融合V2I技術實現自動駕駛車輛精準進入待行區

尹潤田

摘 要： 自動駕駛技術的快速發展及廣泛應用對路口的交通安全及通行效率提出了更高的要求，特別是對于L4+級別的自動駕駛，人們希望車輛能夠順暢安全地通過路口。然而，在實際的城市道路環境中，施劃了直行待行和左轉待轉區的交叉路口，自動駕駛車輛很難在合適的時機進入待行區，嚴重影響其他車輛通行，同時也帶來安全風險。基于此，結合車路協同技術（Vehicle to Infrastructure，V2I）、自動駕駛技術、紅綠燈網聯技術、高精度地圖，實現自動駕駛車輛在自動駕駛狀態下精準進入路口待行區。

關鍵詞： 待行區 車路協同 自動駕駛 紅綠燈網聯 高精度地圖

中圖分類號： U495文獻標識碼： A文章編號： 1679-3567（2023）11-0034-04

隨著我國電動汽車保有量的迅速增長，基于L4級別的自動駕駛應用場景在不斷豐富，自動駕駛商業化進程也越來越快，同時也對自動駕駛車輛的交通安全和通行效率提出了更高的要求。國內城市道路建設中，部分交叉路口空間大，出入口距離長，紅綠燈信號利用率不高，路口時空資源存在閑置等情況；為了提高通行效率，部分城市對路口時空資源進行二次挖潛，施劃了直行待行和左轉待轉區域，并配套設置LED待行顯示屏，利用信號控制技術，提前將車輛引入路口待行區，這樣可以充分利用路口時空資源和車道資源，提升路口通行能力，縮短路口排隊長度[1]。

自動駕駛車輛是通過車載感知相機來識別路口紅綠燈信息，對于LED待行顯示屏感知相機目前還無法精準識別，而且車輛進入路口待行區都是在紅燈的狀態，導致自動駕駛車輛很難選擇合適的時機進入待行區，嚴重影響其他車輛通行，降低路口通行效率；需要人工接管影響自動駕駛過程體驗。鑒于此，本文使用車路協同（Vehicle to Infrastructure，V2I）技術[2]、自動駕駛技術、紅綠燈網聯技術，并結合高精度地圖，實現L4級自動駕駛[3]車輛在自動駕駛狀態下精準進入路口待行區。

1 系統整體架構

目前自動駕駛車輛通過路口的方法是通過車輛加裝的感知相機識別路口紅綠燈的狀態顏色，如果是紅燈則停車等待，如果是綠燈則通行。在城市道路交叉口增加了直行待行與左轉待轉區后，人工駕駛的車輛依靠路口LED待行顯示屏“直行車輛進入待行區”和“左轉車輛進入待轉區”提示語進入待行區。自動駕駛車輛感知相機還不能精準識別LED待行顯示屏“直行車輛進入待行區”和“左轉車輛進入待轉區”字樣；或者在“直行車輛進入待行區”“左轉車輛進入待轉區”提示屏損壞的情況下，自動駕駛車輛根本不能識別LED待行顯示屏內容，導致自動駕駛車輛很難準確進入待行區。

為解決這一問題，在路口加裝信號燈學習機、智能網聯（Road Side Unit，RSU）[4]，信號燈學習機通過線纜連接信號燈控制機，以獲取信號燈相位、類型、燈色、時間、待行待轉等信息；RSU通過網線連接信號燈學習機，自動駕駛車端配備有車載網聯終端（On Board Unit，OBU），通過LTE-V（車載專用通信網絡）專用5.9 GHz頻段短程通信技術[5]，RSU和車端建立可靠、有效和安全的車路協同（V2I）通信，RSU同步將路口信號燈相位、類型、燈色、時間、待行待轉等信息發送給自動駕駛車輛，車輛結合自身感知系統與高精度地圖可實現精準進入待行區。

