无信号交叉口自动驾驶车辆群时空轨迹分布式规划

王莹然

兰州交通大学 交通运输学院 甘肃 兰州 730070

引言

车车通信（V2V）、车路通信（V2I）等技术的发展及普及，使自动驾驶汽车（Autonomous Vehicles，AV）之间可以相互合作[1]。交叉口无须信号灯的协助即可为每辆自动驾驶车辆分配详细的通行方案[2]，在确保安全的同时又提高了交叉口的通行效率[3-4]。

交叉口是不同方向车流交汇区域，不同方向的车流会在交叉口内部产生冲突，部分学者提出通过划分交叉口内部区域并分配路权，进而达到避免冲突的目的。吴伟等[5-6]将交叉口空间离散化，通过网格约束保证车辆在交叉口安全通行；高志波等[7]对同一时刻交叉口内的车辆到达时序及车辆速度进行优化，降低了车辆延误和车均油耗；侯运锋等[8]将交叉口的物理资源划分为路权资源，将通行问题转化为资源调度问题，在此基础上求解车辆最优通行序列；Yesilyurt等[9]将车流通过单车道四向十字交叉口产生的十六个冲突点，简化为四个冲突区域，根据一定通行规则为车辆分配进入冲突区域的优先权，进而避免冲突。

为保证车辆不停车的通过交叉口，将交叉口管控区域划分为缓冲区及冲突区。为便于研究，本文做出以下假设：①所有车辆均为自动驾驶车辆；②车辆在交叉口缓冲区内，可以变速行驶；③车辆在交叉口冲突区内，仅匀速行驶；④车辆不进行变道操作。

1 缓冲区速度控制模型

缓冲区位于车辆进口道，如图1所示，从南进口道开始，逆时针对进口车道进行编号，即对出口车道进行编号，

图1 缓冲区范围图示

2 冲突区速度控制模型

2.1 车辆轨迹模型

依据车道数对冲突区进行网格划分，车道宽度即为网格边长，从冲突区左下角开始，从左到右依次对冲突区的网格进行编号，如图2所示。通过内外轨迹与网格的相交区域[6]确定待规划车辆依次经过的网格集合，且直行车辆与转弯车辆进出网格的时间公式如表1所示：

图2 冲突区网格划分

表1 车辆进出网格时间

2.2 网格约束模型

3 最优速度求解

以单车最大通行速度为目标，以缓冲区速度控制模型、网格速度控制模型及道路限速为约束条件，求解车辆在已有的交通环境下能安全通过缓冲区和冲突区的最优通行速度，通过缓冲区及冲突区速度控制模型公式（1）～（12）确定车辆在缓冲区及冲突区无冲突的速度范围和，再将二者同道路限速范围求交集并取最大值及为车辆的最优安全速度，即

4 仿真验证

本文选取常见的双向六车道十字交叉口，图3展示了80辆测试车辆在30m，50m以及100m缓冲区下的延误对比。

图3 不同缓冲区距离下车辆延误变化

图4展示了60及80辆测试车辆通过交叉口的路径图，每一辆车都是在缓冲区经过了匀加速或匀减速运动到达了最优通行速度，且在冲突区相互不冲突。

图4 车辆在交叉口内的行驶轨迹

5 结束语

针对车辆按照时序进入交叉口的现实情况，对进入交叉口的自动驾驶车辆进行分布式控制，提出缓冲区与冲突区结合的速度调控方式，根据自动驾驶车辆的初始信息，计算其在缓冲区及冲突区的最优速度区间，之后对其进行最优速度反馈，使每一辆车都能在现有的交通情况下达到最优。仿真实验验证了模型的可行性，通过绘制每一辆进入交叉口的车辆时空轨迹验证了不同车辆在时空轨迹上并无交集，本模型实现车辆在交叉口的安全通行，在此基础上通过引入缓冲区，实现车辆不停车通过交叉口。