基于車聯(lián)網(wǎng)V2V的汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

錢 浩，仇成群

(鹽城師范學(xué)院 新能源與電子工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

?

基于車聯(lián)網(wǎng)V2V的汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

錢 浩，仇成群

(鹽城師范學(xué)院 新能源與電子工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

針對(duì)自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)在車距控制、會(huì)車時(shí)不夠快捷的問題，提出了采用車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了巡航控制系統(tǒng)，并給出了車聯(lián)網(wǎng)策略運(yùn)作流程和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。在設(shè)定的駕駛環(huán)境中，進(jìn)行車輛跟車、變道等試驗(yàn)。通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)有效地提高了車距控制、協(xié)調(diào)會(huì)車等方面的控制性能，并具有較高的穩(wěn)定性，可以較好地滿足汽車自適應(yīng)巡航控制要求。

車聯(lián)網(wǎng)；自適應(yīng)巡航控制；策略；V2V

自適應(yīng)巡航控制(Adaptive Cruise Control，ACC)系統(tǒng)既可以人工操縱，也可以自動(dòng)控制操控。將汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(Anti-lock Brake System，ABS)和驅(qū)動(dòng)輪防滑(Acceleration Slip Regulation，ASR)系統(tǒng)等安全系統(tǒng)集成到ACC中，巡航安全得以保障[1-3]，國內(nèi)對(duì)自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)研究尚在初級(jí)階段[4-6]。針對(duì)自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)在車距控制不夠穩(wěn)定、協(xié)調(diào)會(huì)車不夠快捷問題，文中提出了利用車聯(lián)網(wǎng)V2V(Vehicle-Vehicle)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多種路況的汽車自適應(yīng)巡航控制。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

巡航控制系統(tǒng)主要包含：傳感器信息采集單元，數(shù)據(jù)處理單元，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和人機(jī)界面等[2-5]，巡航系統(tǒng)組成圖如圖1所示。雷達(dá)用于檢測(cè)前方道路上是否存在速度較慢的車輛并測(cè)量車距，ACC系統(tǒng)會(huì)根據(jù)車速判斷車輛之間的安全距離，自動(dòng)通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度和適當(dāng)制動(dòng)來控制車速。自適應(yīng)控制避免了頻繁的取消再設(shè)定過程。自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。圖2中CC模塊是轎車中廣泛使用的巡航模塊，通過距離與反饋的前車車速和實(shí)際車速傳遞給自適應(yīng)模塊A，經(jīng)過自適應(yīng)模塊算法給出最優(yōu)車速，該速度值將代替駕駛員設(shè)置的初始值，不斷改變車速，達(dá)到自適應(yīng)巡航控制。

圖1 系統(tǒng)組成圖

圖2 自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)控制原理

2 基于車聯(lián)網(wǎng)V2V的巡航控制

2.1 車聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系的規(guī)劃

將控制協(xié)議、智能交通信息、數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議等數(shù)據(jù)格式融合成統(tǒng)一格式，形成車聯(lián)網(wǎng)獨(dú)有的網(wǎng)絡(luò)和傳輸模塊。車聯(lián)網(wǎng)需要建設(shè)基站，能夠利用WiFi、WiMAX、4G等為車輛提供網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)的綜合基站[7-11]。車聯(lián)網(wǎng)須為車聯(lián)網(wǎng)通信提供身份認(rèn)證、車輛密鑰管理等提供嚴(yán)密的信息安全管理，保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中不被篡改、丟失，廣播時(shí)不能發(fā)送錯(cuò)誤和欺騙的信息，安全應(yīng)用需要高度精確的全網(wǎng)同步。

2.2 車載互聯(lián)通訊

車載網(wǎng)系統(tǒng)主要利用每輛車上所搭載的通訊終端的信息傳輸單元，通過高速無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)出信號(hào)，包括車輛實(shí)時(shí)的車速、方向、地理位置、導(dǎo)航路線等[12-15]。周圍其它的車輛利用信息接收單元可以實(shí)時(shí)的接收該無線信息，同時(shí)從車載終端上發(fā)出類似的回饋信息，這樣車輛之間形成一種信息互動(dòng)交換的過程。

2.3 車聯(lián)網(wǎng)通訊標(biāo)準(zhǔn)

