一种三车道及以上道路实现智能车辆串联排列的控制方法

1.本发明涉及一种三车道及以上道路实现智能车辆串联排列的控制方法，在车联网环境下控制各智能网联车协同运动使不同转向车辆完成分离和串联排列，为交叉口控制或车辆编队行驶奠定基础，属于智慧交通技术领域。

背景技术：

2.在智慧交通领域，汽车智能化和网联化是未来发展的趋势之一。智能网联交通系统是一个集车辆自动化、网络互联化和系统集成化三维于一体的技术系统，其目标是逐步发展到聪明的车和聪明的路，从而在提高道路交通效率、缓解交通拥堵和改善交通安全等方面发挥重要作用。智能网联车融合车联网技术和自动驾驶技术，搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置，可实现车与车、车与人、车与路等智能信息交换共享，满足出行者多方面的出行需求。
3.由于智能网联车具备复杂的环境感知、智能决策和协同控制等功能，通过精准控制车辆轨迹可以有效减少超速、闯红灯、酒驾等违法行为。此外，在智能网联环境下，通过感知前方交叉口信号方案，优化运行轨迹，可以提高交叉口运行效率。在未来智能网联车逐步应用的趋势下，如何通过合理的交通管理与控制方法更好的发挥和利用智能网联车的技术优势、提升交通系统的出行效率，是当前交通领域的研究热点与难点之一。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种三车道及以上道路实现智能车辆串联排列的控制方法。
5.本发明的核心思想是，在纯智能网联车辆环境下，针对具有三条及以上车道的路段，基于车联网控制中心实时沟通智能网联车并获取其初始状态信息，协同控制不同转向车辆的分离直到所有车辆达到目标串联排列状态，记录各车辆在移动过程中具体坐标的变换过程，基于车辆动力学性能计算所有控制间隔的用时长度，及所有车辆在各控制间隔内的运行轨迹，最后融合所有控制间隔内的车辆轨迹形成从初始状态到最终目标状态的智能网联车完整运行轨迹。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种三车道及以上道路实现智能车辆串联排列的控制方法，包括如下步骤：
8.s1针对三车道及以上路段，车联网控制中心实时沟通路段上智能网联车，确定当前智能网联车作为控制目标，获取道路信息及车辆初始状态，包括车道与车辆总数、各车辆转向与位置分布，界定智能网联车分布状态；其中，在智能网联车分布状态下，所有车辆横向对齐，纵向保持间距d0，不同转向对应车辆用车a、车b和车c分别表示；
9.s2根据获取的道路信息及智能网联车分布状态，界定不同转向车辆前进车道，其中每个转向至少具有一条前进车道；
10.s3界定虚拟预留空行；所述虚拟预留行r0是完成不同转向车辆换道至对应车道
后，在当前状态第一行前增加空行为车a和车b预留行驶空间；
11.s4智能网联车纵向分离，使所有车a能换道至la前进车道，所有车b能换道至lb前进车道，所有车c能换道至lc前进车道；
12.s5智能网联车协同换道，使不同转向车辆换道至对应目标车道；
13.s6智能网联车同时前进以达到目标状态；具体包括：
14.s61在当前状态第一行前增加r0行虚拟预留空行为车a和车b预留行驶空间；
15.s62所有车a沿la前进车道同时前进，使得la所有车道车a从第一行起紧密排列；
16.s63与s62进行同时，所有车b沿lb前进车道同时前进，使得lb所有车道车b从第(ra+1)行起紧密排列；
17.s64在s62进行同时，所有车c沿lc前进车道同时前进，使得lc所有车道车c从第(ra+rb+1)行起紧密排列；
18.s65在s62完成后，完成所有车a的车道调度；
19.s66在s63完成后，lb前进车道所有车道前rb辆车b往右移动n
lc
个车道，然后仍位于lb前进车道的所有车b同时前进使得车b从第(ra+1)行起紧密排列，若n
lc
＞n
lb
，则lb前进车道包含的所有车道的前rb辆车b再次往右移动1个车道，然后仍位于lb前进车道的所有车b同时前进使得车b从第(ra+1)行起紧密排列；
20.s67在s66完成且所有车a前进至第(ra+1)行前方后，完成所有车b的车道调度；
21.s68在s64和s67完成后，完成所有车c的车道调度。
