CN110260872B - 一种车路协同环境下基于gps的动态超车轨迹规划系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车路协同环境下基于GPS的动态超车轨迹规划系统，包括车载终端、车载定位模块、路侧设备，其中车载定位模块获取车辆位置、速度、加速度等信息，通过车载定位模块中的发送模块，将上述信息发送至路侧设备；车载终端包括显示模块、发送模块、接收模块、车载导航，其中车载终端中的发送模块将车载导航中该车辆安全行驶所需的车道信息和系统启动指令传输至路侧设备，车载终端中的接收模块接收路侧设备发送的超车轨迹方案，显示模块在车载终端屏幕上显示超车轨迹；路侧设备中的中央计算模块根据超车轨迹算法获得最佳超车轨迹方案，路侧设备的发送模块将最佳超车轨迹方案发送至车载终端。

Description

一种车路协同环境下基于GPS的动态超车轨迹规划系统

技术领域

本发明涉及智能交通信息工程领域，具体是一种车路协同环境下基于GPS的动态超车轨迹规划系统。

背景技术

超车轨迹规划系统，其基本思想是运用车路协同理论，利用网络通信、GPS定位等技术，实现车辆在长直路段的超车轨迹规划功能，从而大大提高道路利用率，降低车辆因跟驰与排队行为而产生的延误。

跟车行驶是道路上车辆的一种常见行驶状态。在该行驶状态下，道路上速度较低前车的延误容易向后方传递，造成跟驰行驶的车辆也产生一定的延误，降低了路网通行效率以及道路利用率。现有的研究多是理论方法，对移动车辆的位置及状态参数等数据缺乏充分利用，难以在实际中进行应用。在车路协同环境下，利用GPS传感器可实时获取车辆的位置、速度等信息，通过无线通讯技术，将信息传输至路侧设备，路侧设备根据车辆对超车的需求情况，按优先级顺序进行超车轨迹规划。为此，本发明基于车路协同理论，利用GPS传感器以及控制逻辑提出一种智能超车轨迹规划系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种车路协同环境下基于GPS的动态超车轨迹规划系统，以实现超车行为轨迹提示与选择，提高超车安全性与道路利用率。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种车路协同环境下基于GPS的动态超车轨迹规划系统，其特征在于：包括设置于车辆中的车载终端、车载定位模块，以及设置在路侧的路侧设备，其中：

路侧设备包括中央计算模块，以及连接中央计算模块的接收模块、发送模块和存储模块；

车载终端包括车载导航，以及连接车载导航的接收模块、发送模块和显示模块；

车载定位模块包括相互连接的GPS传感器和发送模块；

所述车载终端中，车载导航通过连接的发送模块将车辆安全行驶所需的车道信息和系统启动指令向路侧设备发送；同时车载定位模块中，GPS传感器获取车辆的位置、速度、加速度信息数据后通过连接的发送模块向路侧设备发送；

路侧设备中的中央计算模块设置有动态超车轨迹规划算法程序，中央计算模块通过连接的接收模块接收车载终端发出的系统启动指令、车辆安全行驶所需的车道信息，以及接收车载定位模块发出的车辆位置、速度、加速度信息数据，并由中央计算模块将系统启动指令、车辆安全行驶所需的车道信息、车辆位置、速度、加速度信息数据存储在存储模块中，中央计算模块中的动态超车轨迹规划算法程序从存储模块读取系统启动指令后，再从存储模块中读取车辆安全行驶所需的车道信息、车辆位置、速度、加速度信息数据，最终由动态超车轨迹规划算法程序根据车辆安全行驶所需的车道信息、车辆位置、速度、加速度信息数据计算获得最佳超车轨迹方案信息，中央计算模块将最佳超车轨迹方案信息通过连接的发送模块向车载终端发送；

车载终端的车载导航通过连接的接收模块，接收路侧设备发出的超车轨迹方案，并由车载导航将超车轨迹方案送入显示模块进行显示。

所述的一种车路协同环境下基于GPS的动态超车轨迹规划系统，其特征在于：车载终端中的车载导航将最佳超车轨迹方案信息转换为动态图像数据和语音数据，车载终端通过显示模块显示相应的动态图像以及播放相应的语音提示。

所述的一种车路协同环境下基于GPS的动态超车轨迹规划系统，其特征在于：所述动态超车轨迹规划算法程序的工作流程如下：

(1)超车优先级包含在系统启动指令内，系统启动后，首先根据车辆超车优先级顺序生成引导方案，即优先级高的超车车辆优先生成最佳超车轨迹方案信息，其中车辆的优先级可根据需要预先设定；

