专利名称：一种交叉路口自主管控系统的制作方法
技术领域：
本发明属于信息处理、智能车辆、智能交通等技术领域，具体地涉及一种交叉路口自主管控系统。
背景技术：
交叉路口交通流复杂，与交通路网的通行效率紧密关联。同时，交叉路口也是事故多发点，需要保证交通安全，否则易形成交通拥堵瓶颈。现有交叉路口控制方法通过获取各方向上的交通流量，在路口定时控制基础上采用多种改进的控制算法，进行交通信号局部优化控制。车道检测、动态目标检测与跟踪、车辆跟驰等智能车辆技术的成熟，使得车载自巡航(ACC)系统已经实现可靠的寻道驾驶、跟车和避撞。此外，无人驾驶车辆的研究也获得极大进步，在有人监控状态下已实现简单城市交通环境下的自主驾驶。近来，车路协同和车间通讯也有大量研究。通过高精度的电子地图导航，通过车辆与路边设施交互给车辆提供辅助驾驶信息，也可提高交通安全和效率。但是，无人车辆实现交叉路口等复杂交通环境下的自主驾驶还存在可靠性和安全性等方面的问题，往往还需要进行人工干预。如何将智能交通技术应用到交叉路口控制之中，提高交通效率和交通安全是重要的研究内容。文献“基于Agent的无灯控交叉路口插车仿真研究”[刘小明，王飞跃.基于Agent的无灯控交叉路口插车仿真研究[J].计算机仿真，2004，21 (I):105-108.]中描述了一种车辆经过无灯控路口时的插车策略和行为的仿真方法，该方法以代理(Agent)技术为基础，对车辆经过无灯控路口时的插车策略进行描述，通过代理的通信以及相互协调功能，对车辆经过无灯控路口时的插车行为进行仿真，仿真结果只是表明使用代理技术进行交通流系统仿真的可行性，并没有对交叉路口车辆队列进行管理与控制研究。申请号为201210101461.9的中国发明专利中描述了一种通过车辆信息采集、速度控制、前车间通讯来避免碰撞。通过采集周围车辆车距、车速等信息，并与周围的车辆进行实时信息交互；当出现车距小于安全车距时，后车信息处理控制单元会通过计算期望减速度完成减速避撞；当仅靠后车无法完成避撞时，会发送分配加速度信息给前车，通知前车加速协同避撞。但是该专利只是通过一种车间通讯进行前后车协同，没有对车辆在交叉路口的交通行为以及车辆和交叉路口管理器之间交互实现进行描述。申请号为[200710124885.6]的专利中描述了一种取消红绿灯的交叉路口道路结构及其行车方法，通过增加转向隔离带设置的交叉路口道路结构及其行车方法，减少交通事故、增大车辆行驶量。但该专利只是一种对道路基础设施的改进说明，没有实现交叉路口管理与控制的信息化。所以，如何在现有的智能车辆和智能交通研究成果基础上，设计出新的车路协同的交叉路口管理控制方法，进一步提高交叉路口的交通安全、降低路口延迟，是当前亟待解决的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明所要解决的技术问题是提出一种交叉路口自主管控系统，以解决现有的智能车辆和智能交通对交叉路口的通行管控效率不高的问题。(二)技术方案为解决上述技术问题，本发明提出一种交叉路口自主管控系统，包括一个交通管理器和至少一个车载驾驶辅助设备，所述交通管理器与所述车载驾驶辅助设备通过一个无线通信网络进行无线通信，所述车载驾驶辅助设备用于向所述交通管理器传送车辆的状态信息和通行请求信息，接收由所述交通管理器发出的导航信息，该导航信息可用于控制或辅助车辆经由规划的虚拟车道并以规划的通行速度通过交叉路口 ；所述交通管理器用于根据所述车载驾驶辅助设备传送的车辆的状态信息和通行请求，为所述车载驾驶辅助设备所在的车辆规划虚拟车道和通行速度，并根据该所规划的虚拟车道和通行速度产生该车辆的导航信息，并将该导航信息传送给该车载驾驶辅助设备。