車輛編隊(duì)協(xié)作式行駛仿真系統(tǒng)研究

郭 蓬，陳美奇，楊建森，許揚(yáng)眉

（1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司， 天津 300300；3.天津思豐霍汽車零部件技術(shù)開發(fā)有限公司，天津 300300）

隨著我國汽車工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，汽車保有量不斷增長，為城市道路的通行能力帶來了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。交通擁堵、交通事故頻發(fā)、能源短缺等問題日益嚴(yán)重，如何實(shí)現(xiàn)汽車安全、高效且節(jié)能行駛成為新一代汽車技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，其技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)上得到了有效的應(yīng)用。智能網(wǎng)聯(lián)汽車（Intelligent and Connected Vehicle, ICV）作為新一代汽車，不僅搭載先進(jìn)的車載傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，同時(shí)融合了現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)安全、高效、舒適、節(jié)能行駛，結(jié)合智能交通（Intelligent Transportation System, ITS）技術(shù)的發(fā)展，可以有效解決能源消耗、交通堵塞及汽車行駛安全等問題。

現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，如專用短程通信技術(shù) （Dedicated Short Range Communication, DSRC）、長期演進(jìn)技術(shù)（Long Term Evolution, LTE）、Wi-Fi、5G 等可以實(shí)現(xiàn)本車與鄰近車輛以及道路基礎(chǔ)設(shè)施等進(jìn)行信息交互，駕駛員可根據(jù)反饋信息合理控制車輛，從而減少非必要的停車和車輛延誤。

目前智能網(wǎng)聯(lián)汽車還處于研究階段，為了能夠安全、方便地進(jìn)行車輛編隊(duì)行駛應(yīng)用的研究，本文通過仿真軟件參考汽車實(shí)際道路行駛工況，搭建汽車行駛場景，利用仿真設(shè)備模擬車間通訊拓?fù)?，?duì)智能網(wǎng)聯(lián)汽車隊(duì)列行駛功能進(jìn)行模擬。通過設(shè)備模擬智能車載終端間的通信，真實(shí)還原智能網(wǎng)聯(lián)汽車之間的信息交互。最后，通過聯(lián)合仿真系統(tǒng)，設(shè)計(jì)領(lǐng)航者-跟隨者的車輛編隊(duì)控制引導(dǎo)策略及相應(yīng)的仿真場景，對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)汽車車隊(duì)行駛應(yīng)用進(jìn)行平臺(tái)仿真驗(yàn)證。

1 協(xié)作式車輛編隊(duì)建模與控制

1.1 車隊(duì)模型

車輛的編隊(duì)行駛是指由兩輛及以上的車輛按照相同的方向行駛，保持相互之間維持一定的安全距離或一定的速度行駛的車輛，必要的時(shí)候可進(jìn)行避障等功能的行駛方式。車輛編隊(duì)行駛的優(yōu)勢在于能夠降低駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升駕乘人員的安全性、舒適性，提高交通效率、運(yùn)輸效率和燃油效率等。

假設(shè)車輛隊(duì)列在理想的平直道路上行駛，設(shè)定整個(gè)車隊(duì)共有+1輛車，將車隊(duì)中的第一輛車定為頭車，且編號(hào)為0，其后依次編號(hào)并作為頭車的跟隨車輛，定義第輛車的位置、速度和加速度分別為x、v和a(= 1,2,…,-1)。根據(jù)以上定義，可以通過微分方程來描述第輛跟隨車的數(shù)學(xué)模型，所以模型如下：