22.s7记录各车辆的实时位置坐标，基于车辆运动学模型计算各位置变化过程运行轨迹，汇总形成从初始状态到目标状态完整的智能网联车运行轨迹。
23.进一步地，所述s2界定不同转向车辆前进车道的方法为：基于车道数和车辆数确定不同转向车辆前进所用车道，即前进车道，其中，路段车道数为n
l
，车a、车b和车c的车辆数分别为na、nb和nc，车a、车b和车c从左到右依此选择n
la
、n
lb
和n
lc
条车道作为前进车道，标记为la、lb和lc，n
la
、n
lb
和n
lc
的确定方法如下：1)若n
l
\3＝0，n
la
＝n
lb
＝n
lb
＝n
l
/3，n
l
\3表示取余数；2)若n
l
\3＝1，首先令然后确定i，其中，车辆数最大的转向i＝1，其他转向i＝0，若多个转向车辆数一样大，则按车a、车b和车c先后优先级确定优先级高的转向i＝1，其他转向i＝0；3)若n
l
\3＝2，首先令然后确定i，其中，车辆数最小的转向i＝0，其他转向i＝1；若多个转向车辆数一样小，则按车c、车b和车a先后优先级确定优先级高的转向i＝0，其他转向i＝1；表示向下取整。
24.进一步地，所述s3虚拟预留空行的计算方法为：计算车a、车b、车c占据全部车道所需要的行数其中，表示向上取整，从前至后逐个遍历当前状态寻第一个车c所在行l1，则需要增加的空行数为r0＝ra+r
b-l1+1，若r0＜0，则无需增加虚拟预留空行。
25.进一步地，所述s4智能网联车纵向分离，包括以下步骤：
26.s41确定分离过程需遵循的三原则：1)若同一行中不同转向车辆已位于对应前进车道或可同时换道至对应前进车道，则无需纵向分离；2)在纵向分离过程中三种转向车辆前进优先级从高到低为车a、车b、车c；3)若转向相同，在不阻碍换道的情况下，左侧车辆的前进优先级大于右侧车辆的前进优先级；
27.s42从后往前逐个遍历所有行，每一行中优先级高的转向车辆前进直至每一行中所有车辆不相互阻碍其换道至对应前进车道，车辆每前进一行，当前车辆所在行前的所有车辆需前进一行；
28.s43当遍历完所有行后，统计所有车辆的前进步数，然后同时移动以实现纵向分离。
29.进一步地，所述s5智能网联车协同换道，包括以下步骤：
30.s51从后往前逐个遍历所有行确定每一行车辆换道目标车道，并统计换道后各车道累积车辆数，对于各转向车辆，每一行协同换道遵循以下原则：1)若此行转向车辆与其对应前进车道包含车道数相同，则此转向车辆同时完成换道；2)若此行转向车辆少于对应前进车道车道数，按照前进车道各车道累计车辆数从小到大依此选择换道目标车道，若累计车道数相同，选择右侧车道；
31.s52基于协同换道原则统计所有车辆的换道目标车道，然后同时移动以实现协同换道。
32.进一步地，所述s7协同控制过程中的车辆运动学模型如下：
33.车辆的运动包括横向运动和纵向运动；对于横向运动车辆换道，为了降低计算复杂度，单车横向更换一车道的时间固定为tc；车辆纵向运动为车辆前进过程，包括匀速保持状态和加速前进状态；匀速保持状态指：所有车辆的初始纵向速度为v0，在横向换道状态或无加速前进状态时的车辆纵向速度都为v0。加速前进状态指：车辆前进以实现对齐或紧密排列等目标时，初始纵向速度和结束纵向速度都为v0，假设所有自动车同质，其最大速度为v
max
，且加减速时一直保持最大纵向加速度为a
max
和最大纵向减速度-a
max
；
34.进一步地，所述s65中车a车道调度包括以下步骤：
35.s651车a完成在前进车道la第一行起紧密排列后，第(ra+1)行前的所有车a同时向右换道至边缘车道或与其他车辆横向紧密排列；
36.s652在s651完成更换一个车道后，前进车道la剩余所有车a即可同时前进直至第一行起紧密排列；
37.s653重复s651和s652直至所有车a都位于第(ra+1)行前；
38.s654完成所有车a的均匀分布，均匀分布是指所有车道上车a数量之差绝对值小于等于1。
39.进一步地，所述s67车b车道调度包括以下步骤：
40.s671第(ra+rb)行后的所有车b同时换道至最左侧车道起紧密排列；
41.s672第(ra+rb)行后的所有车b同时前进至从第(ra+1)行起紧密排列；
42.s673完成所有车b的均匀分布，均匀分布是指所有车道上车b数量之差绝对值小于等于1。
43.进一步地，所述步骤s68中，车c车道调度包括以下步骤：