根据本发明的一种优选实施方式，所述交通管理器包括通行规划模块，所述通行规划模块用于按照车辆状态信息中的车辆位置信息和通行请求中的欲前行方向信息为车辆分配初始虚拟车道。根据本发明的一种优选实施方式，所述交通管理器还包括存储模块，所述存储模块中存储该交叉路口的地图信息、在所述地图上预先对交叉路口区域进行栅格化的栅格化信息，以及通过交叉路口的向个方向的车辆的预设虚拟车道；所述通行规划模块为车辆分配的初始虚拟车道直接采用存储于存储模块中的预设虚拟车道。根据本发明的一种优选实施方式，所述交通管理器还包括冲突消解模块，并且，所述通行规划模块还用于根据车辆的状态信息中的速度信息来计算车辆对其初始虚拟车道上的栅格的占用时间，判断其是否与别的车辆的虚拟车道对栅格的占用时间冲突:如果判断存在占用时间冲突，则调用所述冲突消解模块进行冲突消解操作，否则将初始虚拟车道作为该车辆通过交叉路口的规划虚拟车道，将该车辆的当前速度作为通过交叉路口的规划速度；所述冲突消解处理模块用于当通行规划模块判断为车辆在为其分配的初始虚拟车道上对栅格的占用时间存在冲突时，根据车辆的状态信息中的位置信息、速度信息、通行请求中的欲前行方向信息以及已分配给别的车辆的虚拟车道及其对栅格的占用时间信息，执行冲突消解操作。根据本发明的一种优选实施方式，所述通行调度模块用于根据车辆进行交叉路口的初始状态和退出交叉路口的结合状态，以匀速、快速通过交叉路口为目标，结合交叉路口的速度限制进行行驶轨迹曲线仿真，得到车辆在每一时刻的状态。根据本发明的一种优选实施方式，所述冲突消解模块执行的冲突消解操作为:当为车辆在为其分配的初始虚拟车道上对栅格的占用时间存在冲突时，对到达冲突栅格之前的行驶轨变重新仿真，直到该冲突栅格不再被该车辆占用。根据本发明的一种优选实施方式，所述交通管理器与车载驾驶辅助设备以文件方式传输和存储所述导航信息。根据本发明的一种优选实施方式，所述车载驾驶辅助设备包括通行评估与指示模块，所述通行评估与指示模块根据所述导航信息进行本地的通行规划检查，并在检查无误后指示车辆或车辆驾驶者按照导航信息通过交叉路口。根据本发明的一种优选实施方式，所述车载驾驶辅助设备还包括存储模块，该存储模块用存储交叉路口地图和由交通管理器发送的导航信息。根据本发明的一种优选实施方式，所述车载驾驶辅助设备通过对比车辆位置和目标位置、车辆速度和目标速度、车辆加速度和目标加速度，并通过指示终端界面上的箭头滑块位置来指导驾驶员的加减速操作。(三)有益效果本发明通过在交叉路口部署交通管理器，结合车辆的车载驾驶辅助设备，实现了车路间的互联与协作的交叉路口自主管控系统，可以在传统交通信号控制系统的基础上，提供一种新的交叉路口信号控制方式，车辆的通行按照通行请求、通行轨迹规划和通行应答的方式，在保证冲突区域内车辆安全的基础上，极大提高了交叉口的通行效率。本发明使路口车辆无需按传统各相位红绿灯信号的通行原则、而是可选择各自路径互不冲突通行。通过车载设备和交通管理器配合，能够同时满足无人车辆和有人驾驶车辆的情况，能够保证交叉口的通行安全，又能较好地提高交叉路口交通通行效率。本发明交叉路口控制系统兼容无人驾驶和有人驾驶两类车辆通行，可以逐步取代现有的交叉口信息化、智能化方案，并且可以在信息化基础建设有困难的区域得到推广。
