考慮并線的網(wǎng)聯(lián)車輛巡航控制研究*

張 濤，鄒 淵，張旭東，劉獻(xiàn)韜，王文偉

（1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081； 2.北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100081）

前言

自適應(yīng)巡航控制（ACC）［1］作為重要的輔助駕駛方式之一，受到越來越多的研究與改進(jìn)，通過在傳統(tǒng)ACC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加車間通信（V2V）設(shè)備［2］來獲取周邊車輛信息，并構(gòu)建網(wǎng)聯(lián)協(xié)同控制車隊(duì)，被稱為協(xié)同自適應(yīng)巡航控制（CACC），能夠有效提升交通流通性［3］。與傳統(tǒng)ACC相比，CACC由于能夠通過無線通信直接獲取頭車的速度與加速度信息，可確保車隊(duì)實(shí)現(xiàn)快速跟車響應(yīng)。由于CACC系統(tǒng)通常用于固定的車隊(duì)，且需要指定頭車進(jìn)行集中協(xié)同控制，因此不易于推廣到更廣泛的駕駛方式中。文獻(xiàn)［4］中提出網(wǎng)聯(lián)巡航控制（CCC）可不用局限于固定的車隊(duì)進(jìn)行網(wǎng)聯(lián)巡航控制，每輛車作為獨(dú)立的分布式控制單元，與周圍網(wǎng)聯(lián)車輛進(jìn)行通信并獲取前方與遠(yuǎn)方車輛的信息，根據(jù)延時(shí)與通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃跟車狀態(tài)。因此，網(wǎng)聯(lián)巡航控制（CCC）不僅可實(shí)現(xiàn)更快的控制響應(yīng)，更易于推廣到常規(guī)交通中應(yīng)用，且研究表明其在提高道路通行效率和安全性具有很大的潛力［5］。為了提高傳統(tǒng)CCC系統(tǒng)多場(chǎng)景下的適應(yīng)性，在針對(duì)實(shí)際高速道路上易于出現(xiàn)旁車并線進(jìn)入車隊(duì)的問題，研究一種更安全、響應(yīng)更快速且易于設(shè)計(jì)與控制的分布式CCC系統(tǒng)是非常必要的。

針對(duì)網(wǎng)聯(lián)巡航控制車輛，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)已開展研究，并取得一些研究成果。文獻(xiàn)［6］中基于前饋與反饋構(gòu)建了網(wǎng)聯(lián)巡航控制系統(tǒng)，仿真與實(shí)車對(duì)比了ACC與CCC的跟車效果，驗(yàn)證了CCC能夠在更短的跟車間距下保證隊(duì)列行駛的穩(wěn)定性；文獻(xiàn)［7］中基于線性控制算法以及模型預(yù)測(cè)控制算法（MPC）設(shè)計(jì)網(wǎng)聯(lián)巡航控制策略，但并未涉及底層驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模型設(shè)計(jì)與控制；文獻(xiàn)［8］中基于滑模控制提出前后兩車協(xié)同主動(dòng)避撞算法，但并未考慮旁車入列時(shí)的避障問題；文獻(xiàn)［9］中提出基于模糊支持向量機(jī)算法構(gòu)造旁車并線意圖識(shí)別器，進(jìn)而提升主車的行駛安全性，由于識(shí)別結(jié)果與訓(xùn)練樣本有關(guān)，因此識(shí)別準(zhǔn)確度不能保證；文獻(xiàn)［10］～文獻(xiàn)［12］中詳細(xì)分析了驅(qū)動(dòng)延遲、通信延遲和增益參數(shù)對(duì)隊(duì)列網(wǎng)聯(lián)巡航控制穩(wěn)定性的影響，對(duì)比了不同的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的車輛穩(wěn)定控制參數(shù)取值范圍，但多數(shù)仿真前提條件過于理想化，且并未進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，不宜在真實(shí)交通中推廣；文獻(xiàn)［13］中分析了自動(dòng)駕駛車輛間的并線協(xié)同控制方式，并未考慮并線過程對(duì)主車的影響。目前關(guān)于智能車輛的技術(shù)研究，多集中在跟車的穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)控制上，而對(duì)多變環(huán)境的適應(yīng)性研究拓展比較小，特別是換道車輛干擾主車安全行駛的問題有待深入研究。