44.s681前进车道lc包含的所有车道前rc辆车c同时换道至最左侧车道起紧密排列；
45.s682在s681完成更换一个车道后，前进车道lc剩余所有车c即可同时前进至第(ra+rb+1)行起紧密排列；
46.s683重复s681和s682直至所有车道车c都位于第(ra+rb+rc+1)行前；
47.s684完成所有车c的均匀分布，均匀分布是指所有车道上车c数量之差绝对值小于
等于1。
48.进一步地，所述步骤s655、s673、s684中，车辆均匀分布包括以下步骤：
49.重复运行步骤1)-5)，直到所有车道上车j，j∈{a，b，c}数量之差绝对值小于等于1：1)查车j数最少的车道标记为ld，若多个车道车j数并列最少，则选取最右侧车道标记为ld；2)查车j数最多的车道标记为lu，若多个车道相应转向车辆数并列最多，则优先选取距离ld最近的车道标记为lu，若距离相同，则选取右侧车道；3)标记车道ld最后一辆车的后一行为“移动行”，若该车道无对应转向车，则标记车道lu第一辆车所在行为“移动行”；4)将当前移动行中车道lu到车道ld之间的车j协同向车道ld更换一个车道；5)车道lu内移动行后的所有车j前进一行。
50.本发明的有益效果为：通过对路段上不同转向智能网联车进行控制，可以使智能网联车达到串联排列状态，为交叉口控制或车辆编队奠定基础。
附图说明
51.图1智能网联车分布状态
52.图2智能网联车协同控制过程示例
53.图3车a的车道调度过程
54.图4车b的车道调度过程
55.图5车c的车道调度过程
56.图6智能网联车完整运行轨迹图
具体实施方式
57.本发明提供了一种三车道及以上道路实现智能车辆串联排列的控制方法，包括以下步骤：
58.s1界定智能网联车分布状态
59.对于一路段上的智能网联车，基于车联网控制中心获取路段与车辆初始状态，包括车道总数、车辆总数、各车辆转向、各车辆分布等；在智能网联环境下，规定所有车辆间距为d0，且不同车道车辆行驶时保持横向对齐，即成行排列；智能网联车空间分布状态标记了所有车辆在路段上的相对位置，从前到后遍历各分布状态即从当前状态第一行遍历至当前状态最后一行，车辆转向分为左转、直行和右转三种。
60.以一四车道为例，智能网联车初始状态如图1(a)所示，字母a、b、c分别表示转向车1、转向车2、转向车3，其实际代表转向可根据实际情况选择，空位表示没有车辆占据。串联状态指同一转向车辆占据所有车道，不同转向车辆前后分离，即目标状态为转向车1、转向车2和转向车3的串联排列，如图1(b)中车a、车b和车c的串联排列。
61.s2界定不同转向车辆前进车道
62.基于车道数和车辆数确定不同转向车辆前进所用车道，其中每个转向至少具有一条前进车道；作为一种优选方式，路段车道数为n
l
，车a、车b和车c的车辆数分别为na、nb和nc，车a、车b和车c从左到右依此选择n
la
、n
lb
和n
lc
条车道作为前进车道，标记为la、lb和lc，其中la、lb和lc可代表多条前进车道；则n
la
、n
lb
和n
lc
的确定方法如下：
63.1)若n
l
\3＝0，n
la
＝n
lb
＝n
lc
＝n
l
/3，n
l
\3表示取余数，/表示除号；
64.2)若n
l
\3＝1，首先令然后确定i，其中，车辆数最大的转向i＝1，其他转向i＝0，若多个转向车辆数一样大，则按车a、车b和车c先后优先级确定优先级高的转向i＝1，其他转向i＝0；表示向下取整；
65.3)若n
l
\3＝2，首先令然后确定i，其中，车辆数最小的转向i＝0，其他转向i＝1；若多个转向车辆数一样小，则按车c、车b和车a先后优先级确定优先级高的转向i＝0，其他转向i＝1。
66.s3界定虚拟预留空行
67.为使车辆达到目标状态，在完成不同转向车辆换道至对应车道后，需在当前状态第一行前增加空行为车a和车b预留行驶空间，即为虚拟预留空行，作为一种优选方式，增加行数计算过程为：计算车a、车b、车c占据全部车道所需要的行数行数计算过程为：计算车a、车b、车c占据全部车道所需要的行数从前至后逐个遍历当前状态寻第一个车c所在行l1，则需要增加的空行数为r0＝ra+r
b-l1+1，若r0＜0，则无需增加虚拟预留空行。
68.s4智能网联车纵向分离
