車輛協(xié)同自適應(yīng)巡航系統(tǒng)在5G通信下的跟車間距研究*

雷嘉豪 ， 李 江 ， 劉 波

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

0 前言

目前，已經(jīng)投入實(shí)際使用的自適應(yīng)巡航系統(tǒng)可以通過傳感器對(duì)前車間距進(jìn)行測量，使后車自動(dòng)跟隨前車行駛。但車輛之間沒有信息交互，每輛車都是一個(gè)信息孤島。當(dāng)車輛處于相同速度時(shí)，減小行駛間距可以有效增加道路容量，緩解交通壓力[1]。但此時(shí)就對(duì)車輛自適應(yīng)巡航系統(tǒng)的性能及安全保障提出了更嚴(yán)苛的要求。

近年來，隨著5G通信技術(shù)的發(fā)展及通信節(jié)點(diǎn)的普及，將5G通信技術(shù)具備的優(yōu)勢應(yīng)用到車輛通信中，就能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)兼顧車輛安全性和道路通行效率的車輛巡航控制系統(tǒng)。

1 5G通信與V2V通信結(jié)構(gòu)

1.1 5G通信技術(shù)

第5代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）在設(shè)計(jì)初期的目的就是達(dá)到超低延時(shí)、超快速率、海量連接的要求。連接數(shù)密度、時(shí)延、體驗(yàn)速率等都是5G通信技術(shù)的重要性能指標(biāo)。5G網(wǎng)絡(luò)提高和改善了通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率，擁有更高的傳輸速度，理論上5G網(wǎng)絡(luò)可以比4G快10～100倍。且其擁有的超低延時(shí)能夠大大縮短設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換時(shí)間，提高數(shù)據(jù)傳輸效率[2]，為車輛巡航控制系統(tǒng)協(xié)同實(shí)施提供技術(shù)支持。

5G網(wǎng)關(guān)可以作為車載物聯(lián)網(wǎng)的中樞，為車載設(shè)備或系統(tǒng)提供無線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)車載設(shè)備的實(shí)時(shí)通信和遠(yuǎn)程運(yùn)維，同時(shí)對(duì)車載設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合和預(yù)處理[3]。端到端時(shí)延包括從發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的整個(gè)傳輸過程時(shí)延（包括發(fā)射器引起的時(shí)延、無線傳輸時(shí)延、接收機(jī)處的信號(hào)處理時(shí)延）。

華為與測量儀器制造商羅德與施瓦茨公司在德國慕尼黑和中國上海對(duì)5G下V2X無線電技術(shù)進(jìn)行的測試表明，5G下的V2X無線電技術(shù)適用于各種要求苛刻的車輛通信應(yīng)用，且測試結(jié)果顯示此技術(shù)可以讓延遲控制在6 ms以內(nèi)。

1.2 V2V通信

車輛在行駛時(shí)，可以通過專用網(wǎng)絡(luò)發(fā)送車輛及路況信息給一定范圍內(nèi)的車輛，同時(shí)獲取其他車輛發(fā)送來的超視距車輛及事故信息，其中包含車輛的位置、速度、加速、制動(dòng)、駕駛方向等。在V2V通信下，車輛可以獲取更全面可靠的區(qū)域內(nèi)車輛狀態(tài)及交通信息。如圖1所示。

圖1 V2V通信信息示意圖

通過基于5G的V2V通信，行駛中的車輛能夠提前檢測到區(qū)域內(nèi)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，有充分的時(shí)間作出決策從而降低行駛風(fēng)險(xiǎn)。

2 車輛跟隨控制策略

2.1 車輛巡航控制策略分析

在車輛處于自適應(yīng)巡航狀態(tài)時(shí)，前導(dǎo)車輛的速度變化和路面的不確定信息可以被看作影響系統(tǒng)平衡狀態(tài)的擾動(dòng)信號(hào)[4]，5G通信下的自適應(yīng)巡航系統(tǒng)宏觀上可以看作前饋-反饋控制系統(tǒng)。

5G通信為系統(tǒng)的前饋部分，傳感器為負(fù)反饋部分，如圖2所示，前饋部分使車輛控制系統(tǒng)能夠更早地發(fā)揮控制作用。從控制結(jié)構(gòu)上來說，其包含了前饋對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償作用和反饋對(duì)偏差的抑制作用，在絕大多數(shù)行駛工況下，控制效果都要優(yōu)于當(dāng)前基于傳感器的負(fù)反饋控制系統(tǒng)。

圖2 5G通信下的巡航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在車輛巡航控制系統(tǒng)處于5G通信時(shí)，前車狀態(tài)變化可以通過通信同步傳送到后車，跟隨車輛的下層控制器可以在傳感器監(jiān)測到前車狀態(tài)變化之前實(shí)施與前車下層控制器相同的控制操作信息[5]。此時(shí)，跟隨車輛與引導(dǎo)車輛在自適應(yīng)巡航過程中產(chǎn)生的狀態(tài)偏差并不會(huì)過大，負(fù)反饋控制系統(tǒng)只需要調(diào)節(jié)同步過程中所產(chǎn)生的隨機(jī)誤差，這部分誤差主要由車輛間的制動(dòng)性能差異或路面摩擦系數(shù)及風(fēng)速等隨機(jī)因素所造成。這樣就能在很大程度上提高后車的響應(yīng)速度同時(shí)減少調(diào)節(jié)時(shí)間，縮短車輛在自適應(yīng)巡航跟車行駛時(shí)的車輛間距。

