一种面向信号交叉口区域的混行车群分层协同控制方法

本发明属于混合交通组织及混合车辆控制领域，及混合交通中信号交叉口区域网联自动车与传统人驾车的协同控制领域，尤其涉及一种面向信号交叉口区域的混行车群分层协同控制方法。

背景技术：

1、在网联自动驾驶汽车和通信技术的发展过程中，由网联自动车和传统人驾车组成的混合交通将在未来持续很长一段时间。然而，由于传统人驾车的不可控性和随机性，这将导致频繁的时走时停现象发生。在这种情况下，当交通流量相对较大时，很容易发生交通碰撞，这进一步导致交通效率下降和燃油排放增加。同时，上述问题在信号交叉口区域更为明显，因为车辆在行驶的过程中常常会受到交通信号灯的约束。

2、此外，网联自动车能够通过车车通信和车载传感器获取周围车辆的信息，以自动控制自身的状态，而传统人驾车的不可控性，它只能根据驾驶员感知到的信息跟踪其前面相邻车辆的状态。在这种情况下，可以认为网联自动车随机渗透到传统人驾车之间，以间接引导传统人驾车的驾驶行为，在此情形下那能够被视为一个混行的小群体(即一个网联自动车可以间接引领其后多个传统人驾车的驾驶状态)。同时，在信号交叉口区域不同绿灯相位下，车辆通过信号交叉口区域是一群接着一群的。通过查阅相关文献和专利，很少有文献研究信号交叉口区域混行车群分层协同控制问题。因此，如何更加有效地控制混行车群通过信号交叉口区域是尚待研究的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种面向信号交叉口区域的混行车群分层协同控制方法，在信号交叉口区域交通信号灯约束下避免车辆时走时停的现象发生，以保证在混合交通情况下通过信号交叉口区域的车辆数量最多和燃油效率最大。该方法能够有效保证混行车群在信号灯约束下一致稳定的通过信号交叉口区域，从而提高信号交叉口区域整体的通行效率。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种面向信号交叉口区域的混行车群分层协同控制方法，该方法包括以下步骤：

4、s1、建立信号交叉口区域混合交通场景；

5、s2、构建信号交叉口区域子群划分和子群重组策略；

6、s3、建立领头网联自动车模型及传统人驾车模型；

7、s4、基于交通信息物理系统的视角建立基于分布式mpc的分层协同控制策略，其中包括上层控制器和下层控制器。

8、进一步，在步骤s1中，在信号交叉口区域单车道上包含m辆网联自动车和n辆传统人驾车形成混行车群，且m+n＝n表示车辆总数；，网联自动车之间通过v2v通信相互传递信息，包括：位置、速度和加速度信息，并通过车载传感器测量其前方相邻传统人驾车的速度和距离；传统人驾车通过人类感知获得其前面相邻车辆的状态信息；网联自动车通过v2i通信获取交通信号灯的信号相位信息，传统人驾车通过人类感知获得交通信号灯的信号相位信息，信号相位信息包括信号相位、剩余红灯时间和剩余绿灯时间。

9、进一步，在步骤s2中，包括：s21、构建子群划分策略；s22、建立信号交叉口区域子群重组策略。

10、在步骤s21中，在混合交通条件下，一个以网联自动车为领头车，传统人驾车一辆接一辆的跟随其后自动形成小群体，被称为子群；在此情形下，在信号交叉口区域上游的一个混行车群被视为包括多个子群；如果一个网联自动车后面跟着一个或多个网联自动车，在这种情况下，网联自动车被视为一个单独的子群；将子群的初始状态描述为：

11、

12、式中，pl,vl,al和ll表示第l个子群的位置、速度、加速度和长度，表示第l个子群中领头网联自动车的位置，vl,i和al,i表示第l个子群中的第i辆车的速度和加速度，q表示第l个子群中的车辆数，pl,t表示第l个子群中的尾车，len表示车辆的长度。

13、进一步，在步骤s22中，具体包括以下步骤：

14、步骤s221：交通信号灯通过v2i通信向领头网联自动车传播剩余红灯时间和绿灯时间，驾驶员则通过人的眼睛感知剩余的红灯时间和绿灯时间，剩余红灯时间和绿灯时间分别标记为tr和tg，子群的数量根据网联自动车的数量确定；

15、步骤s222：估计第l个子群能够通过近信号区的时间；第l个子群内的异质车辆根据t时刻当前的状态和信号交叉口区域停车线的位置pstop，估计通过信号交叉口区域的时间为：

16、

17、步骤s223：子群重组；第l个子群内的异质车辆根据获取的剩余红灯时间和绿灯时间，如果和则将第l个子群和第l-1个子群进行重组形成一个新的子群。

18、进一步，在步骤s3中，子群内领头网联自动车模型为：

19、第l个子群中网联自动车的状态空间表示为：

20、

21、式中，其中分别表示第l子群中的领头网联自动车在t时刻的位置、速度和加速度；表示第l-1子群中的尾车在t时刻的速度，且

22、

23、表示在t时刻第l个子群中领头网联自动车的控制输入，其表示为：

24、

25、式中，为第l个子群中领头网联自动车的加速度导数，并作为网联自动车的控制输入；klj,p,klj,v和klj,a表示第l个子群中领头网联自动车与第j个子群中领头网联自动车的位置差、速度差和加速度差的控制增益；p#,0(t)，v#,0(t)，a#,0(t)(#＝j,l)表示第#个子群中领头车的位置、速度和加速度，表示网联自动车期望车间距；

