融合V2I技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛車輛精準(zhǔn)進(jìn)入待行區(qū)

尹潤田

摘 要： 自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用對(duì)路口的交通安全及通行效率提出了更高的要求，特別是對(duì)于L4+級(jí)別的自動(dòng)駕駛，人們希望車輛能夠順暢安全地通過路口。然而，在實(shí)際的城市道路環(huán)境中，施劃了直行待行和左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的交叉路口，自動(dòng)駕駛車輛很難在合適的時(shí)機(jī)進(jìn)入待行區(qū)，嚴(yán)重影響其他車輛通行，同時(shí)也帶來安全風(fēng)險(xiǎn)?；诖?，結(jié)合車路協(xié)同技術(shù)（Vehicle to Infrastructure，V2I）、自動(dòng)駕駛技術(shù)、紅綠燈網(wǎng)聯(lián)技術(shù)、高精度地圖，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛車輛在自動(dòng)駕駛狀態(tài)下精準(zhǔn)進(jìn)入路口待行區(qū)。

關(guān)鍵詞： 待行區(qū) 車路協(xié)同 自動(dòng)駕駛 紅綠燈網(wǎng)聯(lián) 高精度地圖

中圖分類號(hào)： U495文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 1679-3567（2023）11-0034-04

隨著我國電動(dòng)汽車保有量的迅速增長，基于L4級(jí)別的自動(dòng)駕駛應(yīng)用場景在不斷豐富，自動(dòng)駕駛商業(yè)化進(jìn)程也越來越快，同時(shí)也對(duì)自動(dòng)駕駛車輛的交通安全和通行效率提出了更高的要求。國內(nèi)城市道路建設(shè)中，部分交叉路口空間大，出入口距離長，紅綠燈信號(hào)利用率不高，路口時(shí)空資源存在閑置等情況；為了提高通行效率，部分城市對(duì)路口時(shí)空資源進(jìn)行二次挖潛，施劃了直行待行和左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)域，并配套設(shè)置LED待行顯示屏，利用信號(hào)控制技術(shù)，提前將車輛引入路口待行區(qū)，這樣可以充分利用路口時(shí)空資源和車道資源，提升路口通行能力，縮短路口排隊(duì)長度[1]。

自動(dòng)駕駛車輛是通過車載感知相機(jī)來識(shí)別路口紅綠燈信息，對(duì)于LED待行顯示屏感知相機(jī)目前還無法精準(zhǔn)識(shí)別，而且車輛進(jìn)入路口待行區(qū)都是在紅燈的狀態(tài)，導(dǎo)致自動(dòng)駕駛車輛很難選擇合適的時(shí)機(jī)進(jìn)入待行區(qū)，嚴(yán)重影響其他車輛通行，降低路口通行效率；需要人工接管影響自動(dòng)駕駛過程體驗(yàn)。鑒于此，本文使用車路協(xié)同（Vehicle to Infrastructure，V2I）技術(shù)[2]、自動(dòng)駕駛技術(shù)、紅綠燈網(wǎng)聯(lián)技術(shù)，并結(jié)合高精度地圖，實(shí)現(xiàn)L4級(jí)自動(dòng)駕駛[3]車輛在自動(dòng)駕駛狀態(tài)下精準(zhǔn)進(jìn)入路口待行區(qū)。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

目前自動(dòng)駕駛車輛通過路口的方法是通過車輛加裝的感知相機(jī)識(shí)別路口紅綠燈的狀態(tài)顏色，如果是紅燈則停車等待，如果是綠燈則通行。在城市道路交叉口增加了直行待行與左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)后，人工駕駛的車輛依靠路口LED待行顯示屏“直行車輛進(jìn)入待行區(qū)”和“左轉(zhuǎn)車輛進(jìn)入待轉(zhuǎn)區(qū)”提示語進(jìn)入待行區(qū)。自動(dòng)駕駛車輛感知相機(jī)還不能精準(zhǔn)識(shí)別LED待行顯示屏“直行車輛進(jìn)入待行區(qū)”和“左轉(zhuǎn)車輛進(jìn)入待轉(zhuǎn)區(qū)”字樣；或者在“直行車輛進(jìn)入待行區(qū)”“左轉(zhuǎn)車輛進(jìn)入待轉(zhuǎn)區(qū)”提示屏損壞的情況下，自動(dòng)駕駛車輛根本不能識(shí)別LED待行顯示屏內(nèi)容，導(dǎo)致自動(dòng)駕駛車輛很難準(zhǔn)確進(jìn)入待行區(qū)。

