基于编队控制的信号交叉口智能网联车辆轨迹平滑方法

本发明涉及车辆轨迹控制，具体涉及一种基于编队控制的信号交叉口智能网联车辆轨迹平滑方法。

背景技术：

1、智能网联驾驶技术的产生与发展是现代交通领域最具变革性的进展之一，这项技术目的是通过实时通讯及数据交换提高车辆自主性和行驶效率，它们对于减少道路事故、燃料消耗和道路拥堵至关重要。尽管目前已有关于无信号交叉口通行策略的研究，但在城市逐步向智慧交通转型的过程中，对智能网联汽车通过交通信号灯进行交通管理仍有重要意义。当车辆在通过信号交叉口区域时，如频繁地产生启停、怠速行驶和疾驰等不良驾驶行为，会导致能源消耗和污染物排放的加剧。对此，如何优化进入交叉口的智能网联车辆运行轨迹，以减少急加速/减速和空转为目标，从而改善交叉口处交通运行状况，便是一个亟需解决的关键问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于编队控制的信号交叉口智能网联车辆轨迹平滑方法。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于编队控制的信号交叉口智能网联车辆轨迹平滑方法，包括以下步骤：

4、将信号交叉口上游区域划分为自由行驶区、车辆编队区和速度引导区，并确定速度引导区的长度和智能网联车辆的编队长度；

5、根据智能网联车辆从自由行驶区进入车辆编队区的行驶状态和运动关系，采用增量式pid算法对智能网联车辆之间的间距和速度进行控制；

6、根据智能网联车辆从车辆编队区进入速度引导区时的信号灯状态，对智能网联车辆进行速度引导以平稳通过信号交叉口。

7、作为可选地，确定速度引导区的长度包括以下步骤：

8、根据智能驾驶模式跟驰模型对智能网联车辆特性进行分析，智能网联车辆在行驶拥堵时车辆加速度趋向于拥堵流行驶状态，计算速度引导区的长度为：

9、

10、其中，lg为速度引导区的长度，max为取最大值函数，vmax为智能网联车辆的最大速度，vmin为智能网联车辆的最小速度，amax为智能网联车辆的的最大加速度，s*(v,δv)为期望跟车距离，s为当前智能网联车辆与前一智能网联车辆的车距，v为智能网联车辆的当前速度，v0为智能网联车辆的期望速度，tr为驾驶员的反应时间，dmax为智能网联车辆的的最大减速度。

11、作为可选地，根据智能网联车辆从自由行驶区进入车辆编队区的行驶状态和运动关系，采用增量式pid算法对智能网联车辆之间的间距和速度进行控制，包括以下步骤：

12、根据智能网联车辆从自由行驶区进入车辆编队区时的速度、加速度以及距离信号交叉口的纵向位置，确定智能网联车辆的行驶状态和运动关系；

13、根据智能网联车辆的行驶状态和运动关系，基于车辆纵向的动力学模型建立车辆纵向速度与加速度的一阶线性微分方程；

14、根据车辆纵向速度与加速度的一阶线性微分方程，以积分项的增量计算构建增量式pid算法，对智能网联车辆之间的间距和速度进行控制。

15、作为可选地，增量式pid算法的控制模型为：

16、ω(k)＝kpδerror(k)+kiδerror(k)+kd[δerror(k)-δerror(k-1)]

17、其中，ω(k)为位置误差的变化量，kp为比例系数，δerror(k)和δerror(k-1)分别为第k次和第k-1次控制器的误差，ki为积分系数，kd为微分系数。

18、作为可选地，根据智能网联车辆从车辆编队区进入速度引导区时的信号灯状态，对智能网联车辆进行速度引导以平稳通过信号交叉口，包括以下步骤：

19、根据目标车辆列队中头车抵达速度引导区起点时的当前位置、当前速度、当前时刻以及信号灯状态，判断目标车辆列队能否以当前速度匀速通过信号交叉口；若是，则控制智能网联车辆保持原速度匀速通过信号交叉口；否则进行下一步骤；

20、判断目标车辆列队能否在当前信号灯周期加速通过信号交叉口；若是，则控制智能网联车辆在不超过道路限速的情况下加速通过信号交叉口；否则控制智能网联车辆速度进行二次函数平滑减速，以使车辆不停车通过信号交叉口。