式中，S表示第和-1輛車之間的距離，m；x表示編號(hào)車輛的位置，m；表示車輛的長度，m

1.2 車隊(duì)控制

1.2.1 智能駕駛員模型

根據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn)，目前在智能網(wǎng)聯(lián)車自動(dòng)駕駛仿真研究中智能駕駛員模型（Intelligent Driver Model, IDM）獲得較為廣泛的應(yīng)用。智能網(wǎng)聯(lián)車編隊(duì)行駛控制主要通過協(xié)同自適應(yīng)巡航控制（Cooperative Adaptive Cruise Control, CACC）方式，該方式通過無線通訊方式與相鄰車輛進(jìn)行信息交互，包括速度、位置以及加減速等?；跓o線通信車隊(duì)信息交互如圖1所示。

圖1 基于無線通信車隊(duì)信息交互

針對(duì)CACC系統(tǒng)，在車輛行駛縱向控制的策略可表示為

式中，a表示第輛車的期望加速度；表示IDM模型計(jì)算出的第輛車的期望加速度；、a分別表示領(lǐng)航車和跟隨車第1輛車；、λ為權(quán)重系數(shù)，通常取 0.3。

1.2.2 車間時(shí)距控制

車輛編隊(duì)行駛控制的基礎(chǔ)是車隊(duì)在行駛過程中的車間距的控制，良好的車間距離控制能夠保證汽車在各種交通環(huán)境下都能穩(wěn)定安全地行駛。首先，在保證安全的前提下，應(yīng)盡可能地減小其控制值，這樣有利于車隊(duì)的縱向距離不至于過大，同時(shí)，在車輛駕駛或車速較高時(shí)，在前方車輛發(fā)生緊急制動(dòng)等情況后具有足夠的制動(dòng)距離，保證安全行駛。

本文主要從車輛隊(duì)列縱向上考慮期望時(shí)距，期望車間距離策略通常分為兩大類，即固定車間時(shí)距（Constant Time Headway, CTH）和可變車間距離 （Variable Time Headway, VTH）。其中，固定車間時(shí)距的車間距離表達(dá)式為

式中，l表示第輛車長，m；表示最小車間距離，m；表示車間時(shí)距，s。

主要是指“家族成員”接班，即血緣繼承，包括企業(yè)主的子女、兄弟等等。該模式，忠誠度明顯較高，信用成本低，可以保證企業(yè)權(quán)力不旁落。研究表明，對(duì)企業(yè)忠誠度和事業(yè)心是企業(yè)主很看重的素質(zhì)，家族企業(yè)內(nèi)部人員會(huì)成為首選。目前中國家族企業(yè)最普遍的傳接形式就是家族成員接班，其中“子承父業(yè)”一直是家族企業(yè)首選的接班方式，企業(yè)主往往不愿、不放心將自己創(chuàng)立的企業(yè)交給一個(gè)外人去管理。遠(yuǎn)的如“同仁堂”“全聚德”“王麻子”“王致和”，近的則有“杭州萬向”“江蘇紅豆”“寧波方太”等等，無不選擇這種交接班方式，有的家族企業(yè)也成為了百年品牌。

從式（3）可以看出，對(duì)于固定車間時(shí)距后車與前車之間的距離是一個(gè)設(shè)定好的固定值，計(jì)算簡便且容易實(shí)現(xiàn)。但是由于沒有考慮交通環(huán)境變化的影響，車輛隊(duì)列在行駛的過程中無法根據(jù)前車的行駛狀態(tài)改變車間距離，導(dǎo)致車隊(duì)低速行駛時(shí)，車間距偏大，影響車隊(duì)行駛效率；高速行駛時(shí)，車間距偏小，容易追尾，安全性降低。在實(shí)際中，固定車間時(shí)距的方案的應(yīng)用比較少。

另一類可變間距的方案，能夠隨時(shí)根據(jù)交通環(huán)境改變車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，靈活調(diào)整跟車距離，更符合實(shí)際需要，也更能夠保證車隊(duì)行駛的安全性和穩(wěn)定性?？勺冘囬g時(shí)距方案車間距離值會(huì)根據(jù)車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而變化，所以，VTH的車間距離表達(dá)式為