為解決這一問題，在路口加裝信號(hào)燈學(xué)習(xí)機(jī)、智能網(wǎng)聯(lián)（Road Side Unit，RSU）[4]，信號(hào)燈學(xué)習(xí)機(jī)通過線纜連接信號(hào)燈控制機(jī)，以獲取信號(hào)燈相位、類型、燈色、時(shí)間、待行待轉(zhuǎn)等信息；RSU通過網(wǎng)線連接信號(hào)燈學(xué)習(xí)機(jī)，自動(dòng)駕駛車端配備有車載網(wǎng)聯(lián)終端（On Board Unit，OBU），通過LTE-V（車載專用通信網(wǎng)絡(luò)）專用5.9 GHz頻段短程通信技術(shù)[5]，RSU和車端建立可靠、有效和安全的車路協(xié)同（V2I）通信，RSU同步將路口信號(hào)燈相位、類型、燈色、時(shí)間、待行待轉(zhuǎn)等信息發(fā)送給自動(dòng)駕駛車輛，車輛結(jié)合自身感知系統(tǒng)與高精度地圖可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)進(jìn)入待行區(qū)。

系統(tǒng)整體架構(gòu)見圖1。

1.1 車路協(xié)同（V2I）

車路協(xié)同自動(dòng)駕駛是在單車智能自動(dòng)駕駛的基礎(chǔ)上，借助LTE-V和4G/5G通信技術(shù)，將“人-車-路-云”交通要素有機(jī)地聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)車與車（V2V）、車與道路（V2I：主要指道路各類系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)施，如感知設(shè)施、路側(cè)單元RSU、氣象檢測器、狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備、交通誘導(dǎo)與控制設(shè)施等）、車與云（V2N：地圖平臺(tái)、交管平臺(tái)、出行服務(wù)平臺(tái)等）和車與人（V2P）等的全方位協(xié)同配合（如協(xié)同感知、協(xié)同決策規(guī)劃、協(xié)同控制等），從而滿足不同等級(jí)自動(dòng)駕駛車輛應(yīng)用需求（如輔助駕駛、高等級(jí)自動(dòng)駕駛），實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛單車最優(yōu)化和交通全局最優(yōu)化發(fā)展目標(biāo)。

1.2 紅綠燈網(wǎng)聯(lián)化

紅綠燈網(wǎng)聯(lián)化是由紅綠燈、LED待行顯示屏、信號(hào)燈控制機(jī)、信號(hào)燈學(xué)習(xí)機(jī)、智能網(wǎng)聯(lián)RSU、云平臺(tái)組成。

紅綠燈、LED待行顯示屏和信號(hào)燈控制機(jī)是路口標(biāo)配設(shè)備，在路口現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，加裝信號(hào)燈學(xué)習(xí)機(jī)，學(xué)習(xí)機(jī)通過線纜直接連接信號(hào)燈控制機(jī)，學(xué)習(xí)機(jī)通過采集信號(hào)機(jī)的信息從而獲取完整的信號(hào)燈數(shù)據(jù)。

采集的紅綠燈信息如表1所示。

在信號(hào)燈燈桿上加裝智能網(wǎng)聯(lián)RSU設(shè)備，通過網(wǎng)線連接信號(hào)燈學(xué)習(xí)機(jī)，智能網(wǎng)聯(lián)RSU對(duì)學(xué)習(xí)機(jī)學(xué)習(xí)到的信號(hào)機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，打包數(shù)據(jù)并推送至云平臺(tái)，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過LTE-V通信方式發(fā)送給路口自動(dòng)駕駛智能網(wǎng)聯(lián)車輛。

1.3 自動(dòng)駕駛系統(tǒng)

自動(dòng)駕駛車端配備有車載網(wǎng)聯(lián)終端OBU，用于實(shí)時(shí)與路側(cè)紅綠燈網(wǎng)聯(lián)化系統(tǒng)通信；自動(dòng)駕駛車輛配備有信號(hào)燈識(shí)別感知相機(jī)，用于識(shí)別路口紅綠燈信息；配備有激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、補(bǔ)盲雷達(dá)、高精度定位模塊等感知定位設(shè)備；這些設(shè)備通過高速線纜接入整車計(jì)算單元，計(jì)算單元通過CAN/CANFD（全速CAN總線）接入車輛控制單元（VCU），VCU通過控制車輛線控底盤[6]的加速、剎車、轉(zhuǎn)向、燈光等來驅(qū)動(dòng)自動(dòng)駕駛車輛行駛。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)基本框架見圖2[7]。