69.不同转向车辆之间纵向分离以确保所有车a能换道至la前进车道，所有车b能换道至lb前进车道，所有车c能换道至lc前进车道；作为一种优选方式，换道方法如下：
70.s41确定分离过程需遵循的三原则：1)若同一行中不同转向车辆已位于对应前进车道或可同时换道至对应前进车道，则无需纵向分离；2)在纵向分离过程中三种转向车辆前进优先级从高到低为车a、车b、车c；3)若转向相同，在不阻碍换道的情况下，左侧车辆的前进优先级大于右侧车辆的前进优先级；
71.s42从后往前逐个遍历所有行，每一行中优先级高的转向车辆前进直至每一行中所有车辆不相互阻碍其换道至对应前进车道，车辆每前进一行，当前车辆所在行前的所有车辆需前进一行；
72.s43当遍历完所有行后，统计所有车辆的前进步数，然后同时移动以实现纵向分离。
73.s5智能网联车协同换道
74.不同转向车辆换道至相对应车道使得所有车a位于la前进车道，所有车b能位于lb前进车道，所有车c位于lc前进车道；作为一种优选方式，协同换道过程如下：
75.s51从后往前逐个遍历所有行确定每一行车辆换道目标车道，并统计换道后各车道累积车辆数，对于各转向车辆，每一行协同换道遵循以下原则：1)若此行转向车辆与其对应前进车道包含车道数相同，则此转向车辆同时完成换道；2)若此行转向车辆少于对应前进车道车道数，按照前进车道各车道累计车辆数从小到大依此选择换道目标车道，若累计车道数相同，选择右侧车道；
76.s52基于协同换道原则统计所有车辆的换道目标车道，然后同时移动以实现协同换道。
77.s6智能网联车同时前进以达到目标状态，包括以下步骤：
78.s61在当前状态第一行前增加r0行虚拟预留空行为车a和车b预留行驶空间；
79.s62所有车a沿la前进车道同时前进，使得la所有车道车a从第一行起紧密排列；
80.s63与s62进行同时，所有车b沿lb前进车道同时前进，使得lb所有车道车b从第(ra+1)行起紧密排列；
81.s64在s62进行同时，所有车c沿lc前进车道同时前进，使得lc所有车道车c从第(ra+rb+1)行起紧密排列；
82.s65在s62完成后，完成所有车a的车道调度；作为一种优选方式，车a车道调度包括以下步骤：
83.s651车a完成在前进车道la第一行起紧密排列后，第(ra+1)行前的所有车a同时向右换道至边缘车道或与其他车辆紧密排列；
84.s652在s651完成更换一个车道后，前进车道la剩余所有车a即可同时前进直至第一行起紧密排列；
85.s653重复s651和s652直至所有车a都位于第(ra+1)行前；
86.s654完成车a的均匀分布，均匀分布是指所有车道上车a数量之差绝对值小于等于1；作为一种优选方式，重复运行步骤1)-5)，直到所有车道上车a数量之差绝对值小于等于1：
87.1)查车a数最少的车道标记为ld，若多个车道车a数并列最少，则选取最右侧车道标记为ld；2)查车a数最多的车道标记为lu，若多个车道相应转向车辆数并列最多，则优先选取距离ld最近的车道标记为ld，若距离相同，则选取右侧车道；3)标记车道ld最后一辆车的后一行为“移动行”，若该车道无对应转向车a，则标记车道lu第一辆车所在行为“移动行”；4)将当前移动行中车道lu到车道ld之间的车a协同向车道ld更换一个车道；5)车道lu内移动行后的所有车a前进一行。
88.s66在s63完成后，lb前进车道包含的所有车道前rb辆车b往右移动n
lc
个车道，然后仍位于lb前进车道的所有车b同时前进使得车b从第(ra+1)行起紧密排列，若n
lc
＞n
lb
，则lb前进车道包含的所有车道的前rb辆车b再次往右移动1个车道，然后仍位于lb前进车道的所有车b同时前进使得车b从第(ra+1)行起紧密排列；
89.s67在s66完成且所有车a前进至第(ra+1)行前后，完成车b的车道调度；具体如下：
90.s671第(ra+rb)行后的所有车b同时换道至最左侧车道起紧密排列；
91.s672第(ra+rb)行后的所有车b同时前进至从第(ra+1)行起紧密排列；
92.s673完成车b的均匀分布，方法同完成车a的均匀分布。
93.s68在s64和s67完成后，完成车c的车道调度；具体如下：
94.s681前进车道lc包含的所有车道前rc辆车c同时换道至最左侧车道起紧密排列；
95.s682在s681完成更换一个车道后，前进车道lc剩余所有车c即可同时前进至第(ra+rb+1)行起紧密排列；
