別與合理分析，也不能為駕駛員提供全程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的指導(dǎo)。同時(shí)對(duì)于所獲取的車輛數(shù)據(jù)利用嚴(yán)重不足，系統(tǒng)并不能通過(guò)多元信息的融合使得車輛獲取更安全的行駛保障，亦不能通過(guò)數(shù)據(jù)分析為道路交通運(yùn)行優(yōu)化提供更為有效地指導(dǎo)。對(duì)于車輛編隊(duì)算法，大多只以前車為參考目標(biāo)，只基于車間距、車速兩種信息進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法較為簡(jiǎn)單。且沒(méi)有從整體考慮，未能利用車路協(xié)同的技術(shù)優(yōu)勢(shì)來(lái)獲取更為全面的交通信息，不能使交通運(yùn)行效率達(dá)到最大化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上相關(guān)技術(shù)不足，本發(fā)明利用車路協(xié)同技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合多源交通數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)出智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制方法及裝置，為車輛提供及時(shí)、精確地駕駛指導(dǎo)控制，保障車輛運(yùn)行安全，提高道路運(yùn)行效率。具體采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明控制方法包括如下步驟：

(1)將城市信號(hào)交叉口路段劃分為自由行使區(qū)域、緩沖區(qū)域和編隊(duì)區(qū)域，車輛在緩沖區(qū)域內(nèi)建立車車/車路無(wú)線通信，車輛進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域后進(jìn)行車速調(diào)節(jié)控制；

(2)判斷領(lǐng)航車到達(dá)編隊(duì)區(qū)域時(shí)前方信號(hào)燈的狀態(tài)：若前方信號(hào)燈為綠燈且綠燈剩余時(shí)間足夠領(lǐng)航車通過(guò)交叉口，或前方信號(hào)燈為紅燈且領(lǐng)航車到達(dá)交叉口時(shí)能夠不停車通過(guò)交叉口，進(jìn)入步驟(3)；若前方信號(hào)燈為綠燈且剩余綠燈時(shí)間不夠領(lǐng)航車通過(guò)交叉口，或前方信號(hào)燈為黃燈，或前方信號(hào)燈為紅燈且領(lǐng)航車到達(dá)交叉口時(shí)不能通過(guò)交叉口，進(jìn)入步驟(4)；

(3)若g(0)≧l/vl0，則領(lǐng)航車先保持當(dāng)前速度運(yùn)行，進(jìn)入步驟(3.1)；若g(0)<l/vl0，進(jìn)入步驟(3.2)；其中g(shù)(0)為領(lǐng)航車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)剩余綠燈時(shí)間，l為編隊(duì)區(qū)域長(zhǎng)度，vl0為領(lǐng)航車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域的速度，vf為車輛所能達(dá)到的最大車速；

(3.1)當(dāng)?shù)趇輛跟隨車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)，領(lǐng)航車減速，取使

成立的vli的最小值作為領(lǐng)航車減速后的速度；

其中vli為第i輛跟隨車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)領(lǐng)航車調(diào)整后的速度，g(i)為第i輛跟隨車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)所剩綠燈時(shí)間，xi(t)為第i輛跟隨車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)距領(lǐng)航車的距離，a為保證車輛舒適性的最大加速度，h為車輛長(zhǎng)度，γ、β為安全距離系數(shù)；

(3.2)第i輛跟隨車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)，領(lǐng)航車提高速度，取使

成立的vl(i+1)的最小值作為領(lǐng)航車加速后的速度；

其中vl(i+1)為第i+1輛跟隨車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)領(lǐng)航車調(diào)整后的速度；

(4)當(dāng)領(lǐng)航車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)，領(lǐng)航車速度調(diào)整為滿足下式：

其中vl1為領(lǐng)航車調(diào)整后的速度，tg為下周期綠燈啟亮?xí)r刻，t0為領(lǐng)航車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)刻。

優(yōu)選地，緩沖區(qū)域長(zhǎng)度為：

δ＝tr·vmax

其中，δ為緩沖區(qū)域的長(zhǎng)度；tr為車路通信建立穩(wěn)定連接所需要的時(shí)間；vmax為當(dāng)前道路等級(jí)下車輛最大車速。