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)有兩種控制策略，一種是基于單車智能，依靠自車感知系統(tǒng)來識(shí)別絕大部分路口信號(hào)燈信息，自動(dòng)駕駛車輛的運(yùn)動(dòng)控制幾乎全部通過自車感知系統(tǒng)完成，同時(shí)自車感知控制策略為第一優(yōu)先級(jí)；另外一種是利用車路協(xié)同V2I輔助完成車輛控制的策略，解決單車智能在一些路口無法識(shí)別LED顯示屏的問題，能夠讓自動(dòng)駕駛車輛依靠V2I準(zhǔn)確進(jìn)入路口待行待轉(zhuǎn)區(qū)。當(dāng)車輛通行有待行待轉(zhuǎn)區(qū)的路口時(shí)，車路協(xié)同V2I策略啟動(dòng)，輔助車輛進(jìn)入待行待轉(zhuǎn)區(qū)。

1.4 高精度地圖

高精度地圖也稱為高分辨率地圖（High Definition Map），是一種專門為自動(dòng)駕駛服務(wù)的地圖。傳統(tǒng)地圖服務(wù)的對(duì)象是人，駕駛員可以有選擇性去使用它；而高精地圖服務(wù)的對(duì)象是車輛的后臺(tái)，是面向機(jī)器的供自動(dòng)駕駛汽車使用的地圖數(shù)據(jù)，作為安全屬性存在，對(duì)自動(dòng)駕駛安全性有著至關(guān)重要的影響。

高精度地圖包含豐富的語義信息，道路屬性包含有車道數(shù)、車道中心線、車道曲率/坡度、車道連續(xù)關(guān)系、車道方向/寬度、車道類型等數(shù)據(jù)，道路部件包含有交通信號(hào)燈、交通標(biāo)志、斑馬線、停止線、直行待行區(qū)、左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)、路緣石、防護(hù)欄、龍門架、橋梁、高架橋、樹木等數(shù)據(jù)。作為自動(dòng)駕駛的記憶系統(tǒng)，高精度地圖輔助車輛實(shí)現(xiàn)車道級(jí)高精度定位，輔助自動(dòng)駕駛車輛進(jìn)行環(huán)境感知和路徑規(guī)劃，鏈接人、車、路等各種交通參與者[8]。

2 進(jìn)入路口待行區(qū)規(guī)則和方法

2.1 直行待行區(qū)規(guī)則

直行燈為紅燈，左轉(zhuǎn)燈為紅燈，且LED顯示屏為熄屏狀態(tài)時(shí)，車輛須在停止線外等待，不得越過停止線，否則會(huì)被視為闖紅燈。

直行燈為紅燈，左轉(zhuǎn)燈為紅燈，且LED顯示屏轉(zhuǎn)為綠色字樣“直行車輛進(jìn)入待行區(qū)”時(shí)，直行車輛可駛?cè)搿爸毙写袇^(qū)”等待通行，但不得越過待行區(qū)停止線。

直行燈轉(zhuǎn)為綠燈，左轉(zhuǎn)燈為紅燈，顯示屏由綠色閃爍狀態(tài)變?yōu)橄⑵翣顟B(tài)時(shí)，直行車輛可駛出“直行待行區(qū)”直接通過路口。

“直行待行區(qū)”內(nèi)雖然是虛線，但直行車輛只要駛?cè)氪袇^(qū)，就必須按照導(dǎo)向車道行駛，如在待行區(qū)內(nèi)壓虛線左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，均屬于交通違法行為；若“直行待行區(qū)”內(nèi)車輛飽和，后方車輛不得強(qiáng)行駛?cè)牖蛲Ａ粼谌诵袡M道線區(qū)域等候。

2.2 自動(dòng)駕駛車輛進(jìn)入直行待行區(qū)方法

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)首先根據(jù)高精度地圖與高精度定位模塊完成路徑規(guī)劃，車載網(wǎng)聯(lián)終端OBU在距離十字路口100 m時(shí)開始獲取紅綠燈信息，當(dāng)自動(dòng)駕駛車輛行駛至十字路口時(shí)，系統(tǒng)判斷車輛是否處于直行車道，然后通過高精度地圖信息獲取該路口的直行待行區(qū)域。