本文中設(shè)計(jì)了分布式應(yīng)用的分層CCC網(wǎng)聯(lián)巡航控制系統(tǒng)，并提出一種考慮旁車并線行為的跟車策略，保證在復(fù)雜行駛條件下，針對(duì)任何旁車道車輛并線進(jìn)入主車道的行為，均可以進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別并制定適當(dāng)?shù)母嚲嚯x，進(jìn)而提升網(wǎng)聯(lián)車輛的行駛主動(dòng)安全性和系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性。

1 網(wǎng)聯(lián)巡航控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

網(wǎng)聯(lián)巡航隊(duì)列如圖1所示，在任意相鄰兩車跟隨系統(tǒng)中，當(dāng)?shù)趇輛車作為主車時(shí)，第i+1車為其前車。通常，σ表示車間通信延時(shí)，是由于通信間歇性和數(shù)據(jù)包組丟失引起，通信頻率一般為10 Hz，通常取平均通信周期0.15 s；τ為傳感器驅(qū)動(dòng)延時(shí)，一般為0.1～0.3 s，是由于目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)到執(zhí)行器的響應(yīng)耗時(shí)引起，執(zhí)行器的響應(yīng)一般可表征為1階慣性延遲環(huán)節(jié)［14］，本文中為簡(jiǎn)化傳遞鏈模型，取特定延時(shí)τ≈0.3 s。d和v為前后兩車間的縱向相對(duì)車距和車速，一般通過前向目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)測(cè)得；a為前車加速度，通過V2V通信獲取。

圖1 車輛網(wǎng)聯(lián)巡航行駛示意圖

本文中構(gòu)建了一個(gè)涵蓋感知-決策-控制的分布式分層控制系統(tǒng)，如圖2所示。圖中：vsx，vsy分別表示旁車的橫向、縱向速度；lsy表示旁車與主車的橫向距離；h0，1和 h0，side表示相應(yīng)的兩車縱向距離；感知層用于測(cè)量周圍車輛的相對(duì)距離和速度，V2V用于接收周圍車輛的加速度信息；旁車狀態(tài)模塊用于區(qū)分旁車與前車；跟車策略生成模塊決定是改變當(dāng)前正在執(zhí)行的跟車策略，并將最終決策發(fā)送至跟蹤目標(biāo)生成模塊；跟蹤目標(biāo)生成模塊計(jì)算產(chǎn)生當(dāng)前跟車策略下的期望車速、跟車間距；CCC控制器計(jì)算獲得主車期望加速度，進(jìn)行查表輸出驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)信號(hào)。

圖2 分布式網(wǎng)聯(lián)車輛分層控制系統(tǒng)

1.1 跟車策略

網(wǎng)聯(lián)車輛跟車策略的目標(biāo)是引導(dǎo)主車與前車保持相對(duì)的安全距離與車速，常用跟車距離模型為：固定跟車距離模型、固定跟車時(shí)距模型和非線性間距模型等［15-17］，本文中參考固定跟車時(shí)距模型，跟車距離-速度策略如下：

式中v（h）為對(duì)應(yīng)當(dāng)前車距h時(shí)的主車期望車速，m/s。無旁車時(shí)，主車與前車的間距 h=h0，1，h∈［0，∞），單位為 m，固定車間時(shí)距為 th=（hgo-hst）/vmax。

式（1）對(duì)應(yīng)的距離策略如圖3所示。當(dāng)h＜hst時(shí)，主車期望車速降為0，hst即為停車距離；當(dāng)h＞hgo時(shí)，主車期望車速到達(dá)最大值vmax，主車不再繼續(xù)加速跟隨，確保了隊(duì)列中行駛車輛的安全性。