優(yōu)選地，編隊(duì)區(qū)域長(zhǎng)度l的范圍為：

其中，vmax為城市道路車輛運(yùn)行最高速度，gr為綠燈時(shí)間，t為周期，vmin為城市道路車輛運(yùn)行最低速度。

優(yōu)選地，步驟(3.1)中，若vl0＝vf，則直接調(diào)整領(lǐng)航車速度；若vl0<vf，當(dāng)?shù)趇輛跟隨車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)，先判斷是否滿足：

若滿足，則保持領(lǐng)航車車速不變，若不滿足，則調(diào)整領(lǐng)航車速度。

本發(fā)明控制裝置包括：rfid車輛電子標(biāo)簽，安裝于擋風(fēng)玻璃前方，用于識(shí)別、獲取車輛基本信息；gps高精度定位模塊，安裝于車輛頂部，用于獲取車輛實(shí)時(shí)位置信息；測(cè)距傳感器，安裝位于保險(xiǎn)杠前側(cè)，通過(guò)can總線與駕駛輔助操作平臺(tái)連接；車速傳感器，可通過(guò)采集車速表信號(hào)線來(lái)讀取io脈沖值，或者加裝輪速霍爾傳感器，安裝于車輪內(nèi)側(cè)，通過(guò)io總線連接核心控制單元；三軸加速度傳感器，安裝于車體幾何中心處，用于檢測(cè)實(shí)際側(cè)向和縱向加速度信息，通過(guò)ad轉(zhuǎn)換與核心控制單元連接；路側(cè)控制設(shè)備，安裝于道路交叉口一側(cè)，包括交通信號(hào)機(jī)及通信設(shè)備，用于道路信號(hào)交叉口的控制與管理；車路通訊單元，可通過(guò)無(wú)線通訊方式與其他車輛及路側(cè)控制設(shè)備進(jìn)行信息交互，采集信號(hào)相位、配時(shí)以及其他車輛側(cè)向加速度、縱向加速度、車速、換道提示、動(dòng)力學(xué)系數(shù)等信息；核心控制單元，安裝于車內(nèi)干燥通風(fēng)散熱均勻處，內(nèi)部集成數(shù)據(jù)庫(kù)和控制決策系統(tǒng)；所述控制裝置通過(guò)can總線連接車輛電子油門(mén)剎車系統(tǒng)及esp系統(tǒng)；核心控制單元通過(guò)can總線連接駕駛輔助操作平臺(tái)。

本發(fā)明具有如下有益效果：

利用車路協(xié)同的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)對(duì)于多源交通信息的實(shí)時(shí)獲取分析、編隊(duì)控制算法計(jì)算最優(yōu)車速，使車輛在編隊(duì)狀態(tài)下，按照指令以最優(yōu)車速運(yùn)行。尤其解決車輛進(jìn)入交叉口停車排隊(duì)現(xiàn)象，從而達(dá)到提高道路運(yùn)行效率，提升道路通行能力的目的。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明場(chǎng)景示意圖。

圖2是車輛通過(guò)路口示意圖。

圖3是控制裝置功能結(jié)構(gòu)圖。

圖4是控制裝置安裝位置圖。

1—測(cè)距傳感器；2—多功能攝像頭；3—rfid車輛電子標(biāo)簽；4—gps高精度定位模塊；5—三軸加速度傳感器；6—車路通信單元；7—核心控制單元；8—駕駛輔助操作平臺(tái)；9—電子剎車油門(mén)控制系統(tǒng)；10—eps電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

(一)基于車路協(xié)同的智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制方法

1、城市信號(hào)交叉口道路區(qū)域劃分

如圖1場(chǎng)景所示，路段劃分為三個(gè)區(qū)域，包括自由行使區(qū)域、緩沖區(qū)域和編隊(duì)區(qū)域。其中第一輛車為領(lǐng)航車，后續(xù)車為跟隨車。車輛在緩沖區(qū)域內(nèi)建立車車/車路無(wú)線通信，進(jìn)入編隊(duì)區(qū)后進(jìn)行車速調(diào)節(jié)控制。

在圖1場(chǎng)景中，緩沖區(qū)域應(yīng)滿足公式(1)條件：

δ＝tr·vmax

(1)

公式(1)中，δ為緩沖區(qū)域的長(zhǎng)度；tr為車路通信建立穩(wěn)定連接所需要的時(shí)間；vmax為當(dāng)前道路等級(jí)下車輛最大車速。