(2)划分车辆优先级：设超车车辆为B_i，超车车辆优先级为p(B_i)，超车车辆优先级p(B_i)与超车数量Q_i、超车距离s_i、允许超车空间m_i有关，i＝1、2、3……，其中超车车辆优先级p(B_i)与超车数量Q_i、超车距离s_i成反比，与允许超车空间m_i成正比，即p(B_i)＝F(Q_i,s_i,m_i)，对于每次可能变道的位置，称为一个可能变道点；其中，F(Q_i,s_i,m_i)为关于超车数量Q_i、超车距离s_i与允许超车空间m_i的超车概率分布函数，根据概率分布函数的大小确定车辆优先级；

(3)确定超车数量Q_i：根据所述车载定位模块获得车辆的位置，路侧设备根据所接收的车载定位模块信息的数量，得到超车车辆B_i所需要超过的车辆数量，即超车数量Q_i；

(4)确定超车距离s_i：设被超越车辆为A，当超车车辆B_i仅超越单个被超越车辆A时，超车距离s_i的计算公式为：

当超车车辆B_i超越多个被超越车辆为A时，超车距离s_i的计算公式为：

公式(1)、(2)中，s₁为超越车车辆B加速换道行驶距离；s₂为超车车辆B_i匀速并道行驶距离；h_A、h_B分别为车辆间跟驰安全间距；h_i为第i个车辆空隙的安全车距；l_A、l_B分别为超车车辆B和被超越车辆A的车身长度；l_i为第i车辆的车身长度；为超车车辆B_i换道开始时的初始速度，a为超车车辆B_i的加速度，超车车辆B_i的超车速度/>v_A为被超越车辆A的车速(假设该车辆车速不变)；

(5)确定允许超车空间m_i：通过GPS定位系统获取超车车辆周围动态信息，经过分析处理，得到允许超车空间m_i；

(6)根据步骤(3)、(4)、(5)所得的超车数量Q_i、超车距离s_i与允许超车空间m_i，通过步骤(2)判断所有超车车辆的优先级p(B_i)，优先级高的车辆优先生成超车轨迹。当超车条件m_i>s_i满足时，将该可能变道点标示为1，不满足时，将节点标示为0，所有标示为1的可能变道点相连接即为最佳超车轨迹。

与现有技术相比，本发明优点为：

(1)本发明通过超车轨迹规划系统中的控制程序计算出车辆超车所需的安全距离及建议行驶车速，生成超车轨迹，以实现超车车辆的安全行驶，减少道路上的车辆延误，提高道路通行能力。本发明在一定程度上缓解了交通拥堵，提高了道路运输效率。

(2)本发明可实现实时监测，实时传输诱导信息，并且可根据当前交通状况做出实时改变，灵活性强。

(3)本发明基于车路协同环境，将车载GPS设备与远程控制模块相连，实现远程实时监控系统的工作状态。

附图说明

图1是本发明系统计算流程图。

图2是本发明的系统模块组成框图。

图3是本发明超车场景示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图2所示，一种车路协同环境下基于GPS的动态超车轨迹规划系统，包括设置于车辆中的车载终端、车载定位模块，以及设置在路侧的路侧设备，其中：

路侧设备包括中央计算模块，以及连接中央计算模块的接收模块、发送模块和存储模块；

车载终端包括车载导航，以及连接车载导航的接收模块、发送模块和显示模块；

车载定位模块包括相互连接的GPS传感器和发送模块；

如图1所示，车载终端中，车载导航通过连接的发送模块将车辆安全行驶所需的车道信息和系统启动指令向路侧设备发送；同时车载定位模块中，GPS传感器获取车辆的位置、速度、加速度信息数据后通过连接的发送模块向路侧设备发送；

路侧设备中的中央计算模块设置有动态超车轨迹规划算法程序，中央计算模块通过连接的接收模块接收车载终端发出的系统启动指令、车辆安全行驶所需的车道信息，以及接收车载定位模块发出的车辆位置、速度、加速度信息数据，并由中央计算模块将系统启动指令、车辆安全行驶所需的车道信息、车辆位置、速度、加速度信息数据存储在存储模块中，中央计算模块中的动态超车轨迹规划算法程序从存储模块读取系统启动指令后，再从存储模块中读取车辆安全行驶所需的车道信息、车辆位置、速度、加速度信息数据，最终由动态超车轨迹规划算法程序根据车辆安全行驶所需的车道信息、车辆位置、速度、加速度信息数据计算获得最佳超车轨迹方案信息，中央计算模块将最佳超车轨迹方案信息通过连接的发送模块向车载终端发送；

