[发明专利]一种考虑节能减排的自动驾驶车辆速度控制方法

权利要求书

1.一种考虑节能减排的自动驾驶车辆速度控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：采集交叉口的信息、车辆信息，确定车辆在交叉口内部的通行路径方程，通过计算路径间冲突点坐标确定冲突点位置，计算冲突点间的距离；

步骤2：根据车辆进入交叉口的时间和速度，计算车辆经过路径上每个冲突点的时刻；

步骤3：根据所有前车经过路径上每个冲突点的时刻，计算后车理论进入交叉口的时刻；

步骤4：根据后车进入交叉口的理论时刻及理论到达交叉口的时刻，判断车辆在路段上是否必须停车，分两种情况，分别优化车辆在路段上的行驶轨迹；

步骤5：计算每辆车到达交叉口时刻、进入交叉口的速度和时刻，以车辆进入交叉口的速度最大和油耗、碳氧化物、氮氧化物、碳氢化物的总排放加权最小为目标，优化每辆车在路段和交叉口的行驶速度，其中目标函数由公式计算：

min(1-ω)·(V_M-v_n)+ω·∑_AMOE_A,n (1)

式中：ω为权重系数，取值范围为0≤ω≤1，A为中间变量，A∈{Fuel,CO,HC,NOX}，其中Fuel表示油耗，CO表示碳氧化物，HC表示碳氢化物，NOX表示氮氧化物，MOE_Fuel,n表示车辆n的油耗，单位为mg，MOE_CO,n、MOE_HC,n、MOE_NOX,n分别表示车辆n的碳氧化物、碳氢化物、氮氧化物的排放量，单位为ml，V_M表示允许行驶的最大速度，v_n表示车辆n进入交叉口的速度；

所述步骤4，根据后车进入交叉口的理论时刻及理论到达交叉口的时刻，判断车辆在路段上是否必须停车，分两种情况，分别优化车辆在路段上的行驶轨迹，包括如下步骤：

步骤41：车辆不停车达到停车线的最短时间由t_n表示，车辆不停车到达停车线的最长时间由表示，分别公式计算：

式中：Ω表示所有车辆的集合，L_n表示车辆n到停车线的距离，v_min表示在路段上允许行驶的最小速度，a_L表示在路段上允许行驶的最大减速度；

当时，通过调节车辆在路段上的行驶速度，不停车在时刻后进入交叉口，根据车辆位置L_n和调整路段上车辆行驶速度，车辆在L_n处开始优化行驶速度的时刻为0时刻；

a_n,1·(T_n,2-T_n,1)＝V_M-v_n,1 (12)

a_n,2·(T_n,4-T_n,3)＝v_n,2-v_n,1 (13)

0≤a_n,1≤a_L,0≤a_n,2≤a_U (14)

v_min≤v_n,1≤v_n,2≤V_M (15)

0≤T_n,1≤T_n,2≤T_n,3≤T_n,4≤T_n,5 (16)

式中：a_U表示允许行驶的最大加速度，m/s²，T_n,1表示车辆n以最大速度匀速行驶结束的时刻，T_n,2表示减速至v_n,1的时刻，T_n,2-T_n,1阶段为以a_n,1减速度匀减速阶段、T_n,3表示以v_n,1匀速行驶结束的时刻，T_n,3-T_n,2为以v_n,1匀速行驶的阶段，T_n,4为以a_n,2匀加速结束的时刻，T_n,4-T_n,3阶段为以a_n,2加速度匀加速阶段，T_n,5表示以v_n,2匀速结束的时刻，T_n,5-T_n,4为以v_n,2匀速行驶的阶段；a_n,1表示匀减速的实际减速度，a_n,2表示匀加速的实际加速度，v_n,1表示匀减速结束后的速度，v_n,2表示不停车进入交叉口的速度；

步骤42：当车辆可以通过在路段上调节速度不停车进入交叉口时，速度由以下公式计算：

w_n,1≤x_n,1，w_n,2≤x_n,1+x_n,2，w_n,3≤x_n,2+x_n,3，w_n,4≤x_n,3+x_n,4，w_n,5≤x_n,4+x_n,5，w_n,6≤x_n,5

(19)

w_n,1+w_n,2+w_n,3+w_n,4+w_n,5+w_n,6＝1 (20)

x_n,1+x_n,2+x_n,3+x_n,4+x_n,5＝1 (21)

x_n,i＝0 or 1；i＝1,2,3,4,5 (22)

w_n,i≥0；i＝1,2,3,4,5,6 (23)

对于任意的t属于定义域，

t＝w_n,1·0+w_n,2·T_n,1+w_n,3·T_n,2+w_n,4·T_n,3+w_n,5·T_n,4+w_n,6·T_n,5 (24)

可求得：

v_n(t)＝w_n,1·V_M+w_n,2·V_M+w_n,3·v_n,1+w_n,4·v_n,1+w_n,5·v_n,2+w_n,6·v_n,2 (25)