2、交叉口編隊(duì)區(qū)域條件設(shè)定

車輛在綠燈期間進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)剩余綠燈時(shí)間不足以使車輛在當(dāng)前綠燈時(shí)間通過(guò)交叉口，因此車輛需調(diào)整速度在下個(gè)綠燈時(shí)間通過(guò)，故有：

如圖2車輛在a時(shí)刻進(jìn)入引導(dǎo)區(qū)域則剩余綠燈時(shí)間不足以使車輛在該綠燈時(shí)間通過(guò)交叉口，則編隊(duì)區(qū)域的最大值應(yīng)滿足，車輛在下個(gè)綠燈時(shí)間末到達(dá)交叉口，且以最小速度行駛，即：

(gmin+t)vmin≥l

(2)

公式(2)中，vmin為城市道路車輛運(yùn)行最低速度，gmin為車輛通過(guò)交叉口所用的最小綠燈時(shí)間即(gmin＝l/vmax),vmax為城市道路車輛運(yùn)行最高速度，t為周期。

編隊(duì)區(qū)域最小值應(yīng)滿足：l≥vmaxgr

(3)

公式(3)中，gr為該相位的綠燈時(shí)間。

為保證車輛能不停車通過(guò)交叉口則編隊(duì)區(qū)域應(yīng)滿足：

3、信號(hào)燈狀態(tài)劃分

領(lǐng)航車到達(dá)編隊(duì)區(qū)域時(shí)，根據(jù)前方信號(hào)燈的狀態(tài)可以劃分為信號(hào)燈狀態(tài)集合，可以將其狀態(tài)劃分如表1所示：

表1狀態(tài)劃分表

其中g(shù)[i]為領(lǐng)航車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)前方交叉口剩余綠燈時(shí)間，r[i]為領(lǐng)航車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)前方交叉口剩余紅燈時(shí)間，t＝l/vf(vf為自由流速度)。信號(hào)燈狀態(tài)集合為：y＝{(vi,ti)|g(i),g'(i),a(i),r(i),r'(i)}，其中車輛速度約束條件為：vi(t)∈(0,vf]，vf為自由流車速，即車輛所能達(dá)到的最大車速。將信號(hào)燈的狀態(tài)進(jìn)行合并有：

(1)當(dāng)g[i]≧t或r’[i]<t時(shí)，領(lǐng)航車能夠在當(dāng)前綠燈時(shí)間通過(guò)交叉口，因此可能形成以領(lǐng)航車為首的編隊(duì)，正常通過(guò)交叉口，此時(shí)以某一速度通過(guò)交叉口。(2)當(dāng)g’[i]<t或a[i]或r[i]≧t時(shí)，領(lǐng)航車在下個(gè)綠燈時(shí)間通過(guò)交叉口，此時(shí)領(lǐng)航車需調(diào)整速度在下個(gè)綠燈時(shí)間通過(guò)交叉口。

4、車隊(duì)中領(lǐng)航車判斷

領(lǐng)航車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)獲取信號(hào)燈狀態(tài)并判斷當(dāng)前為信號(hào)狀態(tài)一或信號(hào)狀態(tài)二，同時(shí)對(duì)領(lǐng)航車進(jìn)行速度引導(dǎo)；

在該狀態(tài)下進(jìn)入的車輛均能組成編隊(duì)，但受固定配時(shí)的限制使得車隊(duì)不能全部不停車駛離交叉口，因此需對(duì)進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域的每輛車進(jìn)行判斷；

根據(jù)隊(duì)列實(shí)時(shí)長(zhǎng)度、實(shí)時(shí)信號(hào)狀態(tài)、領(lǐng)航車速度等信息進(jìn)行判斷，若該車能通過(guò)則進(jìn)入隊(duì)列自主編隊(duì)并調(diào)整隊(duì)列速度，若不能則默認(rèn)為下個(gè)隊(duì)列領(lǐng)航車；

5、車輛編隊(duì)控制

(1)領(lǐng)隊(duì)車輛在情況一時(shí)(g[i]≧t或r’[i]<t)進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域則：

a)若g(0)≧l/vl0，則領(lǐng)隊(duì)車輛先以當(dāng)前速度運(yùn)行

如果vl0＝vf，第i輛跟隨車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)判斷是否存在vli滿足車隊(duì)不停車通過(guò)交叉口即：