车载终端的车载导航通过连接的接收模块，接收路侧设备发出的超车轨迹方案，并由车载导航将超车轨迹方案送入显示模块进行显示；

车载终端中的车载导航将最佳超车轨迹方案信息转换为动态图像数据和语音数据，车载终端通过显示模块显示相应的动态图像以及播放相应的语音提示。

本发明中，动态超车轨迹规划算法程序的工作流程如下：

(1)超车优先级包含在系统启动指令内，系统启动后，首先根据车辆超车优先级顺序生成引导方案，即优先级高的超车车辆优先生成最佳超车轨迹方案信息，其中车辆的优先级可根据车辆类别或管理需要预先设定，如救护车、消防车、警车等为第一优先级；小型客车为第二优先级；箱式货车为第三优先级等；

(2)划分车辆优先级：设超车车辆为B_i，超车车辆优先级为p(B_i)，超车车辆优先级p(B_i)与超车数量Q_i、超车距离s_i、允许超车空间m_i有关，i＝1、2、3……，其中超车车辆优先级p(B_i)与超车数量Q_i、超车距离s_i成反比，与允许超车空间m_i成正比，即p(B_i)＝F(Q_i,s_i,m_i)，对于每次可能变道的位置，称为一个可能变道点；其中，F(Q_i,s_i,m_i)为关于超车数量Q_i、超车距离s_i与允许超车空间m_i的超车概率分布函数，根据概率分布函数的大小确定车辆优先级；

(3)确定超车数量Q_i：根据所述车载定位模块获得车辆的位置，路侧设备根据所接收的车载定位模块信息的数量，得到超车车辆B_i所需要超过的车辆数量，即超车数量Q_i；

(4)确定超车距离s_i：设被超越车辆为A；

如图3所示，1号车辆所在位置表示超车行为发生前车辆起始位置，虚线表示超车轨迹。为保证1号车辆B_i能顺利完成超车过程，应满足以下几点条件：

A、超车前，超车车辆B_i与被超越车辆A应有足够的安全车头间距，以防止被超越车辆突然减速或紧急制动时发生追尾碰撞或斜向碰撞；

B、超车车辆B_i在超越过程中，行驶距离要大于被超越车在原车道行驶距离与相关的安全间距及车辆长度之和；

C、超车过程中，超车车速要满足超车道的限速条件以及车辆的合理加速度；

D、超车结束后，被超越车辆A与超车车辆B_i之间应有足够的车头间距，以防止超车车辆突然减速或紧急制动时发生追尾碰撞或斜向碰撞；

以仅超越单车为例，超车车辆在超车过程中所行驶的距离应满足如下关系式：

s_B＝s₁+s₂≥s_A+h_A+h_B+l_A+l_B，

式中：s_B为超车车辆B_i在整个超车过程中所行驶的距离；s₁为超车车辆B加速换道行驶距离；s₂为超车车辆B_i匀速并道行驶距离；s_A为被超越车辆A所行驶的距离；h_A、h_B分别为车辆间跟驰安全间距；h_i为第i个车辆空隙的安全车距；l_A、l_B分别为超车车辆B_i和被超越车辆A的车身长度；；l_i为第i车辆的车身长度；

超车车辆B_i若要保证安全超越车辆A，超车车辆B_i在超车过程中所行驶的距离应满足上述关系式，超车车辆B_i的超车过程可以分为2个阶段：

(一)加速换道阶段，换道开始超车车辆B_i以初始速度加速到超车速度加速度为a。此段行程时间为t₁，行驶距离为s₁；

(二)匀速并道阶段，超车车辆B_i以超车速度匀速行驶到原车道，完成一次超车过程。此段行程时间为t₂，行驶距离为s₂；

综上所述，可得：

t＝t₁+t₂，

s_B＝s₁+s₂，

其中：

被超越车辆A总的行驶距离s_A：

将上述公式代入得：

式中，h_B为车辆B_i跟驰时与车辆A所需保持的最小安全间距；

为保证足够安全，本系统只考虑被超越车辆A突然停车时，车辆B_i与车辆A所必须保持的最小行车间距，则：

式中：t_a为驾驶员反应到开始制动的时间，受多个因素影响，一般取1.3～2.4s；a_max为车辆B_i最大加速度，其大小主要跟路面的附着系数有关，满足式a＝fg(g为重力加速度，取值9.8m/s²；f为路面附着系数，一般在0.2～0.8之间)；d₀为安全裕量，一般取值范围在2～5m；

综上所述，超车车辆B_i在超车过程中所行驶的距离为：

若超车车辆B_i需要超过多辆连续的被超越车辆，与上述超越单车类似，则超车距离需要考虑以下情形：

近似认为每辆被超越车辆在超车时间内行驶距离相等，则每辆被超越车辆行驶距离为：

同理可得：

故超车距离为：

(5)确定允许超车空间m_i：通过GPS定位系统获取超车车辆周围动态信息，经过分析处理，得到允许超车空间m_i；

(6)根据步骤(3)、(4)、(5)所得的超车数量Q_i、超车距离s_i与允许超车空间m_i，通过步骤(2)判断所有超车车辆的优先级p(B_i)，优先级高的车辆优先生成超车轨迹。当超车条件m_i>s_i满足时，将该可能变道点标示为1，不满足时，将节点标示为0，所有标示为1的可能变道点相连接即为最佳超车轨迹。