式中，a表示第-1輛車的加速度，m/s；表示前后兩車之間的相對(duì)速度，m/s。

經(jīng)過總結(jié)和分析，結(jié)合本文所研究內(nèi)容及技術(shù)背景和實(shí)際應(yīng)用情況，本文采用可變車間時(shí)距車間距離控制方案對(duì)車輛編隊(duì)行駛進(jìn)行仿真研究。

2 車輛編隊(duì)引導(dǎo)

簡化領(lǐng)航者-跟隨者法，可以將前后車之間的關(guān)系看成單純的兩車之間的關(guān)系，進(jìn)一步將整個(gè)車隊(duì)的控制看成是對(duì)領(lǐng)航車的控制。在設(shè)定領(lǐng)航車和跟隨車的位置坐標(biāo)后，可以計(jì)算出跟隨車相對(duì)于領(lǐng)航車的相對(duì)距離和速度。

因此，領(lǐng)航車和跟隨車可通過下述公式表示其時(shí)刻的位置。

式中，v、v分別表示領(lǐng)航車在水平和垂直方向的初始速度，m/s；s、分別表示跟隨車在水平和垂直方向跟車時(shí)距。

車輛編隊(duì)引導(dǎo)控制是智能網(wǎng)聯(lián)車研究的熱點(diǎn)，考慮車輛通信的特征，本文中選用的是領(lǐng)航-跟隨法。該策略控制規(guī)則簡單，易于實(shí)現(xiàn)，在知道領(lǐng)航者的車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的情況下可快速生成隊(duì)列，同時(shí)各跟隨車輛既可以接收前車信息，也可以接收領(lǐng)航車信息，從而能夠更好地保持隊(duì)列的穩(wěn)定性。如圖2所示，基于領(lǐng)航-跟隨法車輛編隊(duì)行駛，車隊(duì)在行駛過程中可以根據(jù)需要進(jìn)行多種編隊(duì)方式。

圖2 車輛編隊(duì)行駛示意圖

3 仿真分析

3.1 仿真場景及控制

本文選取 Prescan 作為場景軟件構(gòu)建所需要的仿真實(shí)驗(yàn)場景，仿真車輛模型并搭載相關(guān)的傳感器，在Matlab/Simulink中建立智能駕駛員模型以及可變時(shí)距控制策略。本文主要研究車輛編隊(duì)行駛隊(duì)列協(xié)同控制策略及車輛在縱向上行駛的仿真表現(xiàn)，因此，仿真實(shí)驗(yàn)道路選擇直線。智能駕駛員模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能駕駛員模型結(jié)構(gòu)圖

車輛隊(duì)列協(xié)同控制策略的邏輯業(yè)務(wù)分為創(chuàng)建車隊(duì)、加入車隊(duì)、車隊(duì)巡航、離開車隊(duì)和解散車隊(duì)構(gòu)成，其流程如圖4所示。

圖4 車輛隊(duì)列協(xié)同控制策略流程圖

3.2 通信平臺(tái)

目前由美國和日本主導(dǎo)的DSRC無線通信標(biāo)準(zhǔn)，是一種專用短波通訊技術(shù)，主要面向V2V和V2I通信標(biāo)準(zhǔn)。

C-V2X在智能網(wǎng)聯(lián)車上的應(yīng)用，定義了兩種通信方式：LTE-V-Cell和LTE-V-Direct。其中，LTE-V-Direct通信方式又包括兩種通過接口，一種是通過Uu接口實(shí)現(xiàn)終端和基站之間的通信，另一種是通過PC5接口實(shí)現(xiàn)車輛與周圍環(huán)境進(jìn)行信息交互，交互類型主要包含以下4種：車到車（V2V）、車到基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）、車到網(wǎng)絡(luò)（V2N）、車到行人（V2P）。對(duì)比如表1所示。

表1 DSRC和C-V2X比對(duì)