式中：x_n,i，i＝1,2,3,4,5；w_n,i，i＝1,2,3,4,5,6均为中间变量；

步骤43：当车辆可以通过在路段上调节速度不停车进入交叉口时，加速度由以下公式计算：

x_n,i＝0 or 1；i＝6,7,8,9,10 (26)

x_n,6+x_n,7+x_n,8+x_n,9+x_n,10＝1 (27)

x_n,6·0+x_n,7·T_n,1+x_n,8·T_n,2+x_n,9·T_n,3+x_n,10·T_n,4≤t≤x_n,6·T_n,1+x_n,7·T_n,2+y_n,8·T_n,3+x_n,9·T_n,4+x_n,10·T_n,5 (28)

a_n(t)＝x_n,6·0+x_n,7·a_n,1+x_n,8·0+x_n,9·a_n,2+x_n,10·0 (29)

式中：x_n,i，i＝6,7,8,9,10均为中间变量；

步骤44：当时，表示车辆以最小速度不停车行驶到交叉口仍然不能进入，此时车辆必须停车等待；表示车辆n到同一进口车道第j辆车尾的时间，由公式计算：

式中：Ω_Oi表示O进口方向车道i上的车辆集合，d_c表示车辆长度和安全间隔之和，单位为m；

当时，表示车辆n到同车道第j辆车队尾时，第j辆车未进入交叉口，T_j′表示车辆j实际进入交叉口的时刻，此时车辆n在第j辆车车尾停车等待；对所有j∈Ω_Oi进行判断，直到可求得车辆n前排队的车辆数j_n；

t_n,1表示车辆停车后启动匀加速的时间；t_n,2表示车辆停车后启动匀速行驶的时间；

a_n,3·(T_n,7-T_n,6)＝V_M-v_n,3 (34)

a_n,4·(T_n,9-T_n,8)＝v_n,3 (35)

0≤a_n,3≤a_L,0≤a_n,4≤a_L (36)

0≤v_n,3≤V_M (37)

t_n′＝V_M/a_L+[L_n-j_n·d_c-V_M²/(2·a_L)]/V_M (40)

t_n′表示车辆n到达队尾停车的最短行驶时间，表示车辆n到达队尾停车的最长行驶时间；v_min表示在路段上允许行驶的最小速度；T_n,6表示车辆n以最大速度V_M匀速行驶结束的时刻，T_n,7表示减速至v_n,3的时刻，T_n,7-T_n,6阶段为以a_n,3减速度匀减速阶段；T_n,8表示以v_n,3匀速行驶结束的时刻，T_n,8-T_n,7为以v_n,3匀速行驶的阶段，T_n,9为以a_n,4匀减速结束的时刻，为车辆停止的时刻，T_n,9-T_n,8阶段为以a_n,4加速度匀减速阶段；

步骤45：当车辆必须停车等待时，速度v_n(t)由以下公式计算：

z_n,1≤y_n,1，z_n,2≤y_n,1+y_n,2，z_n,3≤y_n,2+y_n,3，z_n,4≤y_n,3+y_n,4，z_n,5≤y_n,4+y_n,5，z_n,6≤y_n,5+y_n,6，z_n,7≤y_n,6+y_n,7，z_n,8≤y_n,7 (42)

z_n,1+z_n,2+z_n,3+z_n,4+z_n,5+z_n,6+z_n,7+z_n,8＝1 (43)

y_n,1+y_n,2+y_n,3+y_n,4+y_n,5+y_n,6+y_n,7＝1 (44)

y_n,i＝0 or 1；i＝1,2,3,4,5,6,7 (45)

z_n,i≥0；i＝1,2,3,4,5,6,7,8 (46)

对于任意的t属于定义域，

可求得车辆n在t时刻的速度v_n(t)：

v_n(t)＝z_n,1·V_M+z_n,2·V_M+z_n,3·v_n,3+z_n,4·v_n,3+z_n,5·0+z_n,6·0+z_n,7·t_n,1·a_U+z_n,8·v_n,4(48)

式中：y_n,i， i＝1,2,3,4,5,6,7； z_n,i， i＝1,2,3,4,5,6,7,8均为中间变量，v_n(t)表示任一t时刻车辆n的速度；v_n,4表示停车后启动进入交叉口的速度；

步骤46：当车辆必须停车等待时，加速度a_n(t)由以下公式计算：

u_n,i＝0 or 1；i＝1,2,3,4,5,6,7 (49)

u_n,1+u_n,2+u_n,3+u_n,4+u_n,5+u_n,6+u_n,7＝1 (50)

a_n(t)＝u_n,1·0+u_n,2·a_n,3+u_n,3·0+u_n,4·a_n,4+u_n,5·0+u_n,6·a_U+u_n,7·0 (52)

式中：u_n,i，i＝1,2,3,4,5,6,7均为中间变量，a_n(t)表示任一t时刻车辆n的加速度。