基于專用短程通信技術(shù)的自動(dòng)跟車控制策略研究

林志超，林小敏，鄭志曉

（1.廣東省智能網(wǎng)聯(lián)汽車創(chuàng)新中心有限公司，廣東 廣州 511434；2.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

近幾年越來(lái)越多的車輛搭載自適應(yīng)巡航系統(tǒng)，但目前的跟車巡航功能僅依靠自車傳感器信息進(jìn)行巡航控制，而自車傳感器存在精度受限和受環(huán)境影響較大等問(wèn)題，且車與車之間沒(méi)有信息交互，都是以固定規(guī)則的跟車距離巡航跟車，無(wú)法最大程度兼顧跟車安全和道路通行效率[1]。

而隨著新一代專用短程通信技術(shù)（Dedicated Short Range Communication, DSRC）的發(fā)展，結(jié)合DSRC技術(shù)的自動(dòng)跟車系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)車與車之間實(shí)時(shí)信息交互和共享，實(shí)現(xiàn)車車協(xié)同，從而能夠較大程度兼顧跟車安全性和道路通行效率[2]。

基于上述分析，針對(duì)自動(dòng)跟車功能，本文利用 DSRC技術(shù)實(shí)現(xiàn)車車協(xié)同，充分獲取前車關(guān)鍵狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)前車與自車的信息實(shí)時(shí)共享和交互，充分利用 DSRC實(shí)時(shí)信息，搭建了一套基于DSRC技術(shù)的自動(dòng)跟車控制策略，以保證跟車安全性，同時(shí)兼顧一定的通行效率。

1 自動(dòng)跟車系統(tǒng)方案

1.1 自動(dòng)跟車系統(tǒng)硬件構(gòu)成

自動(dòng)跟車控制系統(tǒng)，通過(guò)將專用短程通信設(shè)備搭載在智能車輛上，以實(shí)現(xiàn)車車的實(shí)時(shí)通信及自動(dòng)跟車。其系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示，由智能車載單元、高精定位模塊、車載智能傳感器、專用短程 DSRC通信設(shè)備、底層控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。

圖1 自動(dòng)跟車系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

智能車載單元內(nèi)嵌車車（Vehicle-to-Vehicle,V2V）通信協(xié)議框架[3]，通過(guò)DSRC通信設(shè)備實(shí)時(shí)接收前車關(guān)鍵狀態(tài)信息，同時(shí)通過(guò)自車通信協(xié)議接收自車的高精定位信息以及車載傳感器獲取到的感知信息，進(jìn)行前車識(shí)別與關(guān)鍵消息構(gòu)建等，進(jìn)而進(jìn)行自動(dòng)跟車控制算法實(shí)時(shí)運(yùn)算并依次傳輸至底層控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的自動(dòng)跟車控制。

DSRC通信設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)傳輸層可利用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol, UDP）使用網(wǎng)口與上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)車車之間實(shí)時(shí)通信[4]。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于DSRC的V2V通訊系統(tǒng)

1.2 自動(dòng)跟車軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)跟車軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示，其包含感知層、控制層和執(zhí)行層。

圖3 自動(dòng)跟車軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

感知層軟件包括對(duì)自車傳感器的感知信息處理、高精度定位系統(tǒng)的定位信息獲取以及V2V的實(shí)時(shí)信息交互，接收和處理 DSRC通信設(shè)備傳輸?shù)那败囄蛔诵畔?、車速、航向角、加減速度、制動(dòng)情況、轉(zhuǎn)向情況等前車關(guān)鍵狀態(tài)信息。

控制層軟件根據(jù)感知層信息進(jìn)行跟車決策和自動(dòng)跟車控制，對(duì)速度和距離等參數(shù)進(jìn)行控制，以控制自車以一定車速和安全距離自動(dòng)安全地跟隨前車行駛。最后將控制量傳輸至底層執(zhí)行層，執(zhí)行跟車控制請(qǐng)求指令。

