基于車聯(lián)網(wǎng)的多車協(xié)同式自動駕駛控制研究

黃露 姚麗 楊易

長沙智能駕駛研究院 湖南省長沙市 410100

1 引言

多車協(xié)同式編隊系統(tǒng)基于車聯(lián)網(wǎng)V2V 技術(shù)，對多臺車輛并組管理并結(jié)合車輛自動駕駛控制技術(shù)，通過縮短車輛之間距離來增加道路的通行能力。最近的研究還表明，在高速公路上通過將卡車編隊自動駕駛，可以減少車隊內(nèi)跟隨車輛的風(fēng)阻，顯著節(jié)省燃料、溫室氣體和排放。

由于具有良好的燃油消耗效益和商業(yè)模式，多車協(xié)同式編隊自動駕駛技術(shù)吸引了大量關(guān)注。因目前，大量研究工作旨在降低重型車輛的燃油消耗，這也為運(yùn)輸公司提供了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。通這對重型車輛的編組，給出了一種降低油耗的有效方法。通過減小車間距，可以降低整體空氣動力阻力。由于重型車輛大約四分之一的燃油消耗與空氣動力阻力有關(guān)，這會對燃油消耗產(chǎn)生很大影響。事實(shí)上，文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，油耗降低了約7%。除了節(jié)省燃料消耗外，協(xié)同式編隊行駛還可能增加道路通行能力，提高交通流量。文獻(xiàn)中提出一種車隊前饋控制策略，主要關(guān)注與車輛的燃油效率，未考慮車輛近間距控制問題。文獻(xiàn)在文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上提出一種車輛前饋控制和間距控制結(jié)合的方法，文章中考慮車輛燃油最佳使用效率得到車輛最佳速度參考文件，以此作為車輛控制系統(tǒng)的參考，計算控制指令控制車輛跟蹤該速度曲線，并保證所需的車間距離。但該方法并未考慮首車司機(jī)實(shí)際駕駛過程中的行為習(xí)慣，以及道路實(shí)際情況對司機(jī)駕駛車輛的影響（如急停車、急加速），無法良好跟隨首車保持穩(wěn)定間距進(jìn)行啟停、加減速。

本文從上述的研究成果出發(fā)，針對車隊自動駕駛車輛在首車急加速、啟停過程中存在間距控制發(fā)散問題，提出一種多車車輛固定車距的滑?？刂撇呗?，充分考慮首車和前車的速度、位置、加速度等信息，設(shè)計滑?？刂频幕Ｃ?，得出自動駕駛車輛期望加速度。通過調(diào)整控制增益和系統(tǒng)阻尼比系數(shù)，保證滑模面趨近于零，保證車隊中的自動駕駛車輛以穩(wěn)定車距跟隨前方車輛行駛。

本文介紹的應(yīng)用實(shí)例是兩臺陜汽德龍X6000 重卡車頭加帶半掛車在長沙智能網(wǎng)聯(lián)測試區(qū)的實(shí)車測試驗(yàn)證（首車人開、跟隨車自動駕駛）。通過對算法模型進(jìn)行推導(dǎo)和實(shí)車測試，對比兩臺車輛之間的位置誤差、速度誤差，多方面的測試結(jié)果驗(yàn)證了車隊在首車啟動、停車、加減速、巡航過程中能保證穩(wěn)定車距行駛，誤差范圍滿足團(tuán)標(biāo)《營運(yùn)車輛合作式自動駕駛貨車編隊行駛》的要求。

2 控制模型

多車協(xié)同式自適應(yīng)巡航控制是一種擴(kuò)展自適應(yīng)巡航控制的概念，通過車聯(lián)網(wǎng)之間的車車實(shí)時通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)縱向自動車隊控制。通過設(shè)計一種自適應(yīng)滑?？刂颇Ｐ停邆涔潭ㄜ囬g距控制策略的穩(wěn)定行駛模變控制系統(tǒng)特性，能保證車隊穩(wěn)定行駛。

控制器采用滑模控制，根據(jù)車輛行駛道路基本屬性，定義滑模面為;

為阻尼比，≥1 時，系統(tǒng)車隊才處于穩(wěn)定行駛狀態(tài)。對臨界阻尼可以設(shè)置為1；

可視為領(lǐng)航車輛速度和加速度的權(quán)重，0≤≤1；

設(shè)定，

若 大于零，那么當(dāng)S大于零時， 會小于零；當(dāng) 小于零時， 會大于零，因此滑膜面 會趨近于零。

將式（1）代入式（2），計算得：

對式（1）求導(dǎo)可得：

由公式（3）和（4）可得本車的加速度為：

當(dāng)車隊中只有兩輛車時，=0，得到如下的傳統(tǒng)二階系統(tǒng)：

為阻尼比，臨界阻尼可以設(shè)置為1。因此滑膜面可以簡化為：

則式（5）簡化為：

3 控制模型穩(wěn)定性

根據(jù)式（6）得到第1 輛跟隨車的誤差系統(tǒng)方程為：

第輛跟隨車的誤差與第-1 輛跟隨車的誤差的傳遞函數(shù)為：

式中：

為方便后文中對理論的理解，采用以下示例的方法進(jìn)行闡述，設(shè)置一組參數(shù)如下：

由式（9）可以得出，第1 輛跟隨車的誤差為過阻尼自由振動系統(tǒng)，其誤差響應(yīng)輸出與系統(tǒng)輸入無關(guān)，只與系統(tǒng)的初始條件有關(guān)，將誤差微分方程寫成狀態(tài)方程形式：