圖3 跟車速度與跟車距離關(guān)系

本文中設(shè)定 hst=5 m，hgo=35 m，vmax=30 m/s，根據(jù)式（1）可知，60 km/h的跟車速度下，車間距離達(dá)到22 m，足夠一些激進(jìn)駕駛員進(jìn)行并線操作。一般在換道軌跡中間處，旁車縱向速度接近于前車速度，且橫向移動(dòng)速度波動(dòng)不會(huì)太大，可認(rèn)為vsy為定值。研究指出，超過99.7%的車輛會(huì)在12 s內(nèi)完成換道［18］，而國(guó)內(nèi)普通高速公路單車道寬度為3.75 m，橫向移動(dòng)速度一般小于1 m/s。當(dāng)車輛并入主車道后突然被識(shí)別為新的跟蹤目標(biāo)，主車往往會(huì)緊急制動(dòng)來保證安全的跟車距離，易引發(fā)后續(xù)車輛的危險(xiǎn)碰撞行為。因此，主車的跟車距離 h=h（0，1）應(yīng)該不僅考慮主車與前車之間的縱向距離h0，1，同時(shí)還考慮主車與旁車的縱向距離h0，side，如式（2）所示，其中系數(shù)λ為旁車縱向距離參考權(quán)重；式（3）用于計(jì)算并線瞬時(shí)剩余時(shí)間；式（4）用于將時(shí)間參數(shù)平滑處理，并映射為相應(yīng)的無綱量權(quán)重系數(shù)λ。

h（0，1）（t）=λh0，side（t）+（1-λ）h0，1（t） （2）

為了提高目標(biāo)識(shí)別的有效性，在模式識(shí)別中對(duì)式（3）添加如下約束：

（1）權(quán)重系數(shù)最大為1，即Ts的計(jì)算值應(yīng)限制在1 s內(nèi)；規(guī)定橫向1 m的判斷區(qū)間，即當(dāng)主車與旁車的橫向距離超過1 m時(shí)，不進(jìn)行旁車行為預(yù)判，令Ts=1 s（對(duì)應(yīng) λ為 0，此時(shí) h（0，1）=h0，1）；

（2）當(dāng)vsy≤0時(shí)，即旁車橫向相對(duì)靜止或橫向遠(yuǎn)離主車時(shí)，令Ts=1 s（對(duì)應(yīng)λ為0）；

（3）當(dāng)lsy＜0時(shí)，即旁車已經(jīng)部分駛?cè)胫鬈囆旭偮窂椒秶鷥?nèi)，此時(shí)可認(rèn)為旁車真實(shí)發(fā)生了并線行為，系統(tǒng)需要將旁車更新為新的前車目標(biāo)。

權(quán)重系數(shù)λ并不是用來鑒定旁車并線行為，而是將旁車并線的趨勢(shì)轉(zhuǎn)化為參考量。圖4（a）為旁車橫向勻速移動(dòng)到主車車道過程中各參數(shù)變化，通過式（4）可將時(shí)間參數(shù)轉(zhuǎn)為旁車參考權(quán)重系數(shù)λ；圖4（b）顯示旁車在橫向近距離lsy處左右晃動(dòng)時(shí)的參數(shù)變化，從系數(shù)λ可以看出，式（4）對(duì)旁車橫向低速擾動(dòng)具有一定的平滑處理作用。

圖4 旁車并線過程中權(quán)重系數(shù)的變化

1.2 網(wǎng)聯(lián)巡航CCC控制器

車輛動(dòng)力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，在CCC控制器的設(shè)計(jì)中，忽略基于物理模型中的空氣阻力和滾動(dòng)阻力，結(jié)合測(cè)量與網(wǎng)聯(lián)通信接收到的前方車輛行駛參數(shù)，以及考慮到通信延遲、傳感器驅(qū)動(dòng)延時(shí)和旁車道車輛，主車加速度·v（t）由 CCC0控制器直接確定：

式中：z·0（t）為在當(dāng)前跟車距離策略下的主車期望車速與實(shí)際車速的偏差為主車與前車的速度偏差；為通過無線通信獲得的前車加速度；α，β，γ分別為各項(xiàng)增益參數(shù)。

前車以穩(wěn)定速度v*行駛時(shí)，CCC控制器將逐漸調(diào)整主車狀態(tài)，獲得理想的跟車速度與跟車距離平衡v*=v（h*）。在平衡狀態(tài)下，定義前車的平衡速度擾動(dòng)：

代入式（5）可轉(zhuǎn)化為如下擾動(dòng)形式：

式中f*=v·（h*）且車間時(shí)距th=1/f*，根據(jù)式（7）的定義，令前車的速度擾動(dòng) v～1（t）作為輸入，主車的速度擾動(dòng)v～0（t）為輸出，建立車輛頭尾擾動(dòng)傳遞函數(shù)，并進(jìn)行拉普拉斯變換，得到：

