無信號交叉口自動駕駛車輛群時空軌跡分布式規(guī)劃

王瑩然

蘭州交通大學 交通運輸學院 甘肅 蘭州 730070

引言

車車通信（V2V）、車路通信（V2I）等技術(shù)的發(fā)展及普及，使自動駕駛汽車（Autonomous Vehicles，AV）之間可以相互合作[1]。交叉口無須信號燈的協(xié)助即可為每輛自動駕駛車輛分配詳細的通行方案[2]，在確保安全的同時又提高了交叉口的通行效率[3-4]。

交叉口是不同方向車流交匯區(qū)域，不同方向的車流會在交叉口內(nèi)部產(chǎn)生沖突，部分學者提出通過劃分交叉口內(nèi)部區(qū)域并分配路權(quán)，進而達到避免沖突的目的。吳偉等[5-6]將交叉口空間離散化，通過網(wǎng)格約束保證車輛在交叉口安全通行；高志波等[7]對同一時刻交叉口內(nèi)的車輛到達時序及車輛速度進行優(yōu)化，降低了車輛延誤和車均油耗；侯運鋒等[8]將交叉口的物理資源劃分為路權(quán)資源，將通行問題轉(zhuǎn)化為資源調(diào)度問題，在此基礎(chǔ)上求解車輛最優(yōu)通行序列；Yesilyurt等[9]將車流通過單車道四向十字交叉口產(chǎn)生的十六個沖突點，簡化為四個沖突區(qū)域，根據(jù)一定通行規(guī)則為車輛分配進入沖突區(qū)域的優(yōu)先權(quán)，進而避免沖突。

為保證車輛不停車的通過交叉口，將交叉口管控區(qū)域劃分為緩沖區(qū)及沖突區(qū)。為便于研究，本文做出以下假設：①所有車輛均為自動駕駛車輛；②車輛在交叉口緩沖區(qū)內(nèi)，可以變速行駛；③車輛在交叉口沖突區(qū)內(nèi)，僅勻速行駛；④車輛不進行變道操作。

1 緩沖區(qū)速度控制模型

緩沖區(qū)位于車輛進口道，如圖1所示，從南進口道開始，逆時針對進口車道進行編號，即對出口車道進行編號，

圖1 緩沖區(qū)范圍圖示

2 沖突區(qū)速度控制模型

2.1 車輛軌跡模型

依據(jù)車道數(shù)對沖突區(qū)進行網(wǎng)格劃分，車道寬度即為網(wǎng)格邊長，從沖突區(qū)左下角開始，從左到右依次對沖突區(qū)的網(wǎng)格進行編號，如圖2所示。通過內(nèi)外軌跡與網(wǎng)格的相交區(qū)域[6]確定待規(guī)劃車輛依次經(jīng)過的網(wǎng)格集合，且直行車輛與轉(zhuǎn)彎車輛進出網(wǎng)格的時間公式如表1所示：

圖2 沖突區(qū)網(wǎng)格劃分

表1 車輛進出網(wǎng)格時間

2.2 網(wǎng)格約束模型

3 最優(yōu)速度求解

以單車最大通行速度為目標，以緩沖區(qū)速度控制模型、網(wǎng)格速度控制模型及道路限速為約束條件，求解車輛在已有的交通環(huán)境下能安全通過緩沖區(qū)和沖突區(qū)的最優(yōu)通行速度，通過緩沖區(qū)及沖突區(qū)速度控制模型公式（1）～（12）確定車輛在緩沖區(qū)及沖突區(qū)無沖突的速度范圍和，再將二者同道路限速范圍求交集并取最大值及為車輛的最優(yōu)安全速度，即

4 仿真驗證

本文選取常見的雙向六車道十字交叉口，圖3展示了80輛測試車輛在30m，50m以及100m緩沖區(qū)下的延誤對比。

圖3 不同緩沖區(qū)距離下車輛延誤變化

圖4展示了60及80輛測試車輛通過交叉口的路徑圖，每一輛車都是在緩沖區(qū)經(jīng)過了勻加速或勻減速運動到達了最優(yōu)通行速度，且在沖突區(qū)相互不沖突。

圖4 車輛在交叉口內(nèi)的行駛軌跡

5 結(jié)束語

針對車輛按照時序進入交叉口的現(xiàn)實情況，對進入交叉口的自動駕駛車輛進行分布式控制，提出緩沖區(qū)與沖突區(qū)結(jié)合的速度調(diào)控方式，根據(jù)自動駕駛車輛的初始信息，計算其在緩沖區(qū)及沖突區(qū)的最優(yōu)速度區(qū)間，之后對其進行最優(yōu)速度反饋，使每一輛車都能在現(xiàn)有的交通情況下達到最優(yōu)。仿真實驗驗證了模型的可行性，通過繪制每一輛進入交叉口的車輛時空軌跡驗證了不同車輛在時空軌跡上并無交集，本模型實現(xiàn)車輛在交叉口的安全通行，在此基礎(chǔ)上通過引入緩沖區(qū)，實現(xiàn)車輛不停車通過交叉口。