若車輛處于直行車道，且直行燈為紅燈時(shí)，車輛會(huì)自動(dòng)在停止線外停車等待；此時(shí)車路協(xié)同策略啟動(dòng)，車載網(wǎng)聯(lián)終端OBU解析路側(cè)RSU發(fā)來的紅綠燈相位、信號(hào)燈類型、燈色和狀態(tài)、開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間等信息輸入到自動(dòng)駕駛計(jì)算單元，計(jì)算單元結(jié)合路口的高精度地圖信息和車輛高精度定位信息，當(dāng)判斷條件為：直行燈為紅燈，左轉(zhuǎn)燈為紅燈，且LED顯示屏為綠色字樣“直行車輛進(jìn)入待行區(qū)”時(shí)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)給出指令到車載控制單元VCU，控制車輛準(zhǔn)確進(jìn)入“直行待行區(qū)”。

當(dāng)左轉(zhuǎn)燈為紅燈，直行燈轉(zhuǎn)為綠燈，LED顯示屏由綠色閃爍狀態(tài)變?yōu)橄⑵翣顟B(tài)時(shí)，此時(shí)通過自車感知系統(tǒng)識(shí)別直行紅綠燈信息，車輛依賴自車感知系統(tǒng)控制車輛駛出“直行待行區(qū)”通過路口。

2.3 左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)規(guī)則

直行和左轉(zhuǎn)燈同時(shí)為紅燈，此時(shí)不可提前駛?cè)搿白筠D(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)”，排隊(duì)進(jìn)入“左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)”的機(jī)動(dòng)車必須在停車線外等待，不能占用斑馬線。

直行燈為綠燈，左轉(zhuǎn)燈為紅燈，且LED顯示屏為綠色字樣“左轉(zhuǎn)車輛進(jìn)入待轉(zhuǎn)區(qū)”時(shí)，左轉(zhuǎn)車輛可駛?cè)搿白筠D(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)”等待通行，但不得越過待轉(zhuǎn)區(qū)停止線。

左轉(zhuǎn)車輛可駛出“左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)”通過路口。

2.4 自動(dòng)駕駛車輛進(jìn)入左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)方法

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)首先根據(jù)高精度地圖與高精度定位模塊完成路徑規(guī)劃，車載網(wǎng)聯(lián)終端OBU在距離十字路口100 m時(shí)開始獲取紅綠燈信息，當(dāng)自動(dòng)駕駛車輛行駛至十字路口時(shí)，系統(tǒng)判斷車輛是否處于左轉(zhuǎn)車道，然后通過高精度地圖信息獲取該路口的左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)域。

若車輛處于左轉(zhuǎn)車道，且左轉(zhuǎn)燈為紅燈時(shí)，車輛會(huì)自動(dòng)在停止線外停車等待；由于車輛進(jìn)入左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)依靠自車感知系統(tǒng)就可以完成，此時(shí)車路協(xié)同策略失效，雖解析路側(cè)RSU數(shù)據(jù)，但不采用。當(dāng)判斷條件為左轉(zhuǎn)燈為紅燈，直行燈為綠燈時(shí)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)給出指令到車載控制單元VCU，車輛打左轉(zhuǎn)向燈并準(zhǔn)確進(jìn)入“左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)”。

當(dāng)左轉(zhuǎn)燈轉(zhuǎn)為綠燈，此時(shí)無論直行燈為綠燈或紅燈，車輛識(shí)別左轉(zhuǎn)綠燈直接駛出待轉(zhuǎn)區(qū)左轉(zhuǎn)通過路口。

3 結(jié)語

技術(shù)是制約自動(dòng)駕駛商業(yè)化落地的重要因素，自動(dòng)駕駛車輛對(duì)復(fù)雜道路場景的適應(yīng)是彰顯其技術(shù)發(fā)展的直接反應(yīng)，本文融合V2I技術(shù)，通過增設(shè)信號(hào)燈學(xué)習(xí)機(jī)和RSU設(shè)備，對(duì)紅綠燈進(jìn)行網(wǎng)聯(lián)化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛車輛精準(zhǔn)進(jìn)入路口待行區(qū)，解決了自動(dòng)駕駛車輛進(jìn)入路口待行區(qū)比較困難的場景問題，對(duì)彰顯自動(dòng)駕駛技術(shù)及商業(yè)化落地起到非常重要的作用。

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