在下文中，假設(shè)前車的自身傳感器穩(wěn)定可靠，重點(diǎn)分析主車控制器在不同參數(shù)下的穩(wěn)定性。

2 CCC控制器線性穩(wěn)定性分析

網(wǎng)聯(lián)巡航隊(duì)列的穩(wěn)定性一般包括兩方面：個(gè)體車輛穩(wěn)定性（plant stability）和車輛隊(duì)列的穩(wěn)定性（string stability）。個(gè)體車輛穩(wěn)定性指主車能夠達(dá)到與前車相同的穩(wěn)定速度；隊(duì)列穩(wěn)定性是指前車的速度波動(dòng)可在向后傳遞過程中被主車衰減，確保整個(gè)車隊(duì)不會(huì)出現(xiàn)放大的速度波動(dòng)。根據(jù)文獻(xiàn)［12］可知，個(gè)體車輛穩(wěn)定性是由式（8）傳遞函數(shù)的分母決定，即當(dāng)且僅當(dāng)特征方程：

所有解都位于復(fù)平面的左半平面上，系統(tǒng)才是穩(wěn)定的。令 s=jΩ，Ω≥0，代入式（9）特征方程，化簡(jiǎn)將實(shí)部與虛部分開：

得到如下穩(wěn)定邊界形式：

由式（9）可看出，加速度反饋信號(hào)并不影響個(gè)體車輛穩(wěn)定性，式（11）穩(wěn)定性邊界內(nèi)的參數(shù)可確保系統(tǒng)穩(wěn)定。

由于擾動(dòng)信號(hào)可使用傅里葉分量來表示，并且疊加適用于線性系統(tǒng)，因此當(dāng)針對(duì)所有激勵(lì)頻率的正弦擾動(dòng)信號(hào)在前車與主車之間傳遞并衰減時(shí)，可確保頭尾車輛的列穩(wěn)定性，其穩(wěn)定必要條件如下：

在頭尾穩(wěn)定性區(qū)間邊界上，存在某一頻率的擾動(dòng)信號(hào)，使|Γ0，1（jω）|=1且滿足：

由式（8）、式（12）和式（13）可看出，列穩(wěn)定與參數(shù) α，β，γ，τ，σ，f*都有關(guān)系。使用 Matlab求解式（13），并繪制穩(wěn)定圖。

取 σ=0.15 s，τ=0.3 s，γ=0.5，且 th=1/f*=1 s，使用 Matlab繪制式（11）和式（13）的數(shù)值解，得到（α，β）的穩(wěn)定性圖譜，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定性圖譜和傳遞函數(shù)伯德圖幅值

個(gè)體穩(wěn)定性邊界如圖5（a）中深黑線所示，由淺灰色和深灰色區(qū)域共同組成；列穩(wěn)定性邊界如圖5（a）中的灰線所示，由深灰色區(qū)域組成；在深灰色區(qū)域之外的參數(shù)將導(dǎo)致式（8）在某些頻率范圍時(shí)具有大于1的幅值，即擾動(dòng)傳遞被放大。取圖5（a）中A～F點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)，繪制傳遞函數(shù)伯德圖所對(duì)應(yīng)的幅值圖，如圖5（b）所示，由圖中可以看出：A，B和F點(diǎn)參數(shù)對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)幅值最大值均大于1，且A和B點(diǎn)在高頻擾動(dòng)處出現(xiàn)不穩(wěn)定性，F(xiàn)點(diǎn)在低頻處（ω→0）出現(xiàn)不穩(wěn)定性；C和E兩點(diǎn)參數(shù)均處于臨界穩(wěn)定邊界上，其對(duì)應(yīng)傳遞函數(shù)幅值最大為1，其中E點(diǎn)在為低頻臨界點(diǎn)；D點(diǎn)參數(shù)在列穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，系統(tǒng)穩(wěn)定。