图1是本发明的交叉路口自主管控系统的工作原理示意图；图2是本发明的交叉路口自主管控系统模块构成图；图3是根据本发明规划行车任务时采用的固定坐标系和车辆坐标系中的车辆运动参数示意图；图4是是本发明的交叉路口自主管控系统的车载当前交叉路口通行指示图；图5是本发明的交叉路口自主管控系统的工作流程图；图6是两个车辆的虚拟车道占用时间不存在冲突和存在冲突两种情况的示意图。
具体实施例方式本发明应用于智能交通和智能车辆中，因此对于所应用的交叉路口需要作相应的信息数据采集，主要包括交叉路口的地理信息、交叉路口各方向上的车辆到达时的速度等信息、交叉路口的交通流量信息等。通过采集的信息结合交叉路口控制功能和智能车辆功能实现，进行交叉路口车辆通行的规划和控制。现阶段无人车辆/智能车辆研究的成果可以作为本发明的基础，主要包括无人车辆的定位与导航、路径规划、车辆控制等自主驾驶功能；智能车辆的辅助驾驶设备和车路协同与车间通讯技术等。其中，定位和导航功能通过车载GPS定位系统、惯性导航仪和轮速传感器的高精度组合位置感知来实现。路径规划功能通过道路路网文件解析、最短路径计算等功能来实现。车辆控制功能通过车载驾驶控制器控制车辆的速度/加速度和方向来实现。本发明也可应用于有人驾驶的车辆中，通过车载驾驶辅助设备的提示/指导功能和车路与车间通讯功能，辅助驾驶员进行车辆控制，从而完成交叉路口的安全通行。综合利用上述基础，本发明将达到有人驾驶和无人驾驶车辆在现有交通环境、特别是交叉路口的混合通行。系统组成图1是本发明的交叉路口自主管控系统的工作原理示意图。如图1所示，本发明的交叉路口自主管控系统包括一个交通管理器I和至少一个车载驾驶辅助设备2。交通管理器I通常设置在交叉路口附近，或者与交叉路口相通的道路的附近。所述车载驾驶辅助设备则位于通过交叉路口的汽车3中。并且交通管理器I与位于汽车3内的车载驾驶辅助设备2可以通过一个无线通信网络7进行无线通信。所述车载驾驶辅助设备2用于向交通管理器I传送车辆的状态信息和通行请求信息，接收由交通管理器I发出的导航信息，该导航信息可用于控制或辅助车辆经由规划的虚拟车道并以规划的通行速度通过交叉路口。所述交通管理器I用于根据所述车载驾驶辅助设备2传送的车辆的状态信息和通行请求，为车载驾驶辅助设备2所在的车辆规划虚拟车道和通行速度，并根据该所规划的虚拟车道和通行速度产生该车辆的导航信息，并将该导航信息传送给该车辆的车载驾驶辅助设备2。交通管理器图2是本发明的交叉路口自主管控系统模块构成图。具体来说，交通管理器I包括通行规划模块、冲突消解模块、存储模块和通信模块。所述存储模块用于存储交叉路口的地图信息，所述地图与交叉路口的实际地形相对应。优选的，所述交叉路口的地图信息可以以文件的方式存储。根据本发明的一种实施方式，在所述地图上预先对交叉路口区域进行栅格化，并在存储模块中存储该交叉路口的栅格化信息。所谓栅格化是指将一区域分割成固定大小的矩形区域。所述通行规划模块用于按照车辆状态信息中的车辆位置信息和通行请求中的欲前行方向信息为该车辆分配初始虚拟车道。优选的，在所述存储模块中存储有通过交叉路口的向个方向的车辆的预设虚拟车道，所述初始虚拟车道可以直接采用存储于存储模块中的预设虚拟车道。所述通行规划模块还用于根据车辆的状态信息中的速度信息来计算车辆对其初始虚拟车道上的栅格的占用时间，判断其是否与别的车辆的虚拟车道对栅格的占用时间冲突。如果判断存在占用时间冲突，则调用所述冲突消解模块进行冲突消解操作，否则将初始虚拟车道作为该车辆通过交叉路口的规划虚拟车道，将该车辆的当前速度作为通过交叉路口的规划速度。所述通行规划模块还用于根据车辆的规划虚拟车道信息、车辆规划速度信息来产生车辆的导航信息。所述导航信息例如用导航参数进行描述，导航参数包括车辆到达停止线的时间，虚拟车道路径指示信息、行车速度指示信息等。所述冲突消解处理模块用于当通行规划模块判断为车辆在为其分配的初始虚拟车道上对栅格的占用时间存在冲突时，根据车辆的状态信息中的位置信息、速度信息、通行请求中的欲前行方向信息以及已分配给别的车辆的虚拟车道及其对栅格的占用时间信息，执行冲突消解操作。