車聯(lián)網(wǎng)是一種特殊的移動(dòng)自組織網(wǎng)(Vehicle Ad Hoe Network，VANET)，行駛中的車輛自動(dòng)組織范圍網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中提供信息服務(wù)交流，包括速度、行駛軌跡、優(yōu)先行駛等信息，車輛之間不斷進(jìn)行V2V通信，不間斷的獲得車輛之間的速度信息、軌跡信息，使司機(jī)行駛充分利用道路空間，避免發(fā)生擁擠[2-9]。

2.4 汽車自適應(yīng)巡航控制的新策略

在現(xiàn)有汽車自適應(yīng)巡航的技術(shù)基礎(chǔ)上，運(yùn)用車聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)通訊技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)：(1)通過車載互聯(lián)通訊的終端，不僅是實(shí)現(xiàn)車載互聯(lián)通訊，還可收集數(shù)據(jù)；(2)車輛對(duì)環(huán)境的感知和分析的數(shù)據(jù)都可以共享；(3)探測(cè)四周車輛環(huán)境變化；(4)巡航控制速度經(jīng)過車聯(lián)網(wǎng)協(xié)同分配得到最合理高效的行駛速度；(5)車輛之間規(guī)劃好合理車距，合理安排道路區(qū)間，做到高于正常行駛速度的安全速度；(6)拓寬了傳感器單元的運(yùn)用限制。

2.5 車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理方法

最優(yōu)的數(shù)據(jù)處理方法是采用云計(jì)算處理來自汽車終端采集的數(shù)據(jù)[12-15]。引入大數(shù)據(jù)分析，利用車聯(lián)網(wǎng)信息，可以做到縮短運(yùn)行距離、減少駕駛員操作時(shí)間，可以分析各時(shí)間段車流分布情況，根據(jù)客氣候、節(jié)假日、車況事故、歷史同期數(shù)據(jù)等條件，最快的速度應(yīng)對(duì)這些影響行車的因素進(jìn)行調(diào)整線路和出行時(shí)間等。

2.6 車聯(lián)網(wǎng)ACC巡航控制流程

車聯(lián)網(wǎng)ACC巡航控制流程圖如圖3所示。通過車聯(lián)網(wǎng)連接的車輛不會(huì)出現(xiàn)在彎道上追蹤目標(biāo)丟失問題。跟隨車輛既可以保證對(duì)前車狀況的交流，又可以計(jì)算前車的位置，對(duì)車輛位置探測(cè)不僅可以減少事故發(fā)生，還可以通過對(duì)距離的控制提高行駛速度，可以更好的利用道路資源。車輛通過網(wǎng)絡(luò)互換信息，可對(duì)路線進(jìn)行規(guī)劃，經(jīng)系統(tǒng)處理后分配過彎優(yōu)先次序，也可采用強(qiáng)制性限速來保證行車安全。通過對(duì)各種道路進(jìn)行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，可以對(duì)每條道路的最高時(shí)速進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，做到據(jù)路況進(jìn)行分時(shí)段限速，為汽車自適應(yīng)巡航提供更高的安全保障。

圖3 車聯(lián)網(wǎng)ACC巡航控制流程圖

3 系統(tǒng)巡航試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)過程

(1)試驗(yàn)車輛選擇。為達(dá)到高低速巡航的最優(yōu)化，選用三輛試驗(yàn)車，試驗(yàn)中選取試驗(yàn)車型為豐田凱美瑞雙擎2.5HQ旗艦版，它是油電混合動(dòng)力車型，配置豐富。具有試驗(yàn)所必須的設(shè)施，具有車前車后雷達(dá)、倒車影像、全景攝像頭、定速巡航、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、人機(jī)交互界面等；

(2)道路環(huán)境配置。每輛試驗(yàn)車上安裝車載通信設(shè)備，要求保證車輛之間在彼此的通信范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速的信息傳輸，在道路旁設(shè)置專門的路測(cè)單元；

(3)試驗(yàn)道路選取。行車路段為：江蘇省鹽城師范學(xué)院南門口松江路段，全程約1.1 km。此路段限速70 km/h，此路段車輛和行人都較少，對(duì)試驗(yàn)的干擾較小，路口彎道方便測(cè)量計(jì)算；

(4)測(cè)量工具選取。選用博士能(Bushnell)VELOCITY 10-1911雷達(dá)測(cè)速儀，測(cè)速范圍16～320 km/h，測(cè)量精度：+/-1.0 MPH；艾普瑞高精度測(cè)距一體機(jī)TP210，測(cè)程范圍5～1 300 m，測(cè)距精度±0.2 m；得力(Deli)數(shù)顯輪式測(cè)距輪DL9713，輪直徑160 mm。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