車輛的驅(qū)動(dòng)延時(shí)一般較為固定，而通信延時(shí)可能隨時(shí)間變化而變化，其對(duì)主車的穩(wěn)定性影響主要表征為時(shí)變的延時(shí)值差異較大。進(jìn)一步，繪制不同的驅(qū)動(dòng)延時(shí)與通信延時(shí)下的（σ，β）穩(wěn)定性圖譜，如圖6所示。結(jié)果表明：隨τ和σ的增大，列穩(wěn)定性參數(shù)區(qū)域逐漸變??；當(dāng) τ=0.3 s時(shí)，通信延時(shí)超過0.8 s的控制器已經(jīng)無法保證列穩(wěn)定性。即CCC控制器存在一定的通信延時(shí)，仍舊可確保隊(duì)列穩(wěn)定性。

圖6 不同延時(shí)值下的系統(tǒng)穩(wěn)定性圖譜

由上可知，針對(duì)系統(tǒng)存在的不同延時(shí)，可通過合理選擇控制器各項(xiàng)系數(shù)值大小，確保網(wǎng)聯(lián)車隊(duì)的系統(tǒng)穩(wěn)定性。在Matlab/Simulink中建立4車的網(wǎng)聯(lián)巡航控制車隊(duì)模型，前車速度波動(dòng) v～（t）=5sin（0.5πt），單位 km/h，由于真實(shí)車輛加速度有限，且過大的加速度變化值影響乘車的舒適性，取相對(duì)較小的增益系數(shù)進(jìn)行仿真，令α=0.7，β=0.5，τ=0.3 s，σ=0.15 s，f*=1，仿真結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明，在同樣控制參數(shù)下，不存在加速度反饋時(shí)，隊(duì)列速度波動(dòng)被放大，從圖7（b）中可以看出，CCC系統(tǒng)中，存在加速度反饋時(shí)，每輛車都表現(xiàn)出了較好的跟車響應(yīng)，而且速度波動(dòng)呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)，確保了隊(duì)列行駛的穩(wěn)定性。

圖7 網(wǎng)聯(lián)隊(duì)列跟車仿真速度曲線

由于CCC系統(tǒng)中每輛車均可采用相同的控制與跟車策略，且設(shè)定主車只接收其前車的加速度信號(hào)，更遠(yuǎn)處車輛的狀態(tài)對(duì)所討論的主車沒有直接的影響，故后續(xù)只需討論連續(xù)兩車的跟車行駛狀態(tài)即可。下文中建立兩種跟車并線試驗(yàn)，一種是針對(duì)式（2）動(dòng)態(tài)跟車策略的跟車仿真M1，一種是不考慮旁車并線過程的跟車仿真M2。兩種仿真中，所有車輛均以20 m/s的速度勻速行駛，且旁車在主車前向17 m處以0.3 m/s的橫向速度移動(dòng)到主車與前車的間隙中，其中 α，β，γ，τ，σ，f*參數(shù)值與圖 7（b）相同；在計(jì)算過程中將Ts放大1.5倍以延長(zhǎng)預(yù)判時(shí)間至1.5 s，在M2中，只有旁車與主車的橫向距離lsy＜0時(shí)，主車才更新的跟蹤目標(biāo)。

主車的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)仿真曲線如圖8所示，圖中左側(cè)虛線代表主車開始考慮旁車影響的時(shí)刻點(diǎn)，右側(cè)虛線代表旁車橫向移動(dòng)到主車正前方范圍內(nèi)（lsy＜0）的時(shí)刻點(diǎn)，兩虛線的間隔時(shí)間為1.5 s。圖8（a）中實(shí)線表示旁車參考權(quán)重系數(shù)的變化。圖8（b）表示主車與旁車間的縱向距離，從圖中可以看到，兩種仿真下，主車與旁車的縱向距離均達(dá)到安全距離25 m，在第5.3 s，與M2相比，M1的主車與旁車的縱向距離已經(jīng)增加2 m以上。圖8（c）表示主車的加速度，從圖中深色黑線可以看出，突然出現(xiàn)的新目標(biāo)會(huì)導(dǎo)致主車緊急制動(dòng)，加速度變化幅度較大，影響乘坐舒適性，而緊急制動(dòng)行為會(huì)嚴(yán)重影響交通安全性與交通流通性，相比較策略（2）下的主車加速度，由于提前進(jìn)行緩慢制動(dòng)而沒有出現(xiàn)緊急制動(dòng)，加速度變化較為平滑。圖8（d）為主車的速度波動(dòng)圖，從圖中可以看出，策略（2）下的主車速度波動(dòng)更小，更有利于車隊(duì)的穩(wěn)定性。綜上可知，考慮旁車并線過程的跟車策略可以使主車的跟車響應(yīng)更早、更快、更安全，有利于提升車隊(duì)的交通安全性。