冲突消解操作的一个方面可以为该车辆重新规划通行速度，以使车辆对虚拟车道上的栅格的占用时间与别的车辆不存在冲突。冲突消解操作的另一方面也可以在不改变车辆的欲前行方向的前提下重新计算一条新的虚拟车道来替代所分配的初始虚拟车道，使该新的虚拟车道上所占用的栅格与已规划的其他车辆的虚拟车道不存在栅格占用冲突。冲突消解操作也可以同时进行上述两方面的操作，以提高交叉路口的通行效率。所述通信模块用于与各车辆的车载驾驶辅助设备进行信息交互，以将通信规划模块产生的导航信息发送给所述将要通过交叉路口的每个车辆的车载驾驶辅助设备。所述通信模块还用于接收将要通过交叉路口的车辆的车载驾驶辅助设备发送的信息，包括车辆的状态信息、通行请求或其他交互信息。车载驾驶辅助设备车载驾驶辅助设备2包括通行评估与指示模块、通信模块和存储模块。所述通信模块用于向交通管理器发送车辆状态信息和通行请求，并接收由交通管理器发送的导航信息。所述通行评估与指示模块根据该导航信息进行本地的通行规划检查，并在检查无误后指示车辆或车辆驾驶者按照导航信息通过交叉路口。所述存储模块用于存储交叉路口地图和由交通管理器发送的导航信息。在无人驾驶的车辆中，通行评估与指示模块在获得通行允许和导航信息之后，经过通行评估与指示模块对导航信息的评估，将导航信息输入到无人驾驶车辆的控制设备中，实现交叉路口的无人驾驶。在有人驾驶的车辆中，通行评估与指示模块在获得通行允许和导航信息之后，将导航信息与即时的车辆状态信息进行对照检查，在检查无误之后，指示驾驶员以导航信息指示的通行路径和通行速度对车辆进行驾驶，完成交叉路口的通行。具体实施例实际的道路中可能存在各种不同形状的交叉路口，为了叙述方便，现依参照图1对本发明的一个具体实施例进行说明。图1中显示的是一种典型的交叉路口示意图。在该交叉路口，由四个方向的道路的停止线围成了交叉路口区域；在停止线以外，即交叉路口区域的范围之外，是四个方向道路的区域。如图1所示，交叉路口的四个方向的道路依次相互垂直，且每条道路均为双向四车道。该实施例中，交叉路口自主管控系统的交通管理器I和各车辆3内的车载驾驶辅助设备2的存储模块中都预存储有交叉路口的地图，并以文件形式存储。为了便于规划虚拟车道和进行冲突消解，该实施例对交叉路口区域进行栅格化，并将栅格化信息保存于交通管理器和各车辆的驾驶辅助设备的存储模块中。为了方便表示交叉路口区域的栅格化坐标以及与交叉路口连通的道路方向，在该交叉路口区域建立了一个直角坐标系。如图1所示，选取交叉路口左下角为原点坐标0，以图中的右侧道路方向为X轴方向建立直角坐标系。显示，Y轴方向显然平行于上侧道路。在建立坐标系后，需要确定栅格化的栅格尺寸，然后根据栅格尺寸对交叉路口区域进行栅格化，使交叉路口区域分割成多个纵横紧密排列的矩形区域，并对每个栅格进行标号。图1中的附图标记4即表示一个栅格。例如，图中交叉路口区域分割为320个栅格(20 X 16)，按照坐标分别标注为S [I] [I] S [20] [16]，构成二维的栅格阵列S。