2 自動(dòng)跟車控制算法策略

自動(dòng)跟車控制算法策略主要依據(jù)車車協(xié)同運(yùn)動(dòng)模型搭建，如圖4所示，自車通過(guò)感知和V2V與前車進(jìn)行信息交互，與前車保持一定的安全距離，以一定車速和加減速度緊湊且安全地自動(dòng)跟隨前車行駛[5]。其中，ddes為跟車距離；vego和aego分別為自車的車速和加速度；vlead和alead分別為前車的車速和加速度。

根據(jù)上述車車協(xié)同跟車模型，依次進(jìn)行期望跟車距離決策和期望跟車速度規(guī)劃，進(jìn)而完成自動(dòng)跟車控制。

2.1 期望跟車距離決策

根據(jù)駕駛經(jīng)驗(yàn)和駕駛規(guī)律，跟車距離與車速正相關(guān)，根據(jù)自車當(dāng)前車速判斷決策出期望跟車距離[6]：

式中，ddes為期望跟車距離；vego為自車當(dāng)前車速；tgap為跟車時(shí)間閾值，通常取值在1～2 s之間，可根據(jù)不同駕駛員風(fēng)格變換調(diào)整；dmin為最小安全距離。

2.2 期望跟車速度規(guī)劃

為保證跟車安全且使自動(dòng)跟車擬人化，期望跟車車速與期望跟車距離、兩車相對(duì)距離有關(guān)，并依據(jù)不同跟車工況設(shè)置權(quán)重系數(shù)加權(quán)調(diào)整，期望跟車車速如下：

式中，vxf為接收到的前車車速；vset為自車設(shè)定的巡航車速；ddes為期望跟車距離；df為自車與前車相對(duì)縱向距離；κ1為前車車速權(quán)重系數(shù)，根據(jù)不同的跟車工況和前車加減速情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)取值；σ1為自車設(shè)定巡航車速權(quán)重系數(shù)，其取值為0或1，根據(jù)前車加減速情況及相對(duì)距離進(jìn)行判斷取值。

2.3 跟車控制

在決策規(guī)劃出期望跟車距離和期望跟車速度后，采用上下雙層控制器的分層式結(jié)構(gòu)進(jìn)行跟車控制，如圖5所示，通過(guò)搭建上層、下層控制算法策略來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟車控制。

圖5 分層式結(jié)構(gòu)跟車控制

上層控制器需根據(jù)期望車速與實(shí)際車速之間的偏差以及距離偏差等控制量實(shí)時(shí)計(jì)算得到期望加速度，傳遞到下層控制器進(jìn)一步控制。在上層控制器中，主要為速度控制，采用比例-積分-微分（Proportion-Integral-Differential, PID）控制實(shí)時(shí)計(jì)算期望加速度：

式中，ades(k)為期望加速度請(qǐng)求；e(k)為控制輸入，即期望跟車車速與實(shí)際車速的誤差；Kp、Ki、Kd分別為比例控制、積分控制和微分控制增益；z為離散時(shí)間因子。

下層控制器根據(jù)上層輸出的期望加速度請(qǐng)求先判斷車輛應(yīng)驅(qū)動(dòng)加速還是進(jìn)行制動(dòng)減速，然后分別調(diào)用驅(qū)動(dòng)控制器和制動(dòng)器。

下層驅(qū)動(dòng)控制器采用基于縱向動(dòng)力學(xué)的前饋力矩控制和PID力矩反饋控制。根據(jù)車輛縱向動(dòng)力學(xué)得到的前饋力矩為

式中，m為車輛整備質(zhì)量；ades為期望加速度；θ為道路坡度；Faero為空氣阻力；Fr為滾動(dòng)阻力；rw為車輪半徑；TFF為得到的前饋力矩。

反饋控制是將期望加速度與車輛實(shí)際加速度的偏差進(jìn)行PID控制得到反饋控制力矩：

式中，eax為加速度偏差量；kp、ki、kd分別為比例控制、積分控制和微分控制增益；TFB為得到的反饋控制力矩。

最終得到的自動(dòng)跟車驅(qū)動(dòng)扭矩為

3 實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于 DSRC技術(shù)的自動(dòng)跟車控制策略的有效性，基于某款自動(dòng)駕駛改裝后的運(yùn)動(dòng)型多用途汽車（Sport Utility Vehicle, SUV）車型，搭載 DSRC通信設(shè)備，開(kāi)展直線和蛇形工況相結(jié)合的自動(dòng)跟車實(shí)車試驗(yàn)。