圖8 主車動(dòng)力學(xué)響應(yīng)仿真結(jié)果

3 CCC平臺(tái)搭建與實(shí)車驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

試驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示，主車以北汽EU260純電動(dòng)汽車為基礎(chǔ)，并針對(duì)其驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)單元進(jìn)行電控化改裝：加速度指令轉(zhuǎn)為對(duì)應(yīng)加速踏板電壓信號(hào)；制動(dòng)指令轉(zhuǎn)為制動(dòng)壓力信號(hào)，發(fā)送給電子真空助力器（EVB）來控制原車制動(dòng)缸產(chǎn)生制動(dòng)壓力；車間通信系統(tǒng)使用Cohda MK5的無線通信模塊，最大無障礙通信距離達(dá)到300 m；定位系統(tǒng)采用NAV982 GNSS導(dǎo)航儀，可準(zhǔn)確收集實(shí)時(shí)地理位置、速度、加速度、航向角和制動(dòng)狀態(tài)等；車載 CCC主控制器采用dSPACE作為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，支持在Matlab/Simulink編譯環(huán)境下的模型自動(dòng)生成代碼和下載，通過上位機(jī)ControlDesk可實(shí)現(xiàn)可視化的數(shù)據(jù)顯示與在線調(diào)參、存儲(chǔ)，方便試驗(yàn)調(diào)試。

圖9 CCC車輛試驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)

車輛前向目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)采用Mobileye攝像頭與德爾福毫米波雷達(dá)融合解決方案，可準(zhǔn)確識(shí)別出15個(gè)前向目標(biāo)。由于采集到的目標(biāo)為原始連續(xù)散點(diǎn)目標(biāo)，采用文獻(xiàn)［19］中使用的門限值法和連續(xù)滑窗檢測(cè)，確定道路內(nèi)車輛目標(biāo)的有效性。圖10（a）中框內(nèi)的車輛為監(jiān)控的目標(biāo)車輛，圖10（b）為濾波處理后的相對(duì)縱向、橫向距離。從圖中可以看出，隨著目標(biāo)車輛的右轉(zhuǎn)換道，測(cè)量計(jì)算得到的相對(duì)橫向距離逐漸變大。由于縱向跟車測(cè)試距離較近，目標(biāo)車輛在橫向距離2.5 m時(shí)逐漸消失在視野內(nèi)，視野邊緣處視覺系統(tǒng)測(cè)量偏向角有偏差，導(dǎo)致橫向距離計(jì)算有誤差?？紤]到本文中跟車策略只考慮車輛邊沿1 m內(nèi)的橫向距離，可認(rèn)為前向目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測(cè)量出目標(biāo)與主車的相對(duì)距離，且經(jīng)過濾波后的距離值更加準(zhǔn)確。

圖10 目標(biāo)車輛橫向移動(dòng)過程的測(cè)試效果

3.2 實(shí)車試驗(yàn)

在網(wǎng)聯(lián)車輛實(shí)車試驗(yàn)中，為簡(jiǎn)化電機(jī)、減速器、輪胎和風(fēng)阻等非線性影響，將車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性簡(jiǎn)化為逆動(dòng)力學(xué)模型，通過標(biāo)定實(shí)車的真實(shí)加速踏板行程-轉(zhuǎn)矩-車速曲線，并根據(jù)式（14）需求轉(zhuǎn)矩公式逆推車輛的加速度。

式中：r為車輪半徑；i為傳動(dòng)系減速比；m為整備質(zhì)量；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為車輛正投影面積；δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。通過實(shí)車試驗(yàn)測(cè)得不同加速踏板開度下，電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線如圖11（a）所示，a為加速踏板行程值；測(cè)得不同車速下，不同制動(dòng)壓力值所產(chǎn)生的制動(dòng)減速度，如圖 11（b）所示。