系統整體架構見圖1。

1.1 車路協同（V2I）

車路協同自動駕駛是在單車智能自動駕駛的基礎上，借助LTE-V和4G/5G通信技術，將“人-車-路-云”交通要素有機地聯系在一起，實現車與車（V2V）、車與道路（V2I：主要指道路各類系統和設備設施，如感知設施、路側單元RSU、氣象檢測器、狀態監測設備、交通誘導與控制設施等）、車與云（V2N：地圖平臺、交管平臺、出行服務平臺等）和車與人（V2P）等的全方位協同配合（如協同感知、協同決策規劃、協同控制等），從而滿足不同等級自動駕駛車輛應用需求（如輔助駕駛、高等級自動駕駛），實現自動駕駛單車最優化和交通全局最優化發展目標。

1.2 紅綠燈網聯化

紅綠燈網聯化是由紅綠燈、LED待行顯示屏、信號燈控制機、信號燈學習機、智能網聯RSU、云平臺組成。

紅綠燈、LED待行顯示屏和信號燈控制機是路口標配設備，在路口現有設備的基礎上，加裝信號燈學習機，學習機通過線纜直接連接信號燈控制機，學習機通過采集信號機的信息從而獲取完整的信號燈數據。

采集的紅綠燈信息如表1所示。

在信號燈燈桿上加裝智能網聯RSU設備，通過網線連接信號燈學習機，智能網聯RSU對學習機學習到的信號機數據進行編碼，打包數據并推送至云平臺，同時將數據通過LTE-V通信方式發送給路口自動駕駛智能網聯車輛。

1.3 自動駕駛系統

自動駕駛車端配備有車載網聯終端OBU，用于實時與路側紅綠燈網聯化系統通信；自動駕駛車輛配備有信號燈識別感知相機，用于識別路口紅綠燈信息；配備有激光雷達、毫米波雷達、補盲雷達、高精度定位模塊等感知定位設備；這些設備通過高速線纜接入整車計算單元，計算單元通過CAN/CANFD（全速CAN總線）接入車輛控制單元（VCU），VCU通過控制車輛線控底盤[6]的加速、剎車、轉向、燈光等來驅動自動駕駛車輛行駛。自動駕駛系統基本框架見圖2[7]。

自動駕駛系統有兩種控制策略，一種是基于單車智能，依靠自車感知系統來識別絕大部分路口信號燈信息，自動駕駛車輛的運動控制幾乎全部通過自車感知系統完成，同時自車感知控制策略為第一優先級；另外一種是利用車路協同V2I輔助完成車輛控制的策略，解決單車智能在一些路口無法識別LED顯示屏的問題，能夠讓自動駕駛車輛依靠V2I準確進入路口待行待轉區。當車輛通行有待行待轉區的路口時，車路協同V2I策略啟動，輔助車輛進入待行待轉區。

1.4 高精度地圖

高精度地圖也稱為高分辨率地圖（High Definition Map），是一種專門為自動駕駛服務的地圖。傳統地圖服務的對象是人，駕駛員可以有選擇性去使用它；而高精地圖服務的對象是車輛的后臺，是面向機器的供自動駕駛汽車使用的地圖數據，作為安全屬性存在，對自動駕駛安全性有著至關重要的影響。

高精度地圖包含豐富的語義信息，道路屬性包含有車道數、車道中心線、車道曲率/坡度、車道連續關系、車道方向/寬度、車道類型等數據，道路部件包含有交通信號燈、交通標志、斑馬線、停止線、直行待行區、左轉待轉區、路緣石、防護欄、龍門架、橋梁、高架橋、樹木等數據。作為自動駕駛的記憶系統，高精度地圖輔助車輛實現車道級高精度定位，輔助自動駕駛車輛進行環境感知和路徑規劃，鏈接人、車、路等各種交通參與者[8]。

2 進入路口待行區規則和方法

2.1 直行待行區規則

直行燈為紅燈，左轉燈為紅燈，且LED顯示屏為熄屏狀態時，車輛須在停止線外等待，不得越過停止線，否則會被視為闖紅燈。

直行燈為紅燈，左轉燈為紅燈，且LED顯示屏轉為綠色字樣“直行車輛進入待行區”時，直行車輛可駛入“直行待行區”等待通行，但不得越過待行區停止線。

直行燈轉為綠燈，左轉燈為紅燈，顯示屏由綠色閃爍狀態變為息屏狀態時，直行車輛可駛出“直行待行區”直接通過路口。

“直行待行區”內雖然是虛線，但直行車輛只要駛入待行區，就必須按照導向車道行駛，如在待行區內壓虛線左轉或右轉，均屬于交通違法行為；若“直行待行區”內車輛飽和，后方車輛不得強行駛入或停留在人行橫道線區域等候。