21、作为可选地，判断目标车辆列队能否以当前速度匀速通过信号交叉口的判断条件为：

22、

23、其中，lg为速度引导区的长度，v(m,n)为目标车辆列队中头车行驶到速度引导区起点的速度，m为车队序号，n为车辆序号，tg为当前信号周期绿灯时间，tr为当前信号周期红灯时间，dsafe为智能网联车辆的安全间距，lc为智能网联车辆长度，d为目标车辆列队中的智能网联车辆数量，t(m,n)为目标车辆列队中的尾车通过信号交叉口的时间。

24、作为可选地，判断目标车辆列队能否在当前信号灯周期加速通过信号交叉口的判断条件为：

25、

26、其中，lg为速度引导区的长度，v(m,n)为目标车辆列队中头车行驶到速度引导区起点的速度，m为车队序号，n为车辆序号，tg为当前信号周期绿灯时间，tr为当前信号周期红灯时间，ta为智能网联车辆加速到道路限速的时间，a(m,n)为目标车辆列队中智能网联车辆的加速度，dsafe为智能网联车辆的安全间距，lc为智能网联车辆长度，d为目标车辆列队中的智能网联车辆数量，vlimit为智能网联车辆限制的最大速度，t(m,n)为目标车辆列队中的尾车通过信号交叉口的时间。

27、作为可选地，控制智能网联车辆在不超过道路限速的情况下加速通过信号交叉口具体为：

28、控制目标车辆列队中头车的目标速度加速至道路限速，控制目标车辆列队中后车的车辆加速度为：

29、

30、

31、其中，为目标车辆列队中智能网联车辆在t时刻的加速度，amax为智能网联车辆的最大加速度，v(m,n)(t)为目标车辆列队中智能网联车辆在t时刻的速度，s*(v,δv)为期望跟车距离，s为当前智能网联车辆与前一智能网联车辆的车距，v为智能网联车辆的当前速度，v0为智能网联车辆的期望速度，δ为加速度指数。

32、作为可选地，控制智能网联车辆速度进行二次函数平滑减速，以使车辆不停车通过信号交叉口，满足以下条件：

33、

34、其中，lg为速度引导区的长度，v(m,n)为目标车辆列队中头车行驶到速度引导区起点的速度，m为车队序号，n为车辆序号，tg为当前信号周期绿灯时间，tr为当前信号周期红灯时间，a(m,n)为目标车辆列队中智能网联车辆的加速度，dsafe为智能网联车辆的安全间距，lc为智能网联车辆长度，d为目标车辆列队中的智能网联车辆数量，t(m,n)为目标车辆列队中的尾车通过信号交叉口的时间。

35、作为可选地，控制智能网联车辆速度进行二次函数平滑减速具体为：

36、控制目标车辆列队中头车的速度为：

37、vadvice＝v(m,1)(t)+μ(vtarget-v(m,1)(t))×(t-t0)2

38、

39、其中，vadvice为目标车辆列队中头车的速度，v(m,1)(t)为目标车辆列队中头车在t时刻的速度，μ为速度系数，vtarget为目标车辆列队中头车的目标速度，t0为目标车辆列队中头车进入速度引导区的初始时刻，dhead为目标车辆列队中头车距离信号交叉口的距离，cr为红灯时长；

40、控制目标车辆列队中后车的车辆加速度为：

41、

42、

43、其中，为目标车辆列队中智能网联车辆在t时刻的加速度，amax为智能网联车辆的最大加速度，v(m,n)(t)为目标车辆列队中智能网联车辆在t时刻的速度，s*(v,δv)为期望跟车距离，s为当前智能网联车辆与前一智能网联车辆的车距，v为智能网联车辆的当前速度，v0为智能网联车辆的期望速度，δ为加速度指数。

44、本发明具有以下有益效果：

45、(1)本发明针对非饱和路段，在编队控制区，根据跟驰模型特性，在不同的道路限速下，推导交叉口引导段和车队的合理长度，优化编队场景。提出一种基于增量式pid控制器的车辆主动编队方法，通过参数调节来优化pid控制器，实现车辆间距和速度的协调控制，提高编队系统的稳定性和响应性能，并在不同交通需求条件下实现车辆的快速编队，为速度引导区的轨迹优化控制提供理论支撑。

46、(2)本发明建立基于编队控制的智能网联车辆轨迹平滑策略，根据信号灯情况，对引导路段上的动力异质车队进行车速引导以优化通行效率。