96.s683重复s681和s682直至所有车道车c都位于第(ra+rb+rc+1)行前；
97.s684完成车c的均匀分布，方法同完成车a的均匀分布。
98.s7记录各车辆的实时位置坐标，基于车辆运动学模型计算各位置变化过程运行轨迹，汇总形成从初始状态到目标状态完整的智能网联车运行轨迹。
99.其中，车辆运动学模型如下：
100.车辆的运动包括横向运动和纵向运动；
101.对于横向运动车辆换道，为了降低计算复杂度，单车横向更换一车道的时间固定为tc；
102.车辆纵向运动为车辆前进过程，包括匀速保持状态和加速前进状态；匀速保持状
态指：所有车辆的初始纵向速度为v0，在横向换道状态或无加速前进状态时的车辆纵向速度都为v0。加速前进状态指：车辆前进以实现对齐或紧密排列等目标时，初始纵向速度和结束纵向速度都为v0，假设所有自动车同质，其最大速度为v
max
，且加减速时一直保持最大纵向加速度为a
max
和最大纵向减速度-a
max
；
103.对于一智能网联车纵向前进过程，根据位置坐标计算实际运动距离为d，其可能经历两类加减速过程：1)若d较小，车辆尚未到达最大速度v
max
便开始减速，直到恢复v0；2)若d较大，车辆在到达最大速度v
max
后以最大速度v
max
匀速运行一段时间后再开始减速，直到恢复v0；计算到达目标位置所需的时间td，计算方法如下式：
[0104][0105]
以一四车道路段为例，协同控制智能网联车达到目标串联排列状态，具体步骤如下：
[0106]
s1界定智能网联车分布状态
[0107]
基于车联网控制中心获取路段与车辆初始状态，车道总数n
l
＝4，车a、车b和车c的车辆数分别为na＝6、nb＝8和nc＝4；智能网联车初始状态如图1(a)所示，字母a、b、c分别表示左转、直行、右转，空位表示没有车辆占据，所有车辆间距为d0＝12m，不同车道车辆行驶时保持横向对齐，成行排列；智能网联车目标状态如图1(d)所示。
[0108]
s2界定不同转向车辆前进车道
[0109]
计算n
l
\3＝1，则n
la
＝1，n
lb
＝2，n
lc
＝1；车a、车b和车c从左到右依此选择n
la
、n
lb
和n
lc
条车道作为前进车道，标记为la、lb和lc；
[0110]
s3界定虚拟预留行
[0111]
计算车a、车b、车c占据全部车道所需要的行数ra＝2、rb＝2、rc＝1，从前至后逐个遍历当前状态寻第一个车c所在行l
c1
＝2，则需要增加的空行数为r0＝2+2-2+1＝3，如图2(c)灰部分所示。
[0112]
s4智能网联车纵向分离
[0113]
不同转向车辆之间纵向分离以确保所有车a能换道至la前进车道，所有车b能换道至lb前进车道，所有车c能换道至lc前进车道，纵向分离后状态如图2(b)所示；此过程车辆最远相对前进距离d＝5d0，基于车辆运动学模型计算可得此过程所需时间t
d1
＝8.94s，开始时间t
s1
＝0s。
[0114]
s5智能网联车协同换道
[0115]
不同转向车辆换道至相对应车道使得所有车a位于la前进车道，所有车b能位于lb前进车道，所有车c位于lc前进车道，协同换道后状态如图2(c)所示；此过程车辆最多更换两个车道，基于车辆运动学模型计算可得此过程所需时间t
d2
＝2*tc＝4s，开始时间t
s2
＝8.94s。
[0116]
s6智能网联车同时前进以达到目标状态
[0117]
s61在协同换道后状态第一行前增加3行虚拟预留空行为车a和车b预留行驶空间；
[0118]
s62所有车a沿la前进车道同时前进，使得la包含的所有车道的车a从第一行起紧密排列，如图3(a)所示；此过程车辆最远相对前进距离d＝7d0，基于车辆运动学模型计算可得此过程所需时间t
d3
＝10.58s，开始时间t
s3
＝12.94s。
[0119]
s63与s62进行同时，所有车b沿lb前进车道同时前进，使得lb包含的所有车道的车b从第3行起紧密排列，如图4(a)所示；此过程车辆最远相对前进距离d＝7d0，基于车辆运动学模型计算可得此过程所需时间t
d4
＝10.58s，开始时间t
s4
＝12.94s。
[0120]
