1 引言
隨著車輛的增加和道路的建設(shè)，交通事故量尤其是在交叉路口發(fā)生的事故量在逐年增加。死亡率分析報(bào)告系統(tǒng)FARS(Fatality Analysis Reporting System)指出，2009年美國有40.1%的交通事故發(fā)生地點(diǎn)為交叉路口[1]。美國公路交通安全管局的一份報(bào)告指出，在2010年，44.1%的交叉路口事故發(fā)生的原因是由于駕駛員的不當(dāng)監(jiān)測和反應(yīng)[2]。公安部的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2012年全國接報(bào)涉及人員傷亡的路口交通事故4.6萬起，造成1.1萬人死亡5萬人受傷，分別比2011年上升17.7%、16.5%和12.3%[3]。
無人駕駛汽車通過改變汽車的基本使用方式，協(xié)助預(yù)防交通事故，將人們從大量的駕車時(shí)間和隨時(shí)面臨的安全威脅中解放出來。無人駕駛汽車大賽(DARPA Grand Challenge)、各大汽車制造商和Goog1e對無人駕駛汽車的發(fā)展注入了先進(jìn)的技術(shù)，并使得無人駕駛汽車真正上路的目標(biāo)逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。以Google無人駕駛汽車為例，它于2012年5月獲得了美國首個(gè)無人駕駛車輛許可證，并將于2015年～2017年進(jìn)入市場銷售。然而無人駕駛汽車同樣會(huì)碰到如車胎爆裂、油門卡死等突發(fā)狀況，一個(gè)微小的狀況也會(huì)引起撞車事故。基于此，故障自動(dòng)保護(hù)(也稱為自動(dòng)防撞協(xié)議)成為無人駕駛汽車研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。
無人駕駛汽車依靠先進(jìn)的感應(yīng)技術(shù)以車對車V2V(Vehicle—to—Vehicle)或車對路口V2I(Vehicle—to—Intersection)的形式進(jìn)行信息傳輸和交互，在感應(yīng)到事故發(fā)生后躲避撞擊的動(dòng)作需通過計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行控制。目前存在的無人駕駛車輛的防撞系統(tǒng)在感應(yīng)到路口有事故發(fā)生后，都給出了未進(jìn)入路口車輛的躲避策略，但對已在路口內(nèi)部的車輛的躲避策略研究得比較少。本文以Dreser和Stone的基于V2I的自治路口管理協(xié)議AIM(Autonomous Intersection Management)L40為對象，對AIM協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，以提供防撞機(jī)制。
本文結(jié)構(gòu)安排如下：第2節(jié)介紹相關(guān)工作;第3節(jié)對AIM協(xié)議進(jìn)行簡單介紹;當(dāng)路口狹窄或因車輛擁擠空間較小時(shí)，強(qiáng)制轉(zhuǎn)彎可能會(huì)引發(fā)更嚴(yán)重的撞擊，針對這種情況，第4節(jié)首先給出了這種情況的處理方式，然后對AIM的已有算法進(jìn)行改進(jìn)，給出了基于轉(zhuǎn)彎和剎車兩種方式的防撞策略;在第5節(jié)通過一個(gè)實(shí)例表明改進(jìn)后的算法能為車輛提供有效的防撞策略;最后第6節(jié)是本文的總結(jié)。
2 相關(guān)工作
文獻(xiàn)[5～8]等從控制的角度，通過計(jì)算在路口內(nèi)部的車輛的最大可控集合給出防撞機(jī)制，但它只適用于一輛車進(jìn)入事故場景的情形，不能為兩輛以上的車輛同時(shí)給出防撞策略，而且判斷車輛是否屬于最大可控集合是NP困難的[9]。文獻(xiàn)[10]利用無人機(jī)模型給出了多輛車的防撞策略，但是當(dāng)路口車輛較多時(shí)，無人機(jī)模型的個(gè)數(shù)呈指數(shù)式增長，因此這個(gè)方法僅適用于路口車輛較少的情況。文獻(xiàn)[11]給出了一個(gè)基于時(shí)間區(qū)間分配策略的算法，它假設(shè)每輛車有無限多個(gè)防撞策略，當(dāng)多輛車需同時(shí)產(chǎn)生防撞策略時(shí)，他們通過一個(gè)算法對每個(gè)車輛的防撞策略進(jìn)行組合，以找出最優(yōu)防撞策略，因此這個(gè)算法能處理路口車輛較多的情形。Hafner等人在文獻(xiàn)[12]中給出了一個(gè)算法，這個(gè)算法以剎車和限速兩種方式確保車輛沒有相撞的可能性。以上的算法在處理下面兩類事故(如圖1所示)時(shí)存在不足，如圖1a所示，如果所有車輛沒有出現(xiàn)故障，它們會(huì)順利通過路口。但是，當(dāng)車B突然熄火?？吭诼房谥醒霑r(shí)，若采用a11一hard—stop策略，慣性可能會(huì)導(dǎo)致車輛發(fā)生碰撞。這種情況下，應(yīng)采用的策略是，車A向右轉(zhuǎn)向，車C和車D繼續(xù)按原計(jì)劃行駛。圖1b表示若假設(shè)車E在A的右前方，則路口空間不足，此時(shí)若車A向右轉(zhuǎn)向會(huì)導(dǎo)致車E和車A的碰撞。為避免兩者相撞，算法應(yīng)為A預(yù)留空間。
