道路交叉口碰撞避免的安全验证与控制

本文提出了一种监控算法的设计，该算法监控道路交叉口的安全性，并在必要时以安全输入覆盖驾驶员输入。该监控器的设计包括两部分：安全验证与控制设计。安全验证旨在判断车辆能否在现有驾驶员输入下无碰撞地通过交叉口。我们将此安全验证问题转化为一个作业车间调度问题，其最小化最大延迟并评估最优代价是否为零。最优代价为零对应于所有车辆均能无碰撞地通过各个冲突区域的情况。由于车辆的非线性二阶动力学，计算最优代价需要求解一个混合整数非线性规划（MINLP）问题。因此，我们通过建立两个相关的混合整数线性规划（MILP）问题来估计该最优代价，这两个问题假设了更简单的车辆动力学。我们证明了这两个MILP问题分别给出最优代价的下界和上界。我们还量化了这些MILP问题的最坏情况近似误差。如果用于计算上界的MILP问题得到正的最优代价，我们设计监控器以安全控制输入覆盖车辆。我们从理论上证明了该监控器能保持交叉口安全且不发生阻塞。计算机仿真进一步验证了这些算法能够在现实规模的问题上实时运行。