其中g(shù)(0)為領(lǐng)航車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)剩余綠燈時(shí)間，vl0為領(lǐng)航車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域的速度，vli為第i輛跟隨車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)領(lǐng)航車調(diào)整后的速度，g(i)為第i輛跟隨車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)所剩綠燈時(shí)間，xi(t)為第i輛跟隨車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)距領(lǐng)航車的距離，a為保證車輛舒適性的最大加速度，h為車輛長(zhǎng)度，γ、β為安全距離系數(shù)。

vli取最小值為領(lǐng)航車調(diào)整后的速度。

如果vl0<vf，第i輛跟隨車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)，判斷是否滿足：

若滿足，則保持領(lǐng)航車車速不變，若不滿足，需調(diào)整領(lǐng)航車速度。為保證車隊(duì)不停車通過(guò)交叉口則應(yīng)滿足；

vli取最小值為領(lǐng)航車調(diào)整后的速度。

b)若g(0)<l/vl0，則領(lǐng)航車需提高速度，滿足：

第i輛跟隨車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)，調(diào)整領(lǐng)航車速度，保證車隊(duì)不停車通過(guò)交叉口則應(yīng)滿足；

vl(i+1)取最小值為領(lǐng)航車調(diào)整后的速度。

(2)領(lǐng)航車在情況二(g’[i]<t或a[i]或r[i]≧t)下進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域則此時(shí)領(lǐng)航車速度應(yīng)調(diào)整為：

其中tg為下周期綠燈啟亮?xí)r刻，t0為領(lǐng)航車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)刻。

車輛再次進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)則滿足：

其中vli＝vl1，x(t)為車輛進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)刻與前車之間的距離，vi為第i輛跟隨車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域時(shí)的速度，ti為第i輛車進(jìn)入編隊(duì)區(qū)域的時(shí)刻。

二、基于車路協(xié)同的智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制裝置

rfid車輛電子標(biāo)簽，安裝于擋風(fēng)玻璃前方，用于識(shí)別、獲取車輛基本信息；

gps高精度定位模塊，安裝于車輛頂部，用于獲取車輛實(shí)時(shí)位置信息；

測(cè)距傳感器，安裝位于保險(xiǎn)杠前側(cè)，包括雷達(dá)、超聲波等，通過(guò)can總線與駕駛輔助操作平臺(tái)連接；

車速傳感器，可通過(guò)采集車速表信號(hào)線來(lái)讀取io脈沖值，或者加裝輪速霍爾傳感器，安裝于車輪內(nèi)側(cè)，通過(guò)io總線連接核心控制單元；

三軸加速度傳感器，安裝于車體幾何中心處，用于檢測(cè)實(shí)際側(cè)向和縱向加速度信息，通過(guò)ad轉(zhuǎn)換與核心控制單元連接；

路側(cè)控制設(shè)備，安裝于道路交叉口一側(cè)，包括交通信號(hào)機(jī)及通信設(shè)備，用于道路信號(hào)交叉口的控制與管理；

車路通訊單元，包括有：wifi，lte-v或dsrc等通訊模塊，可通過(guò)無(wú)線通訊方式與其他車輛及路側(cè)控制設(shè)備進(jìn)行信息交互，采集算法需要的信號(hào)相位、配時(shí)，其他車輛側(cè)向加速度、縱向加速度、車速、換道提示、動(dòng)力學(xué)系數(shù)等信息；

核心控制單元，安裝于車內(nèi)干燥通風(fēng)散熱均勻處，內(nèi)部集成數(shù)據(jù)庫(kù)和控制決策系統(tǒng)；

編隊(duì)控制裝置通過(guò)can總線連接車輛電子油門(mén)剎車系統(tǒng)及esp系統(tǒng)。車輛電子油門(mén)剎車系統(tǒng)及esp系統(tǒng)主要進(jìn)行加減速控制、方向盤(pán)轉(zhuǎn)向控制；

核心控制單元通過(guò)can總線連接駕駛輔助操作平臺(tái)，駕駛輔助操作平臺(tái)包括lcd液晶顯示屏、語(yǔ)音警示器。主要進(jìn)行實(shí)時(shí)交通路況、管制信息發(fā)布，路線規(guī)劃顯示，危險(xiǎn)信息提示警報(bào)及動(dòng)態(tài)駕駛指令指導(dǎo)等功能。