使用V2V技術(shù)，對(duì)3輛車行駛距離變化分析，保證安全距離，節(jié)約起停時(shí)的人為速度設(shè)定、距離判斷所需時(shí)間，旨在提高汽車自適應(yīng)巡航駕駛利用率。3輛試驗(yàn)車的行駛路程圖如圖4所示，啟動(dòng)車載互聯(lián)通訊，通過速度差來實(shí)現(xiàn)短途的車間安全間距，行駛前后的10 s內(nèi)不得踩剎車踏板來取消巡航，通過V2V技術(shù)控制系統(tǒng)自適應(yīng)降低車速來緩緩變化車距。汽車自適應(yīng)巡航跟車時(shí)，前車變動(dòng)對(duì)巡航穩(wěn)定性影響較大。將3輛試驗(yàn)車模擬車輛彎道、直行和避開障礙物行駛試驗(yàn)，利用車載ECU和雷達(dá)測(cè)得到相關(guān)位移量。為簡(jiǎn)化測(cè)量復(fù)雜度，文中通過后期數(shù)字處理完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。不同工況下，分析車載互聯(lián)通訊技術(shù)策略對(duì)汽車自適應(yīng)巡航的跟車效果，通過記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，選擇合適模式。普通ACC車輛跟車時(shí)，因?yàn)槔走_(dá)測(cè)距和人眼觀察的反饋，前車變道會(huì)有延遲，誤差較大，在4 s時(shí)，由于傳感器單元感知局限性，對(duì)目標(biāo)車輛突然地橫向波動(dòng)無法做出反應(yīng)。裝載汽車互聯(lián)通訊技術(shù)的試驗(yàn)車表現(xiàn)良好，因?yàn)槠渫ㄓ嵥俣瓤煊趥鞲衅鳎囼?yàn)車的路徑與目標(biāo)車輛接近，基本同步變化，駕駛員跟蹤巡航時(shí)，前方車輛經(jīng)過目標(biāo)識(shí)別算法可以判斷是否躲避。當(dāng)前方車輛突然偏移時(shí)，試驗(yàn)車輛能夠同步進(jìn)行偏移，這既增加了汽車自適應(yīng)巡航跟隨能力，又強(qiáng)化了駕駛安全。車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使汽車行駛速度更加規(guī)范，對(duì)車速控制也更加及時(shí)準(zhǔn)確。虛線圈放大圖如圖5和圖6所示：試驗(yàn)車前10 s的路程圖和后10 s的路程圖。設(shè)定目標(biāo)車輛速度為100 km/h，2 s時(shí)變道，橫向位移3 m，變道后車輛橫向不變，行駛400 m，再反向位移回到原車道，5 s時(shí)目標(biāo)車輛又再次回到主車道行駛，10 s時(shí)前方出現(xiàn)彎道，目標(biāo)車輛在非線性的調(diào)整方向行駛。為便于直觀比較，數(shù)據(jù)處理時(shí)減弱了車輛間相對(duì)位置描述，車輛變道及彎道橫向變化如圖7所示。

圖4 三輛試驗(yàn)車的行駛路程圖

圖5 試驗(yàn)車前10s的路程圖

圖6 試驗(yàn)車后10s的路程圖

試驗(yàn)車輛巡航時(shí)，提取一段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出車輛速度變化、車距變化和加速度變化，再經(jīng)數(shù)據(jù)圖形化處理得到試驗(yàn)車輛行車狀況，隨時(shí)間變化的試驗(yàn)車輛速度如表1所示。采集數(shù)據(jù)量大且復(fù)雜，為了便于分析，文中作了簡(jiǎn)化，車輛晃動(dòng)造成車速不穩(wěn)定，只計(jì)算平均值，隨時(shí)間變化的車輛間距(均值)如表2所示；隨時(shí)間變化的車輛加速度如表3所示，加速度變化中省略了加速度為零的狀態(tài)。巡航試驗(yàn)過程中的距離變化、加減速等變化，可從各項(xiàng)數(shù)據(jù)得到驗(yàn)證，經(jīng)計(jì)算得到車輛之間的同步率提高了17.3%，能夠合理進(jìn)行速度分配，緩解交通擁堵。