2.2 縱向控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)建立

為了使控制過程中的任務(wù)分工更加明確，車輛巡航控制系統(tǒng)使用分層結(jié)構(gòu)。間距控制策略通過上層控制器來實(shí)施，同時(shí)輸出巡航過程中需要的速度和加速度期望值。下層控制器主要用于對(duì)剎車泵壓力、節(jié)氣門開度和變速器控制邏輯進(jìn)行調(diào)整，用以實(shí)現(xiàn)上層控制器提供的期望速度和加速度值，為車輛速度調(diào)整的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 巡航控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)圖

3 安全間距分析與測試

3.1 跟隨間距分析

車輛在巡航行駛時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)安全行駛的最小跟車距離稱為安全間距，此處的安全間距模型使用相對(duì)距離制動(dòng)方式[6]來計(jì)算。設(shè)τd為引導(dǎo)車與跟隨車實(shí)施加速或者制動(dòng)的時(shí)刻差值，在時(shí)間差值范圍內(nèi)，后車仍然以當(dāng)前狀態(tài)繼續(xù)行駛[7]?，F(xiàn)將引導(dǎo)車輛實(shí)施制動(dòng)減速時(shí)的時(shí)刻看作初始時(shí)刻，則此時(shí)的安全跟車間距為：

上式中Db、Df即引導(dǎo)車輛與跟隨車輛的行駛距離，Δd為需要計(jì)算的車輛安全間距，ΔD為確保系統(tǒng)能夠安全運(yùn)行需要的安全余量。具體計(jì)算方法如下：

式中，vf（0）、vb（0）為前后車減速時(shí)刻的初速度，Tf、Tb為前車與后車開始減速至停車的行駛時(shí)間。

分析τd的出現(xiàn)原因可知，其主要由5G的信息通信延時(shí)τρ和車輛控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間τλ組成：

在5G通信下的V2V中，τP最小可以降低到6 ms，考慮到安全余量，選擇其上限值，約為30 ms。τλ由車輛自身控制及執(zhí)行系統(tǒng)決定，一般情況下最大不會(huì)超過0.3 s[8]。在實(shí)際道路行駛工況中，車輛與車輛間的制動(dòng)性能差異較大，故取兩組制動(dòng)數(shù)值，分別為制動(dòng)距離的上限與下限[9]，制動(dòng)距離數(shù)值取自互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中車輛實(shí)際測試得到的制動(dòng)距離，如表1所示。

表1 車輛制動(dòng)距離范圍

3.2 仿真測試結(jié)果

系統(tǒng)仿真中忽略5G通信中可能存在的數(shù)據(jù)丟包和信號(hào)干擾因素。考慮到實(shí)際交通流中通信設(shè)備接入量和數(shù)據(jù)交換吞吐量與5G通信標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定上限相比有很大冗余[10-11]，故通信延遲設(shè)定為6 ms~30 ms，通信帶寬及用戶接入量不設(shè)限。同時(shí)，結(jié)合上節(jié)中車輛控制及執(zhí)行系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，通過相對(duì)距離制動(dòng)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4顯示了在車輛處于ACC控制下和處于基于5G的CACC下車輛制動(dòng)下的間距變化?？梢钥闯鲕囕v處于5G下的V2V通信時(shí)，制動(dòng)響應(yīng)速度顯著提升，跟隨車輛與引導(dǎo)車輛的制動(dòng)時(shí)刻非常接近。圖5顯示了在實(shí)際車輛制動(dòng)性能存在顯著差異的情況下，基于5G通信的車輛協(xié)同自適應(yīng)巡航系統(tǒng)在保證行駛安全的情況下可以設(shè)定的最小跟車間距值隨速度變化趨勢。具體數(shù)值如表2所示。

表2 不同速度時(shí)的最小跟車間距（5G）

圖4 引導(dǎo)車輛與跟隨車輛的制動(dòng)過程

圖5 最小跟車間距值隨速度變化趨勢

4 總結(jié)與展望

將5G端到端的通信延時(shí)及車輛控制和執(zhí)行系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間融入相對(duì)距離制動(dòng)模型中，在實(shí)際車輛存在制動(dòng)性能差異的基礎(chǔ)上，通過仿真分析，得出了車輛協(xié)同自適應(yīng)巡航系統(tǒng)在5G通信下的最小跟車間距值。結(jié)果顯示，將基于5G的V2V通信融入車輛自適應(yīng)巡航系統(tǒng)之中可以有效地實(shí)現(xiàn)低間距跟隨行駛。隨著技術(shù)的不斷革新，芯片、傳感器及通信設(shè)備的性能指標(biāo)還會(huì)得到進(jìn)一步提升。未來，低延時(shí)、高效能的通信將會(huì)為智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展中最重要的基礎(chǔ)條件之一。