試驗(yàn)工況為前車以 40 km/h依次行直線和蛇形道路軌跡，自車跟隨前車進(jìn)行自動(dòng)跟車控制，該工況的行駛軌跡如圖6所示。

圖6 實(shí)車試驗(yàn)工況行駛軌跡

自車自動(dòng)跟車結(jié)果如圖7所示，展示了兩車車速、啟停距離、兩車間距以及安全距離等之間的關(guān)系及變化曲線，將跟車過(guò)程分成五個(gè)階段，以此分析整個(gè)自動(dòng)跟車過(guò)程的有效性和合理性。

圖7 自動(dòng)跟車結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果看出，在第一階段跟車啟停階段中，兩車初始間距為2.12 m，小于啟動(dòng)距離即最小安全距離3 m，自車不啟動(dòng)。當(dāng)前車開(kāi)始起動(dòng)，進(jìn)入跟車第二階段，當(dāng)前車車速增大到兩車間距大于起動(dòng)距離后，滿足自動(dòng)跟車啟動(dòng)條件，自車開(kāi)啟自動(dòng)跟車控制，加速跟隨前車，但由于此時(shí)前車車速大于后車車速，兩車間距進(jìn)一步增大。當(dāng)間距增大到大于安全距離，進(jìn)入跟車第三階段，自車自動(dòng)跟車不斷加速，兩車間距不斷迫近于安全距離；進(jìn)入跟車第四階段，兩車間距在安全距離范圍波動(dòng)，此時(shí)自車在自動(dòng)加減速跟隨前車以調(diào)整兩車間距使其不斷接近安全距離；當(dāng)進(jìn)入第五階段后，兩車間距趨近于安全距離達(dá)到穩(wěn)定跟車狀態(tài)，兩車車速相近，自車在安全距離范圍內(nèi)自動(dòng)跟隨前車行駛，依次完成直線和蛇形軌跡的自動(dòng)駕駛。在整個(gè)跟車過(guò)程中，兩車間距最大值為11.658 m，而此時(shí)安全距離為11.17 m，間距接近且大于安全距離，安全且緊湊跟車。

對(duì)比此次基于 DSRC的自動(dòng)跟車與沒(méi)有用DSRC通信技術(shù)的常規(guī)巡航跟車的最大間距結(jié)果，如表1所示?？梢钥闯?，結(jié)合DSRC通信技術(shù)的自動(dòng)跟車最大間距顯著減小，表明 DSRC跟車隊(duì)列更緊湊穩(wěn)定。

表1 跟車過(guò)程最大間距對(duì)比結(jié)果

從上述實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果看出，基于 DSRC技術(shù)的自動(dòng)跟車控制可有效實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟車功能，能有效地控制自車與前車保持在預(yù)期安全距離內(nèi)自動(dòng)跟車行駛，整個(gè)跟車過(guò)程表現(xiàn)穩(wěn)定合理且跟車緊湊，且在蛇形復(fù)雜工況中也能保證跟車安全，驗(yàn)證了基于 DSRC技術(shù)的自動(dòng)跟車控制策略的有效性。

4 結(jié)論

本文搭建了自動(dòng)跟車系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)架構(gòu)，建立了基于專用短程通信技術(shù)的自動(dòng)跟車控制策略，依次完成期望跟車距離決策、期望跟車速度規(guī)劃和自動(dòng)跟車控制算法設(shè)計(jì)，開(kāi)展實(shí)車試驗(yàn)，結(jié)果表明自車可有效合理地自動(dòng)跟隨前車進(jìn)行自動(dòng)駕駛跟車行駛，既保證了安全跟車，又保證一定通行效率，可為車車協(xié)同輔助駕駛和智能巡航控制等提供一定的理論基礎(chǔ)。