圖7 車輛變道及轉(zhuǎn)彎?rùn)M向位移對(duì)比圖

行車時(shí)間/s前車車速/km·h-1巡航車速/km·h-10040.30035.61030.430.43030.630.83230.130.43447.947.24050.248.68050.652.08550.451.18850.852.210020.623.9

表2 隨時(shí)間變化的車輛間距(均值)

表3 隨時(shí)間變化的車輛加速度

試驗(yàn)結(jié)果表明，文中建立的基于車聯(lián)網(wǎng)V2V的汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)巡航會(huì)車快捷，能夠保持較佳的安全行駛車距，較傳統(tǒng)巡航控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定，有效降低了剎車踏板的頻率。巡航受擾時(shí)，傳統(tǒng)巡航控制系統(tǒng)能進(jìn)行調(diào)節(jié)，但其反應(yīng)能力和穩(wěn)定性不如擁有車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的車輛，試驗(yàn)車輛在反應(yīng)速度和精確度方面都有較大提高。

4 結(jié)束語

利用車聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)通訊技術(shù)進(jìn)行巡航試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了巡航自適應(yīng)控制，解決了巡航控制速度的限制、安全車距等問題，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有更好的應(yīng)變能力和穩(wěn)定性。通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性，為汽車智能巡航控制的研究提供了參考。

[1] 陳濤,羅禹貢,韓云武,等.智能混合動(dòng)力電動(dòng)車輛多目標(biāo)自適應(yīng)巡航控制方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,53(10):1486-1491.

[2] 潘若愚.物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下基于改進(jìn)蟻群的大城市公交快速響應(yīng)、運(yùn)能優(yōu)化與評(píng)價(jià)研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2014.

[3] 朱燕民,李明祿,倪明選.車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)研究[J].中興通訊技術(shù),2009,15(5):28-32.

[4] 李朋,魏民祥,侯曉利.自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的建模與聯(lián)合仿真[J].汽車工程,2014,34(7):622-626.

[5] 王磊磊,孫萬蓉,魏雪松,等.通用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J].電子科技,2015,28(5):143-146.

[6] 常書林,盧峰,仇成群.基于ZigBee的汽車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技,2016,29(4):66-70.

[7] 徐大遠(yuǎn),王英健,陳冠軍,等.四軸飛行器的動(dòng)力學(xué)建模和位置控制研究[J].電子科技,2015,28(1):69-72.

[8] 雨宮好文,末松良一.機(jī)械控制入門[M].北京:科學(xué)出版社,2000．

[9] Hsu Chunfei,Chen Yichuan.Microcontroller based b-spline neural position control for voice coil motors[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2015,62(9):5644-5654．

[10] 王金晨,紀(jì)成,何印洲.基于PWM 的可調(diào)速電動(dòng)汽車模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其應(yīng)用,2011(6):42-46．

[11] 王立新.模糊系統(tǒng)與模糊控制教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003．

[12] 柳青青,鄭政.AMR傳感器在UBM線性掃描探頭中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(2):146-148．

[13] 程佩青.數(shù)字信號(hào)處理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013．

[14] Li S E,Li K,Wang J.Economy-oriented vehicle adaptive cruise control with coordinating multiple objectives function[J].Vehicle System Dynamics,2013,51(1):1-17．

[15] Jiwani L K,Joshi S D, Visweswaran G S.Priority wavelet packet decomposition and representation[J].IET Signal Processing,2010,27(2):557-567.

Design of Adaptive Cruise Control System Based on Internet of Vehicles

QIAN Hao，QIU Chengqun

(School of Clean Energy and Electron,Yancheng Teachers University,Yancheng 224051,China)

A adaptive cruise control of automotive system based on vehicle networking is designed to solve the system control stability. A corresponding adaptive cruise control strategy is set up. The experimental model is modified for the distance control, coordination and other functions to meet the design requirements. The vehicle changing lanes and cornering simulation experiments verified superior performance in the actual driving environment. The experiment indicates that the design system could reduce the error effectively with rapid response.

internet of vehicles; adaptive cruise control; strategy;vehicle-vehicle

2016- 11- 02

江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃省級(jí)重點(diǎn)基金(201610324007Z)

仇成群(1980-)，男，博士，副教授。研究方向:智能檢測(cè)與控制，汽車電子技術(shù)應(yīng)用等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.025

TN929.5;TP273

A

1007-7820(2017)08-092-04