26、若第l个子群中领头网联自动车的前车是网联自动车，那么第l个子群中网联自动车的状态空间被重新写为：

27、

28、进一步，在步骤s3中，传统人驾车模型为：

29、第l个子群中第i辆传统人驾车模型表示为：

30、

31、式中，和分别表示第l子群中第i辆传统人驾车的位置和速度，表示通过人的眼睛获取第l子群中第i辆传统人驾车与它前面相邻车辆i-1之间的车间距，其中*表示传统人驾车或领头网联自动车，ξ1和ξ2表示传统人驾车中驾驶员的响应参数；表示在t时刻第l个子群内第i-1辆车的速度；

32、第l个子群中第i辆传统人驾车通过人为感知估计的车间距和速度误差表示为：

33、

34、式中，和分别表示第l个子群内第i辆传统人驾车的估计车间距和速度误差，和分别表示第l个子群内第i辆传统人驾车的位置和速度，和分别表示第l个子群内第i辆传统人驾车的驾驶员对前车i-1的位置和速度估计；

35、则第l个子群中第i辆传统人驾车模型被重新写为：

36、

37、估计的位置和速度能够被计算为：

38、

39、进一步，在步骤s4中，包括：

40、s41：构建信号交叉口区域基于分布式mpc的上层控制器；

41、s42：建立信号交叉口区域子群之间的下层控制器。

42、进一步，在步骤s41中，包括以下步骤：

43、步骤s411：在预测时域中将输入序列输入到预测模型中，并给出时刻t的预测输出响应；以保证各子群中所有成员车辆的行驶状态在当前时刻和未来预测时域内的整体优化为目标，每个子群的目标函数表示为：

44、

45、式中，τ表示预测步长，np表示预测时域；表示第l个子群内第i辆车的车间距跟踪误差、速度跟踪误差、加速度跟踪误差和控制增量，其中*表示网联自动车或传统人驾车；ψ为每一项的权重系数；

46、步骤s412：根据定义的目标函数求解最优控制输入序列，并将输入序列的第一个值作为控制输入对当前车辆系统进行控制；最优控制求解问题表示为：

47、

48、在求解问题之前，需要计算出终端时间终端时间表示为：

49、

50、将期望速度定义为车辆通过近信号区时的最大速度，并确定所有车辆都达到稳态时的期望加速度为0m/s2；

51、步骤s413：在下一时刻，模型预测控制器根据上一步骤的预测结果与系统实际输出结果的偏差对模型进行反馈修正，并利用目标函数和约束条件再次求解最优控制输入序列，并取该输入控制序列的第一个值作为控制输入。

52、进一步，在步骤s42中，包括以下步骤：

53、步骤s421：子群的下层控制器被设计为：

54、

55、式中，ul(t)表示第l子群的控制输入，kl,p，kl,v，kl,a表示第l子群的控制增益，thd表示子群之间的期望车头时距；kl,p，kl,v，kl,a的控制增益近似等于领头网联自动车的控制增益；

56、步骤s422：计算第l子群在下一时刻的位置和速度为：

57、

58、式中，δt为采样周期；

59、第l个子群内传统人驾车的位置和速度更新为：

60、

61、进一步，采用物理空间刻画在信号交叉口区域异质车辆的行驶行为，并且当前车辆通过从信息空间获取其他车辆的信息和交通信号灯相位信息来调控其自身的驾驶状态；采用信息空间描绘物理空间中的车辆和交通信号灯的映射关系，以及车辆和交通灯之间在不同时间段通过v2v通信、v2i通信、人类感知和车载传感器获取信息的拓扑变化；上层控制器用于在信息空间与物理空间相互映射下保证每个子群中所有成员车辆的行驶状态在当前时刻和未来预测时域内整体最优，下层控制器用于对信息空间与物理空间的混行车群中未通过近信号区的子群进行协同控制。

62、物理空间用于刻画在信号交叉口区域异质车辆的行驶行为，并且当前车辆通过从信息空间获取其他车辆的信息和交通信号灯相位信息来调控其自身的驾驶状态；信息空间用于描绘物理空间中的车辆和交通信号灯的映射关系，以及车辆和交通灯之间在不同时间段通过v2v通信、v2i通信、人类感知和车载传感器获取信息的拓扑变化。

63、本发明的有益效果在于：

64、本发明利用通信技术、自动驾驶技术和车路协同技术获得异质车辆的状态信息和信号灯的相位信息作为控制输入，设计了一种面向信号交叉口区域的混行车群分层协同控制方法，该方法能够提高信号交叉口区域整体的交通效率和安全，可以为解决新型混合交通拥堵和安全提供新视角的优点。

65、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。