s64与s62进行同时，所有车c沿lc前进车道同时前进，使得lc包含的所有车道的车c从第5行起紧密排列，如图5(a)所示；此过程车辆最远相对前进距离d＝3d0，基于车辆运动学模型计算可得此过程所需时间t
d5
＝6.93s，开始时间t
s5
＝12.94s。
[0121]
s65在s62完成后，完成所有车a的车道调度，调度过程如图3所示，步骤如下：1)第3行前的所有车a同时向右更换3个车道；2)完成更换一个车道后前进车道la剩余所有车a即可同时前进直至第一行起紧密排列；3)第3行前的所有车a同时向右更换2个车道；4)完成更换一个车道后前进车道la剩余所有车a即可同时前进直至第一行起紧密排列；5)寻车a最多车道和最少车道分别为从右到左车道2和车道3；6)第一行标记为移动行，车道2和车道3之间第一行车辆向左更换一个车道；7)车道2剩余车a前进一行；此过程阶段包括更换1车道，前进2d0，更换1车道，前进2d0，更换1车道，前进d06个阶段，基于车辆运动学模型计算此过程耗时t
d6
＝21.32s，开始时间t
s6
＝23.52s。
[0122]
s66在s63完成后，lb前进车道包含的所有车道的前2辆车b往右移动1个车道，然后仍位于lb前进车道的所有车b同时前进使得车b从第3行起紧密排列，如图4(b)和(c)所示；此过程阶段包括更换1车道，前进2d02个阶段，基于车辆运动学模型计算此过程耗时t
d7
＝7.66s，开始时间t
s7
＝23.52s。
[0123]
s67完成车b的车道调度，步骤如下：1)第4行后的所有车b同时换道至最左侧车道起紧密排列；2)第4行后的所有车b同时前进至从第3行起紧密排列，如图4(d)和(e)所示；此过程阶段包括更换2车道，前进2d02个阶段，基于车辆运动学模型计算此过程耗时t
d8
＝9.66s，s66完成后时间t
s81
＝31.18s，由于此过程需在所有车a前进至第三行后开始，其完成时间t
s82
＝38.84s，因此开始时间t
s8
＝38.84s。
[0124]
s68完成车c的车道调度，步骤如下：1)前进车道lc包含的所有车道前1辆车c同时换道至最左侧车道起紧密排列；2)前进车道lc剩余所有车c同时前进至第5行起紧密排列；3)重复1)和2)直至所有车道车c都位于第6行前，如图5所示；此过程阶段包括更换1车道，前进d0，更换1车道，前进d0，更换1车道，前进d06个阶段，基于车辆运动学模型计算此过程耗时t
d9
＝18s，开始时间t
s9
＝48.5s。
[0125]
s7记录各车辆的实时位置坐标，基于车辆运动学模型计算各位置变化过程运行轨迹，汇总形成从初始状态到目标状态完整的智能网联车运行轨迹。
[0126]
将智能网联车初始空间分布最后一辆车所在位置记为纵向原点，将路段最左侧车道边缘记为横向原点；要求完成换道后的车辆行驶于车道中线，车道宽度设为3.5m，则车辆行驶在各车道中线的横向位置分别为1.75m，5.25m，8.75m，12.25m；本例中各项参数设置如下：初始速度v0＝2m/s，路段最大速度v
max
＝2m/s，最大加速度a
max
＝3m/s2，最大减速度a
min
＝-3m/s2，换道时间tc＝2s。
[0127]
图2(d)所示为智能网联车目标状态，记录各车辆的坐标变化，基于车辆运动模型
计算协同控制各过程的具体时长，本例中完成目标排列总计耗时t＝t
d9
+t
s9
＝66.5s，最大到达距离x＝12d0+t*v0＝277m，智能网联车完整运行轨迹如图6所示。图6中t为累计消耗时间，纵向位置x对应着车辆的前进方向，横向位置y对应着车辆的换道方向。每一条连续曲线代表图2中的一智能网联车从初始时刻到完成目标排列的行驶轨迹。
[0128]
本发明未尽事宜为公知技术。
[0129]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种三车道及以上道路实现智能车辆串联排列的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：s1针对三车道及以上路段，车联网控制中心实时沟通路段上智能网联车，确定当前智能网联车作为控制目标，获取道路信息及车辆初始状态，包括车道与车辆总数、各车辆转向与位置分布，界定智能网联车分布状态；其中，在智能网联车分布状态下，所有车辆横向对齐，纵向保持间距d0，不同转向对应车辆用车a、车b和车c分别表示；s2根据获取的道路信息及智能网联车分布状态，界定不同转向车辆前进车道，其中每个转向至少具有一条前进车道；s3界定虚拟预留空行；所述虚拟预留行r0是完成不同转向车辆换道至对应车道后，在当前状态第一行前增加空行为车a和车b预留行驶空间；s4智能网联车纵向分离，使所有车a能换道至l