圖11 加速度與控制指令的關(guān)系曲線圖

為了避免主動(dòng)加速度與帶擋滑行加速度沖突以及防止頻繁加減速切換，測(cè)試了車輛帶擋滑行加速度，并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合后近似得到一個(gè)線性表達(dá)式：

as=-0.029v+0.174 （15）

式中：as為基準(zhǔn)加速度，m/s2；v為車速，km/h。適當(dāng)放寬車輛勻速時(shí)的加速度控制區(qū)間，在基準(zhǔn)加速度上下設(shè)置切換邊界，如圖12所示。

圖12 加速度模式切換圖

進(jìn)行最小兩車行駛隊(duì)列的跟車試驗(yàn)，并加入第3輛車作為旁車。試驗(yàn)場(chǎng)景如圖13所示，車輛都擁有網(wǎng)聯(lián)通信的能力，但只有主車作為被控對(duì)象，前車為人類駕駛。取 α=0.7，β=0.5，τ=0.3 s，σ=0.15 s，f*=1；由于實(shí)車對(duì)比試驗(yàn)中無法精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)旁車的行為，因此在實(shí)際并線試驗(yàn)中，使用數(shù)學(xué)模型來模擬旁車的并線過程，旁車與主車縱向距離為12 m。

圖13 實(shí)車隊(duì)列行駛試驗(yàn)場(chǎng)景

實(shí)車試驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置如下：（1）無旁車，γ=0，前車自由行駛，主車跟隨效果如圖14（a）；（2）無旁車，γ=0.5 s，前車自由行駛，主車跟隨效果如圖14（b）；（3）有旁車，前車勻速行駛，針對(duì)是否考慮旁車并線的行為，試驗(yàn)并觀察兩種情況下主車的速度變化，結(jié)果如圖 14（c）所示。

圖14 不同場(chǎng)景下的實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比圖14（a）與圖 14（b）可以看到：不管是否有加速度反饋，均能保證個(gè)體車輛穩(wěn)定，主車達(dá)到前車的平衡速度；但不考慮前車加速度反饋時(shí)，主車速度波動(dòng)放大，無法保證隊(duì)列穩(wěn)定性，考慮前車加速度信息時(shí)，主車能夠快速響應(yīng)前車的速度變化，并保持車速的一致性，降低速度波動(dòng)的大小，進(jìn)而保證了隊(duì)列的穩(wěn)定性；由實(shí)際跟車效果來看，由于存在通信延時(shí)和驅(qū)動(dòng)延時(shí)，主車的速度變化響應(yīng)均會(huì)滯后于前車。對(duì)比圖14（c）與圖8（d）可見，主車速度變化趨勢(shì)與仿真結(jié)果吻合，主車通過減速調(diào)節(jié)跟車距離與速度，并達(dá)到最終等速穩(wěn)定行駛。由圖14（c）中虛線處可看出：考慮旁車并線的跟車策略時(shí)，主車在第7.5 s即開始出現(xiàn)減速行為，而未考慮旁車并線的主車在第8.5 s之后才出現(xiàn)減速行為，且速度變化幅度更大；證明了本文所提CCC跟車策略，在出現(xiàn)旁車并行情況下，可以實(shí)現(xiàn)更早、更快速準(zhǔn)確的響應(yīng)，在保證隊(duì)列行駛穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，提升了跟車的安全性。

4 結(jié)論

本文中以網(wǎng)聯(lián)電動(dòng)車輛為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了分布式的多層CCC網(wǎng)聯(lián)巡航控制系統(tǒng)，理論分析了控制參數(shù)對(duì)控制器穩(wěn)定性的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了一種考慮旁車并線過程的跟車策略。實(shí)車試驗(yàn)與理論仿真結(jié)果趨勢(shì)相同，表明考慮旁車并線過程的CCC控制器可以更早、更快地響應(yīng)旁車并線時(shí)的跟車目標(biāo)變化，減小速度波動(dòng)并降低車輛的緊急制動(dòng)程度，提升乘坐的舒適性，保障了車隊(duì)行駛的安全性。控制系統(tǒng)和跟車策略可用于任何主動(dòng)控制駕駛的車輛中，保障人類駕駛與主動(dòng)駕駛和諧相處的安全性。

由于受試驗(yàn)條件限制，本文中試驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，未來可開展多車非勻速下的穩(wěn)定性影響試驗(yàn)，研究傳感器噪聲對(duì)穩(wěn)定性的影響。