本文研究車輛編隊(duì)的通信方面，仿真是在實(shí)驗(yàn)室情況下完成的，涉及的主要通信類型是V2V，用于在跟隨車與跟隨車和跟隨車與領(lǐng)航車之間交互狀態(tài)信息和控制信息。采用ROHDE&SCH- WARZ 公司的CMW500設(shè)備進(jìn)行模擬PC5接口，用于車輛與車輛之間數(shù)據(jù)交互，同時(shí)車載終端設(shè)備在工作的過程中需要接收GPS信息，因此，通過上述公司的SMBV100B設(shè)備，進(jìn)行主車的GPS信息模擬。圖5為設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)簡圖。

圖5 仿真系統(tǒng)簡圖

3.3 仿真結(jié)果

本文仿真實(shí)驗(yàn)條件及領(lǐng)航車與跟隨車運(yùn)動(dòng)場景設(shè)置：在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，將某公司車載終端作為跟隨車上通訊設(shè)備進(jìn)行通訊，通過Matlab/ Simulink軟件搭建的智能駕駛員模型，控制在Prescan軟件中設(shè)置的領(lǐng)航車和跟隨車。領(lǐng)航車和跟隨車在直線上行駛，且領(lǐng)航車在跟隨車前方50 m處，領(lǐng)航車和跟隨車均以15 km/h車速勻速行駛，在車輛編隊(duì)完成后領(lǐng)航車?yán)^續(xù)行駛10 s，隨后領(lǐng)航車加速至60 km/h，維持30 s后減速至停車。領(lǐng)航車輛停車后，發(fā)起解散車隊(duì)指令，待車隊(duì)解散后，領(lǐng)航車以30 km/h車速行駛，跟隨車以15 km/h車速勻速行駛。另設(shè)定車輛車長3.5 m，最小間距為固定值1.5 m。

縱向距離誤差如圖6所示，圖中左側(cè)坐標(biāo)軸表示跟隨車與領(lǐng)航車之間的車距，右側(cè)坐標(biāo)軸表示車輛編隊(duì)完成標(biāo)志。從圖可以看出，車輛編隊(duì)完成前，領(lǐng)航車和跟隨車距離保持初始設(shè)定50 m不變，在完成編隊(duì)后，跟隨車為保持車隊(duì)穩(wěn)定，開始通過調(diào)整自車車速來保持與領(lǐng)航車之間的間距，其中在領(lǐng)航車停車后，跟隨車在距離領(lǐng)航車1.9 m處停車，大于設(shè)定值1.5 m，符合要求。

圖6 縱向距離誤差

圖7為領(lǐng)航車-跟隨車速度曲線，圖中橫坐標(biāo)與右側(cè)坐標(biāo)軸同圖6一致，左側(cè)坐標(biāo)軸表示車輛行駛速度。從圖6和圖7可以看出，在領(lǐng)航車加速行駛后，跟隨車也加速行駛，同時(shí)增加兩車之間的間距；在領(lǐng)航車減速停車后，跟隨車也開始減速行駛，最終在最小跟車距離的時(shí)候停車；最終在解散車隊(duì)后，跟隨車領(lǐng)航車行駛一定距離后開始起步行駛。

圖7 領(lǐng)航車-跟隨車速度曲線

4 結(jié)語

針對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)車編隊(duì)行駛的應(yīng)用，本文通過搭建智能駕駛員模型以及使用編隊(duì)引導(dǎo)策略，并通過場景仿真軟件以及通信模擬設(shè)備進(jìn)行編隊(duì)行駛過程的仿真測試驗(yàn)證，結(jié)果顯示跟隨車車載設(shè)備能夠有效地完成編隊(duì)過程，并在隊(duì)列行駛過程中保持穩(wěn)定的車間距離行駛。進(jìn)一步表明，通過本仿真系統(tǒng)，能夠?qū)χ悄芫W(wǎng)聯(lián)車功能應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證，且提高了安全性和效率。