a
前进车道，所有车b能换道至l
b
前进车道，所有车c能换道至l
c
前进车道；s5智能网联车协同换道，使不同转向车辆换道至对应目标车道；s6智能网联车同时前进以达到目标状态；具体包括：s61在当前状态第一行前增加r0行虚拟预留空行为车a和车b预留行驶空间；s62所有车a沿l
a
前进车道同时前进，使得l
a
所有车道车a从第一行起紧密排列；s63与s62进行同时，所有车b沿l
b
前进车道同时前进，使得l
b
所有车道车b从第(r
a
+1)行起紧密排列；s64在s62进行同时，所有车c沿l
c
前进车道同时前进，使得l
c
所有车道车c从第(r
a
+r
b
+1)行起紧密排列；s65在s62完成后，完成所有车a的车道调度；s66在s63完成后，l
b
前进车道所有车道前r
b
辆车b往右移动n
lc
个车道，然后仍位于l
b
前进车道的所有车b同时前进使得车b从第(r
a
+1)行起紧密排列，若n
lc
＞n
lb
，则l
b
前进车道包含的所有车道的前r
b
辆车b再次往右移动1个车道，然后仍位于l
b
前进车道的所有车b同时前进使得车b从第(r
a
+1)行起紧密排列；s67在s66完成且所有车a前进至第(r
a
+1)行前方后，完成所有车b的车道调度；s68在s64和s67完成后，完成所有车c的车道调度。s7记录各车辆的实时位置坐标，基于车辆运动学模型计算各位置变化过程运行轨迹，汇总形成从初始状态到目标状态完整的智能网联车运行轨迹。2.根据权利要求1所述的三车道及以上道路实现智能车辆串联排列的控制方法，其特征在于，所述s2界定不同转向车辆前进车道的方法为：基于车道数和车辆数确定不同转向车辆前进所用车道，即前进车道，其中，路段车道数为n
l
，车a、车b和车c的车辆数分别为n
a
、n
b
和n
c
，车a、车b和车c从左到右依此选择n
la
、n
lb
和n
lc
条车道作为前进车道，标记为l
a
、l
b
和l
c
，n
la
、n
lb
和n
lc
的确定方法如下：1)若n
l
\3＝0，n
la
＝n
lb
＝n
lb
＝n
l
/3，n
l
\3表示取余数；2)若n
l
\3＝1，首先令然后确定i，其中，车辆数最大的转向i＝1，其他转向i＝0，若多个转向车辆数一样大，则按车a、车b和车c先后优先级确定优先级高的转向i＝1，其他转向i＝0；3)若n
l
\3＝2，首先令\3＝2，首先令然后确定i，其中，车辆数最小的转向i＝0，其他转向i＝1；若多个转向车辆数一样小，则按车c、车b和车
a先后优先级确定优先级高的转向i＝0，其他转向i＝1；表示向下取整。3.根据权利要求1所述的三车道及以上道路实现智能车辆串联排列的控制方法，其特征在于，所述s3虚拟预留空行的计算方法为：计算车a、车b、车c占据全部车道所需要的行数其中，表示向上取整，从前至后逐个遍历当前状态寻第一个车c所在行l1，则需要增加的空行数为r0＝r
a
+r
b-l1+1，若r0＜0，则无需增加虚拟预留空行。4.根据权利要求1所述的三车道及以上道路实现智能车辆串联排列的控制方法，其特征在于，所述s4智能网联车纵向分离，包括以下步骤：s41确定分离过程需遵循的三原则：1)若同一行中不同转向车辆已位于对应前进车道或可同时换道至对应前进车道，则无需纵向分离；2)在纵向分离过程中三种转向车辆前进优先级从高到低为车a、车b、车c；3)若转向相同，在不阻碍换道的情况下，左侧车辆的前进优先级大于右侧车辆的前进优先级；s42从后往前逐个遍历所有行，每一行中优先级高的转向车辆前进直至每一行中所有车辆不相互阻碍其换道至对应前进车道，车辆每前进一行，当前车辆所在行前的所有车辆需前进一行；s43当遍历完所有行后，统计所有车辆的前进步数，然后同时移动以实现纵向分离。5.