在栅格化后，按照交叉路口与各向道路的连接关系为在各条道路上的在各个方向行驶的车辆建立预设虚拟车道。该预设虚拟车道也存储于交通管理器I的存储模块中。如图1所示，假设汽车3从图1的左侧的道路向交叉路口驶去，并希望在交叉路口左拐，图1中用深色部分标注了该汽车3可以行驶的一条预设虚拟车道6。不同的虚拟车道的交接处的栅格为可能发生占用冲突的栅格。在停止线外划定的区域称为缓冲区，汽车3所在位置的缓冲区在图1中以5表示。在缓冲区内，将进行车辆检测、车辆通行请求与确认。将每个虚拟车道所占用的栅格称为该虚拟车道的关联栅格。可以通过对栅格阵列S中的每个值进行赋值来表示栅格是否被虚拟车道所占用。例如可将栅格阵列S中每个栅格的值初始化为0，0表示未被占用状态。当虚拟车道占用了栅格阵列S中的若干栅格时，将被占用的栅格赋值为I。下面参照图3对交通管理器的通行规划模块根据规划的虚拟车道和规划行车速度产生导航信息的具体过程。图3是根据本发明规划行车任务时采用的固定坐标系和车辆坐标系中的车辆运动参数示意图。如图3所示，为方便描述车辆在交叉路口的运动轨迹，忽略车辆z轴方向运动简化为平面二维运动模型，在固定坐标系下描述车辆运动轨迹。通常将车辆坐标系转化到固定坐标系下进行车辆运动轨迹描述。图3中，OXY为交叉路口区域的固定坐标系，原点例如为前述的交叉路口的左下角，X、Y轴分别为右侧道路方向和上侧道路方向。在此，用\、Vy分别表示车辆质心在X、Y方向上的速度。并且，图3中，oxy为车辆坐标系,原点O为车辆的质心所在位置，x、y轴方向分别平行于车辆前进方向(纵向)和垂直车辆前进方向(横向)。在此，分别用U、V表示在车辆坐标系下的纵向速度和横向速度。 图3中的V为车辆的横摆角，表示车头方向与固定坐标系X轴夹角。车辆在固定坐标系下的坐标值:X = / Vx dt = / (ucos ￥ -vsin ￥) dt ；Y = / Vy dt = / (usin V-vcos V) dt。通过上述积分公式可得到车辆的质心运动轨迹描述。其中，在交通管理器上进行通行模拟仿真时，车辆横摆角V和车辆纵向和横向速度u、v按时间步长设定。在车载驾驶辅助设备上提交车辆通行请求是，需要通过车载传感器实时测量获得车身侧倾角0、俯仰角e得到侧倾角速度￠5和俯仰角速度<然后根据欧拉角速度和运动坐标角速度的转换计算车辆的横摆角V，然后再计算车辆坐标系下的纵向速度U和横向速度V。车辆横摆角V计算时，首先由计算公式如下:
权利要求
1.一种交叉路口自主管控系统，包括一个交通管理器(1)和至少一个车载驾驶辅助设备(2)，所述交通管理器(1)与所述车载驾驶辅助设备(2)通过一个无线通信网络进行无线通信，其特征在于: 所述车载驾驶辅助设备(2)用于向所述交通管理器(1)传送车辆的状态信息和通行请求信息，接收由所述交通管理器(1)发出的导航信息，该导航信息可用于控制或辅助车辆经由规划的虚拟车道并以规划的通行速度通过交叉路口 ； 所述交通管理器(1)用于根据所述车载驾驶辅助设备(2)传送的车辆的状态信息和通行请求，为所述车载驾驶辅助设备(2)所在的车辆规划虚拟车道和通行速度，并根据该所规划的虚拟车道和通行速度产生该车辆的导航信息，并将该导航信息传送给该车载驾驶辅助设备⑵。
2.如权利要求1所述的交叉路口自主管控系统，其特征在于，所述交通管理器(I)包括通行规划模块，所述通行规划模块用于按照车辆状态信息中的车辆位置信息和通行请求中的欲前行方向信息为车辆分配初始虚拟车道。