利用matlab 對傳遞函數(shù)的初始條件下的幅值響應(yīng)特性進(jìn)行分析，得出系統(tǒng)的位置誤差響應(yīng)和速度誤差響應(yīng)曲線如下圖1 所示。

從圖1 中可以得出，給定初始位置誤差和速度誤差，系統(tǒng)最終都會收斂到0，而且位置誤差的收斂過程不存在振蕩，這得益于系統(tǒng)為過阻尼系統(tǒng)。從式（9）中可以得出，第一輛跟隨車的誤差的收斂特性只與系統(tǒng)阻尼比和ω帶寬頻率有關(guān)，而與參數(shù)無關(guān)。

圖1 幅值響應(yīng)曲線

由式（9）的推理已經(jīng)得出第1 輛跟隨車誤差始終會收斂為0，并依據(jù)式（13）遞推，可以得出整個系統(tǒng)的跟隨車輛的誤差都將收斂為0（從圖1 位置和速度誤差響應(yīng)曲線可以看出），說明系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

4 實(shí)車測試數(shù)據(jù)

為驗(yàn)證多車協(xié)同式編隊系統(tǒng)控制策略的穩(wěn)定車間距跟車特性，本文作者在長沙智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試區(qū)使用兩臺陜汽德龍X6000 帶掛重卡空載工況下進(jìn)行編隊自動駕駛實(shí)車測試。為驗(yàn)證控制模型的有效性，設(shè)計測試用例如下：

采用工控機(jī)和ubuntu16.04 嵌入式操作系統(tǒng)作為計算平臺、公司自研的車聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和百度apollo 的開源自動駕駛系統(tǒng)軟件架構(gòu)搭載控制器程序，計算平臺輸出的控制命令對車輛的油門、剎車和方向盤進(jìn)行控制。

選擇測試路段為測試區(qū)的高速路段，路段長度2.2km。采用第一臺車人開，第二臺車采用協(xié)同式編隊自動駕駛，自動駕駛過程為啟動、加速、巡航、減速、停車。

通過記錄和分析自動駕駛跟隨車輛與前車的速度、位置誤差、速度誤差，驗(yàn)證控制模型的有效性。

自動駕駛跟隨車與前車速度對比曲線、速度誤差曲線、位置誤差曲線分別如下圖2、3、4 所示：

圖2為自動駕駛跟隨車與前車的速度對比曲線，曲線描述了車輛從起步、加速、巡航、減速、急停車的兩車速度變化過程。圖3 為兩車的速度誤差曲線，圖4 為兩車的位置誤差曲線，位置誤差計算時設(shè)定跟車安全距離為30m，描述的是整個過程中穩(wěn)定間距30m的誤差變化情況。從實(shí)車數(shù)據(jù)曲線分析可以看出，自動駕駛跟隨車輛能良好跟隨前車啟動、加速、減速、巡航、停車，從起步加速到72km/h 過程中速度誤差波動不超過2m/s，位置誤差不超過10m。72km/h 巡航狀態(tài)下的速度誤差不超過0.5m/s，位置誤差不超過2m。試驗(yàn)結(jié)果表明各項(xiàng)控制指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，車隊在加減速過程中，控制系統(tǒng)未發(fā)散。

圖2 速度對比曲線

圖3 速度誤差曲線

圖4 位置誤差曲線

5 結(jié)論

本文提出一種基于首車和前車的駕駛行為（位置、速度、加速度）提出一種滑?？刂撇呗?，嘗試解決多車協(xié)同控制在首車速度發(fā)生變化時車隊間距出現(xiàn)發(fā)散的問題。設(shè)計過程包括問題提出、滑模模型分析、控制模型穩(wěn)定性分析、測試用例設(shè)計和實(shí)車測試驗(yàn)證。從設(shè)計過程和實(shí)車測試的數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，本文設(shè)計的控制策略利用車車通信傳輸?shù)那败囆畔⒛軐?shí)現(xiàn)車隊跟隨車輛快速響應(yīng)，具備實(shí)際應(yīng)用價值。作者未來的工作將側(cè)重于從實(shí)車運(yùn)行效果和理論角度對控制模型進(jìn)行更詳細(xì)的分析和優(yōu)化。將研究不同車輛載重、不同型號車輛底盤對車隊穩(wěn)定車距控制的影響。此外，還將使用更多的協(xié)同式車隊控制模型，將所提出的控制模型的性能與其他方法進(jìn)行比較。