根据权利要求1所述的三车道及以上道路实现智能车辆串联排列的控制方法，其特征在于，所述s5智能网联车协同换道，包括以下步骤：s51从后往前逐个遍历所有行确定每一行车辆换道目标车道，并统计换道后各车道累积车辆数，对于各转向车辆，每一行协同换道遵循以下原则：1)若此行转向车辆与其对应前进车道包含车道数相同，则此转向车辆同时完成换道；2)若此行转向车辆少于对应前进车道车道数，按照前进车道各车道累计车辆数从小到大依此选择换道目标车道，若累计车道数相同，选择右侧车道；s52基于协同换道原则统计所有车辆的换道目标车道，然后同时移动以实现协同换道。6.根据权利要求1所述的三车道及以上道路实现智能车辆串联排列的控制方法，其特征在于，所述s7协同控制过程中的车辆运动学模型如下：车辆的运动包括横向运动和纵向运动；对于横向运动车辆换道，为了降低计算复杂度，单车横向更换一车道的时间固定为t
c
；车辆纵向运动为车辆前进过程，包括匀速保持状态和加速前进状态；匀速保持状态指：所有车辆的初始纵向速度为v0，在横向换道状态或无加速前进状态时的车辆纵向速度都为v0。加速前进状态指：车辆前进以实现对齐或紧密排列等目标时，初始纵向速度和结束纵向速度都为v0，假设所有自动车同质，其最大速度为v
max
，且加减速时一直保持最大纵向加速度为a
max
和最大纵向减速度-a
max
。7.根据权利要求1所述的三车道及以上道路实现智能车辆串联排列的控制方法，其特征在于，所述s65中车a车道调度包括以下步骤：s651车a完成在前进车道l
a
第一行起紧密排列后，第(r
a
+1)行前的所有车a同时向右换道至边缘车道或与其他车辆横向紧密排列；s652在s651完成更换一个车道后，前进车道l
a
剩余所有车a即可同时前进直至第一行起紧密排列；s653重复s651和s652直至所有车a都位于第(r
a
+1)行前；
s654完成所有车a的均匀分布，均匀分布是指所有车道上车a数量之差绝对值小于等于1。8.根据权利要求1所述的三车道及以上道路实现智能车辆串联排列的控制方法其特征在于，所述s67车b车道调度包括以下步骤：s671第(r
a
+r
b
)行后的所有车b同时换道至最左侧车道起紧密排列；s672第(r
a
+r
b
)行后的所有车b同时前进至从第(r
a
+1)行起紧密排列；s673完成所有车b的均匀分布，均匀分布是指所有车道上车b数量之差绝对值小于等于1。9.根据权利要求1所述的三车道及以上道路实现智能车辆串联排列的控制方法，其特征在于，所述步骤s68中，车c车道调度包括以下步骤：s681前进车道l
c
包含的所有车道前r
c
辆车c同时换道至最左侧车道起紧密排列；s682在s681完成更换一个车道后，前进车道l
c
剩余所有车c即可同时前进至第(r
a
+r
b
+1)行起紧密排列；s683重复s681和s682直至所有车道车c都位于第(r
a
+r
b
+r
c
+1)行前；s684完成所有车c的均匀分布，均匀分布是指所有车道上车c数量之差绝对值小于等于1。10.根据权利要求7-9任一项所述的三车道及以上道路实现智能车辆串联排列的控制方法，其特征在于，所述步骤s655、s673、s684中，车辆均匀分布包括以下步骤：重复运行步骤1)-5),直到所有车道上车j,j∈{a,b,c}数量之差绝对值小于等于1：1)查车j数最少的车道标记为l
d
，若多个车道车j数并列最少，则选取最右侧车道标记为l
d
；2)查车j数最多的车道标记为l
u
，若多个车道相应转向车辆数并列最多，则优先选取距离l
d
最近的车道标记为l
u
，若距离相同，则选取右侧车道；3)标记车道l
d
最后一辆车的后一行为“移动行”，若该车道无对应转向车，则标记车道l
u
第一辆车所在行为“移动行”；4)将当前移动行中车道l
u
到车道l
d
之间的车j协同向车道l
d
更换一个车道；5)车道l
u
内移动行后的所有车j前进一行。

技术总结

本发明公开了一种三车道及以上道路实现智能车辆串联排列的控制方法。在纯智能网联车辆环境下，针对具有三条及以上车道的路段，基于车联网控制中心实时沟通智能网联车并获取其初始状态信息，协同控制不同转向车辆的分离直到所有车辆达到目标串联排列状态，记录各车辆在移动过程中具体坐标的变换过程，基于车辆动力学性能计算所有控制间隔的用时长度，及所有车辆在各控制间隔内的运行轨迹，最后融合所有控制间隔内的车辆轨迹形成从初始状态到最终目标状态的智能网联车完整运行轨迹,为交叉口控制或车辆编队奠定基础。交叉口控制或车辆编队奠定基础。交叉口控制或车辆编队奠定基础。