3 AIM協(xié)議
本文將對自治路口管理協(xié)議AIM進(jìn)行改進(jìn)，基于此協(xié)議和前面介紹的現(xiàn)有防撞策略的不足之處，本文提出一個(gè)改進(jìn)的AIM協(xié)議，并用實(shí)驗(yàn)說明該協(xié)議提供的防撞策略的有效性。本節(jié)將簡單介紹AIM協(xié)議的主要內(nèi)容。AIM協(xié)議定義的關(guān)鍵詞是駕駛員代理DA(Driver Agent，用于控制車輛的程序)和路口管理者IM(Intersection Manager，決定是否接受車輛的預(yù)定)。AIM協(xié)議的核心是預(yù)定方式RM(Reservation Mode)。簡單來說，RM的工作步驟為：
(1)即將駛?cè)寺房诘能嘇向IM發(fā)出一個(gè)內(nèi)容為預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間、車速(<限制速度)、駛?cè)胲嚨?、駛出車道的信息，此信息用來預(yù)定路口的塊(注：AIM將路口按水平垂直的方式等分為塊(Tile)，IM根據(jù)A發(fā)出的預(yù)定消息計(jì)算A通過路口時(shí)經(jīng)過的塊序列(每個(gè)時(shí)間段都包含一個(gè)塊序列)。
(2)根據(jù)以上信息，IM對A的行為進(jìn)行模擬，以確定A的預(yù)定是否與之前發(fā)出預(yù)定請求的車輛的路線有沖突(注：IM拒絕A的預(yù)定當(dāng)且僅當(dāng)在車輛B已經(jīng)成功預(yù)定該塊，且根據(jù)模擬B使用該塊的時(shí)間和A是在同一個(gè)時(shí)間段內(nèi))。
(3)如果沒有沖突，IM接受A的預(yù)定;若IM未接受A的預(yù)定，A將重新發(fā)送消息，即回到第(1)步，直到IM接受A的預(yù)定。A在穿過路口時(shí)，每離開一個(gè)塊，就會(huì)向IM發(fā)送一個(gè)消息，通知該塊已經(jīng)空閑，這樣IM將該空閑塊納入其他車輛占用塊的計(jì)算范圍內(nèi)。
4 基于防撞機(jī)制CAP的AIM協(xié)議
本節(jié)分兩種情況對AIM協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，這兩種情況分別是：基于安全距離的剎車防撞機(jī)制;依靠剎車和轉(zhuǎn)彎的防撞機(jī)制。
4.1基于安全距離的剎車防撞機(jī)制
首先考慮一種簡單情況，即僅靠剎車防撞。這種方式雖然簡單，但在特殊情況下，比如在路口極其狹窄，或路口車輛密度很大時(shí)，它是必須的，因?yàn)榇藭r(shí)轉(zhuǎn)彎可能會(huì)造成多輛鄰近車輛的相撞。
下面按照車輛的相對位置對這種策略進(jìn)行分類討論，圖2表示了根據(jù)兩輛車的相對行駛方向得到的車輛的三類相對位置。另外，用區(qū)間表示每輛車加速度的上限和下限，如
定理4的證明比較簡單，故本文省略。定理1～定理3在現(xiàn)有AIM協(xié)議[4]中是無法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樵赗M中沒有將汽車的安全距離考慮在內(nèi)。根據(jù)以上定理，本文對AIM所做的改進(jìn)為：根據(jù)塊占用的前后順序，為所有塊計(jì)算相鄰車輛的安全距離，在車輛穿過路口時(shí)，AIM通過感應(yīng)技術(shù)計(jì)算相鄰車輛的安全距離，若小于安全距離，則提示車輛減速。以上改進(jìn)是合理的，因?yàn)槲覀円?guī)定了它的執(zhí)行條件，即路口寬度小于4m且為同向單車道路口。這種保守的策略保證了無人駕駛車輛的安全性。
4.2依靠剎車和轉(zhuǎn)彎的防撞機(jī)制
當(dāng)路口寬度大于4 m或?yàn)橥蚨嘬嚨缆房跁r(shí)，防撞機(jī)制不僅可使用依賴安全距離的剎車方式，而且還可以選擇更高效的依靠剎車和轉(zhuǎn)彎的防撞機(jī)制。通過一組算法說明本文對AIM調(diào)度策略的改進(jìn)。首先對車輛的動(dòng)作進(jìn)行描述。用微分描述車輛的動(dòng)作：
5 實(shí)例
6 結(jié)束語
目前存在的無人駕駛車輛的防撞系統(tǒng)在感應(yīng)到路口有事故發(fā)生后，都給出了未進(jìn)入路口車輛的躲避策略，但對已在路口內(nèi)部的車輛的躲避策略的研究比較少。自治路口管理協(xié)議AIM的防撞機(jī)制也不能有效地為路口內(nèi)部的車輛給出躲避策略。本文設(shè)計(jì)的算法根據(jù)事故發(fā)生的時(shí)間、監(jiān)測到故障的時(shí)間和給出防撞策略的時(shí)間為路口每個(gè)車輛單獨(dú)設(shè)計(jì)防撞策略，與傳統(tǒng)的計(jì)算最大防撞集合的做法相比，不會(huì)因?yàn)樗惴ǖ牟煌斐刹呗赃z漏。
本文待改進(jìn)的地方是須通過實(shí)驗(yàn)找到合理的時(shí)間步和Texe算法的有效性取決于時(shí)間的更新步長和Texe，步長越小給出的策略越完善，但這卻拉長了從監(jiān)測到故障到給出防撞策略的時(shí)間即Texe如何找到合理的時(shí)間步和Texe。是待解決的問題。
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