3.如权利要求2所述的交叉路口自主管控系统，其特征在于，所述交通管理器(I)还包括存储模块，所述存储模块中存储该交叉路口的地图信息、在所述地图上预先对交叉路口区域进行栅格化的栅格化信息，以及通过交叉路口的向个方向的车辆的预设虚拟车道； 所述通行规划模块为车辆分配的初始虚拟车道直接采用存储于存储模块中的预设虚拟车道。
4.如权利要求3所述的交叉路口自主管控系统，其特征在于，所述交通管理器(I)还包括冲突消解模块，并且， 所述通行规划模块还用于根据车辆的状态信息中的速度信息来计算车辆对其初始虚拟车道上的栅格的占用时间，判断其是否与别的车辆的虚拟车道对栅格的占用时间冲突:如果判断存在占用时间冲突，则调用所述冲突消解模块进行冲突消解操作，否则将初始虚拟车道作为该车辆通过交叉路口的规划虚拟车道，将该车辆的当前速度作为通过交叉路口的规划速度； 所述冲突消解处理模块用于当通行规划模块判断为车辆在为其分配的初始虚拟车道上对栅格的占用时间存在冲突时，根据车辆的状态信息中的位置信息、速度信息、通行请求中的欲前行方向信息以及已分配给别的车辆的虚拟车道及其对栅格的占用时间信息，执行冲突消解操作。
5.如权利要求4所述的交叉路口自主管控系统，其特征在于，所述通行调度模块用于根据车辆进行交叉路口的初始状态和退出交叉路口的结合状态，以匀速、快速通过交叉路口为目标，结合交叉路口的速度限制进行行驶轨迹曲线仿真，得到车辆在每一时刻的状态。
6.如权利要求5所述的交叉路口自主管控系统，其特征在于，所述冲突消解模块执行的冲突消解操作为:当为车辆在为其分配的初始虚拟车道上对栅格的占用时间存在冲突时，对到达冲突栅格之前的行驶轨变重新仿真，直到该冲突栅格不再被该车辆占用。
7.如权利要求1所述的交叉路口自主管控系统，其特征在于，所述交通管理器(I)与车载驾驶辅助设备(2)以文件方式传输和存储所述导航信息。
8.如权利要求1所述的交叉路口自主管控系统，其特征在于，所述车载驾驶辅助设备(2)包括通行评估与指示模块，所述通行评估与指示模块根据所述导航信息进行本地的通行规划检查，并在检查无误后指示车辆或车辆驾驶者按照导航信息通过交叉路口。
9.如权利要求6所述的交叉路口自主管控系统，其特征在于，所述车载驾驶辅助设备(2)还包括存储模块，该存储模块用存储交叉路口地图和由交通管理器发送的导航信息。
10.如权利要求1所述的交叉路口自主管控系统，其特征在于，所述车载驾驶辅助设备(2)通过对比车 辆位置和目标位置、车辆速度和目标速度、车辆加速度和目标加速度，并通过指示终端界面上的箭头滑块位置来指导驾驶员的加减速操作。
全文摘要
本发明公开了一种交叉路口自主管控系统，包括一个交通管理器(1)和至少一个车载驾驶辅助设备(2)，交通管理器(1)与所述车载驾驶辅助设备(2)通过一个无线通信网络进行无线通信，车载驾驶辅助设备(2)向所述交通管理器(1)传送车辆的状态信息和通行请求信息，接收由所述交通管理器(1)发出的导航信息；交通管理器(1)根据车载驾驶辅助设备(2)传送的车辆的状态信息和通行请求，为车载驾驶辅助设备(2)所在的车辆规划虚拟车道和通行速度，并根据该所规划的虚拟车道和通行速度产生该车辆的导航信息，并将该导航信息传送给车载驾驶辅助设备(2)。本发明能提高智能车辆通过智能交叉路口的通行效率。
文档编号G08G1/0969GK103177596SQ201310058330
公开日2013年6月26日 申请日期2013年2月25日 优先权日2013年2月25日
发明者黄武陵, 王飞跃, 耿征 申请人:中国科学院自动化研究所