[发明专利]一种基于规则的自动驾驶交叉口车辆换道控制方法

权利要求书

1.一种基于规则的自动驾驶交叉口车辆换道控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：参数定义和控制模型数据输入；首先将交叉口各进口方向距停车线L米的进口车道区域设置为换道和速度控制区域，L表示换道和速度控制区域的长度，交叉口东、西、南、北四个进口方向分别由字母E、W、S、N表示，O表示方向的集合，O＝{E,W,S,N}；对各方向进口车道编号，用L_o,j表示o方向车道j，o∈O，在每个进口方向的换道和速度控制区建立直角坐标系，通过坐标确定车辆的位置，表示车辆i在第k步迭代结束的坐标；车辆进入交叉口的目标车速用V表示，可换道间隙用D表示，d表示同一车道上相邻车辆的最小安全间隔，距离的单位是米，m，速度的单位是米每秒，m/s，加速度的单位是米每平方秒，m/s²；

步骤2：确定每迭代步中同方向车辆移动次序；当前一步所有车辆换道结束后，根据车辆位置横坐标大小确定下一步计算的先后顺序，按顺序依次计算，在计算当前车辆时，顺序在前的车辆已经行驶了当前步长的距离，顺序在后的车辆在当前步还未移动；

步骤3：在每步中判断车辆是否需要换道，并制定换道规则；当车辆需要换道时，建立判断方法，判断相邻车道是否存在可换道间隙，不存在可换道间隙时，车辆继续向前行驶；存在可换道间隙时，换道车辆按速度限制调整速度，向可换道间隙靠拢，在速度调整时满足同一车道上相邻车辆的最小安全间隔d的约束、与目标车道前后车最小安全间隔的约束；

所述步骤3，包括如下步骤：

步骤31：车辆i进入控制区域前所在车道j用表示，目标车道用L_o,i,J表示，车辆在第k步所在车道用表示，判断与L_o,i,J的大小确定车辆换道需要经过的所有车道集合，当jJ时，车辆i经过的车道集合为当jJ时，车辆i经过的车道集合为当j＝J时，车辆i经过的车道集合

在任一迭代步长中，车辆只允许占用一条车道，因此满足公式(1)约束：

式中：为0-1变量，表示o方向上车辆i在第k步是否在车道j上，表示在车道j上时，否则Γ_o,i表示o方向上车辆i经过的车道集合；Ω_o表示o方向所有进口车道上在换道和速度控制区域的车辆集合，i表示车辆i，i∈Ω_o；K表示车辆最大的迭代次数；

车辆每步只能换道一次，且只能换道相邻车道，因此满足公式(2)约束：

公式(2)表示o方向车辆i在一次迭代中最多换道一次，且只能换道到相邻车道，即车道编号的差值的绝对值小于2，|j-j′|2；当o方向车辆i在k步时在车道j上、即且|j-j′|≥2时，在k+1步不能换道到车道j′，即

由于不能保证车辆一定是在k+1步换道，的为决策变量，但必须保证如果|j-j′|≥2，车辆不能在k+1步换道到车道j′；

步骤32：计算第k+1步迭代车辆的行驶速度；由于迭代步长设置较短，车辆在每迭代步长的时间内纵向速度视为匀速，纵向速度V_y满足公式(3)约束：

V_y＝d_l/(N^*t₀) (3)

式中：V_y表示车辆换道时的纵向速度，N^*表示正整数；

在车辆进入控制区域前采集车辆的初始速度，o进口方向车辆i进入控制区的速度用表示；任一步长横向速度满足公式(4)约束：

其中v_min表示横向速度下限、v_max表示横向速度上限、表示车辆i在第k步的横向速度；

确定车辆横向行驶的加减速参数取值，用a_u和a_d分别表示横向加速度和横向减速度；当车辆在第k+1步匀加速、减速和匀速行驶时，第k+1步结束后的横向速度分别由公式(5)-(7)计算：

若o方向车辆i在第k+1步换道到车道j′，即且则o方向上车辆i在车道j′的横向速度满足公式(8)约束：

公式(8)仅保证当且时，成立，其他任何情况下，与没有联系；

步骤33：计算第k+1步迭代车辆的位移；第k+1次迭代的纵向位移由公式(9)计算：

当车辆在第k+1步匀加速、减速和匀速行驶时，第k+1次迭代的横向位移分别由公式(10)-(12)计算：

步骤34：若o方向车辆i在第k+1步换道到车道j′，即且则o方向上车辆i在车道j′的横距离满足公式(13)约束：

式中：M为很大的正数；

公式(13)仅保证当且时，成立，其他任何情况下，与没有关系；

换道前，需要换道间隙满足约束：

公式(14)中D表示可换道间隙；M₁、M₂都是很大的正数；

公式(14)成立的条件是：o方向k步的车辆i-1和第k+1步的车辆i+1都在车道j′上，即且车辆i在k+1步换道到车道j′，即且

换道后，所在车道满足安全间隔约束，o方向车辆i在第k+1步在车道j′，与车道j′的前车i+1、后车i-1的距离满足公式约束：

由于在计算当前车辆时，顺序在前的车辆已经行驶了当前步长的距离，顺序在后的车辆在当前步还未移动，因此，车辆i和车辆i+1在第k+1步，但车辆i-1为顺序在后的车辆，此时未移动，在第k步；

考虑到换道车辆换入目标车道的车速可能较大，目标车道上相邻前车车速较小，出现紧急刹车情况，考虑到换道的舒适性，速度和安全间隔满足约束条件：

d≥(v_max-v_min)·t₀ (17)

d表示同一车道上相邻车辆的最小安全间隔；公式(17)可保证后车以最大速度v_max、前车以最小速度v_min行驶t₀步长的时间不会追尾；

考虑到车辆尽可能早到交叉口，因此在加速、减速、匀速均满足跟车安全间隔约束的条件下，加速向前寻找可换道间隙的效益大于匀速大于减速，目标函数如下所示：

步骤4：车辆进入目标车道后调节行驶车速，以目标车速V到达交叉口，当交通流很大，有车辆在换道与速度控制区域无法完成换道时，以当前车道行驶，行驶速度调整至目标车速，到达交叉口的车辆根据相互通信避免冲突、穿插通过交叉口。