Claims (1)

1.一种车路协同环境下基于GPS的动态超车轨迹规划系统，其特征在于：包括设置于车辆中的车载终端、车载定位模块，以及设置在路侧的路侧设备，其中：

路侧设备包括中央计算模块，以及连接中央计算模块的接收模块、发送模块和存储模块；

车载终端包括车载导航，以及连接车载导航的接收模块、发送模块和显示模块；

车载定位模块包括相互连接的GPS传感器和发送模块；

所述车载终端中，车载导航通过连接的发送模块将车辆安全行驶所需的车道信息和系统启动指令向路侧设备发送；同时车载定位模块中，GPS传感器获取车辆的位置、速度、加速度信息数据后通过连接的发送模块向路侧设备发送；

路侧设备中的中央计算模块设置有动态超车轨迹规划算法程序，中央计算模块通过连接的接收模块接收车载终端发出的系统启动指令、车辆安全行驶所需的车道信息，以及接收车载定位模块发出的车辆位置、速度、加速度信息数据，并由中央计算模块将系统启动指令、车辆安全行驶所需的车道信息、车辆位置、速度、加速度信息数据存储在存储模块中，中央计算模块中的动态超车轨迹规划算法程序从存储模块读取系统启动指令后，再从存储模块中读取车辆安全行驶所需的车道信息、车辆位置、速度、加速度信息数据，最终由动态超车轨迹规划算法程序根据车辆安全行驶所需的车道信息、车辆位置、速度、加速度信息数据计算获得最佳超车轨迹方案信息，中央计算模块将最佳超车轨迹方案信息通过连接的发送模块向车载终端发送；

车载终端的车载导航通过连接的接收模块，接收路侧设备发出的超车轨迹方案，并由车载导航将超车轨迹方案送入显示模块进行显示；

车载终端中的车载导航将最佳超车轨迹方案信息转换为动态图像数据和语音数据，车载终端通过显示模块显示相应的动态图像以及播放相应的语音提示；

所述动态超车轨迹规划算法程序的工作流程如下：

(1)超车优先级包含在系统启动指令内，系统启动后，首先根据车辆超车优先级顺序生成引导方案，即优先级高的超车车辆优先生成最佳超车轨迹方案信息，其中车辆的优先级可根据需要预先设定；

(2)划分车辆优先级：设超车车辆为B_i，超车车辆优先级为p(B_i)，超车车辆优先级p(B_i)与超车数量Q_i、超车距离s_i、允许超车空间m_i有关，i＝1、2、3……，其中超车车辆优先级p(B_i)与超车数量Q_i、超车距离s_i成反比，与允许超车空间m_i成正比，即p(B_i)＝F(Q_i,s_i,m_i)，对于每次可能变道的位置，称为一个可能变道点；其中，F(Q_i,s_i,m_i)为关于超车数量Q_i、超车距离s_i与允许超车空间m_i的超车概率分布函数，根据概率分布函数的大小确定车辆优先级；

(3)确定超车数量Q_i：根据所述车载定位模块获得车辆的位置，路侧设备根据所接收的车载定位模块信息的数量，得到超车车辆B_i所需要超过的车辆数量，即超车数量Q_i；

(4)确定超车距离s_i：设被超越车辆为A，当超车车辆B_i仅超越单个被超越车辆A时，超车距离s_i的计算公式为：

当超车车辆B_i超越多个被超越车辆A时，超车距离s_i的计算公式为：

公式(1)、(2)中，s₁为超车车辆B_i加速换道行驶距离；s₂为超车车辆B_i匀速并道行驶距离；h_A、h_B分别为车辆间跟驰安全间距；h_i为第i个车辆空隙的安全车距；l_A、l_B分别为超车车辆B_i和被超越车辆A的车身长度；l_i为第i车辆的车身长度；为超车车辆B_i换道开始时的初始速度，a为超车车辆B_i的加速度，超车车辆B_i的超车速度/>v_A为被超越车辆A的车速，假设该车辆车速不变；

(5)确定允许超车空间m_i：通过GPS定位系统获取超车车辆周围动态信息，经过分析处理，得到允许超车空间m_i；

(6)根据步骤(3)、(4)、(5)所得的超车数量Q_i、超车距离s_i与允许超车空间m_i，通过步骤(2)判断所有超车车辆的优先级p(B_i)，优先级高的车辆优先生成超车轨迹；当超车条件m_i＞s_i满足时，将该可能变道点标示为1，不满足时，将节点标示为0，所有标示为1的可能变道点相连接即为最佳超车轨迹。