2.2 自動駕駛車輛進入直行待行區方法

自動駕駛系統首先根據高精度地圖與高精度定位模塊完成路徑規劃，車載網聯終端OBU在距離十字路口100 m時開始獲取紅綠燈信息，當自動駕駛車輛行駛至十字路口時，系統判斷車輛是否處于直行車道，然后通過高精度地圖信息獲取該路口的直行待行區域。

若車輛處于直行車道，且直行燈為紅燈時，車輛會自動在停止線外停車等待；此時車路協同策略啟動，車載網聯終端OBU解析路側RSU發來的紅綠燈相位、信號燈類型、燈色和狀態、開始時間和結束時間等信息輸入到自動駕駛計算單元，計算單元結合路口的高精度地圖信息和車輛高精度定位信息，當判斷條件為：直行燈為紅燈，左轉燈為紅燈，且LED顯示屏為綠色字樣“直行車輛進入待行區”時，自動駕駛系統給出指令到車載控制單元VCU，控制車輛準確進入“直行待行區”。

當左轉燈為紅燈，直行燈轉為綠燈，LED顯示屏由綠色閃爍狀態變為息屏狀態時，此時通過自車感知系統識別直行紅綠燈信息，車輛依賴自車感知系統控制車輛駛出“直行待行區”通過路口。

2.3 左轉待轉區規則

直行和左轉燈同時為紅燈，此時不可提前駛入“左轉待轉區”，排隊進入“左轉待轉區”的機動車必須在停車線外等待，不能占用斑馬線。

直行燈為綠燈，左轉燈為紅燈，且LED顯示屏為綠色字樣“左轉車輛進入待轉區”時，左轉車輛可駛入“左轉待轉區”等待通行，但不得越過待轉區停止線。

左轉車輛可駛出“左轉待轉區”通過路口。

2.4 自動駕駛車輛進入左轉待轉區方法

自動駕駛系統首先根據高精度地圖與高精度定位模塊完成路徑規劃，車載網聯終端OBU在距離十字路口100 m時開始獲取紅綠燈信息，當自動駕駛車輛行駛至十字路口時，系統判斷車輛是否處于左轉車道，然后通過高精度地圖信息獲取該路口的左轉待轉區域。

若車輛處于左轉車道，且左轉燈為紅燈時，車輛會自動在停止線外停車等待；由于車輛進入左轉待轉區依靠自車感知系統就可以完成，此時車路協同策略失效，雖解析路側RSU數據，但不采用。當判斷條件為左轉燈為紅燈，直行燈為綠燈時，自動駕駛系統給出指令到車載控制單元VCU，車輛打左轉向燈并準確進入“左轉待轉區”。

當左轉燈轉為綠燈，此時無論直行燈為綠燈或紅燈，車輛識別左轉綠燈直接駛出待轉區左轉通過路口。

3 結語

技術是制約自動駕駛商業化落地的重要因素，自動駕駛車輛對復雜道路場景的適應是彰顯其技術發展的直接反應，本文融合V2I技術，通過增設信號燈學習機和RSU設備，對紅綠燈進行網聯化，實現自動駕駛車輛精準進入路口待行區，解決了自動駕駛車輛進入路口待行區比較困難的場景問題，對彰顯自動駕駛技術及商業化落地起到非常重要的作用。

參考文獻

[1]成都市公安局交通管理局官網[DB/OL].http：//cdjg. chengdu.gov.cn/.

[2]王鯤，董振江，楊凡，等.基于C-V2X的車路協同自動駕駛關鍵技術與應用[J].電信科學，2023，39（3）：45-60.

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[4]陳軍，曾鳴，寧志遠.LTE-V2X車聯網RSU部署[J].電子元器件與信息技術，2019，3（12）：14-15.

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[6]劉建銘，劉建勇，張發忠.新能源汽車智能駕駛線控底盤技術應用研究[J].時代汽車，2022（3）：101-103.

[7]鄒理炎，虞忠潮.智能汽車自動駕駛的控制方法分析[J].時代汽車，2022（2）：180-181.

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