異構(gòu)智能車隊安全行駛控制研究

席寬　樊展鵬　曹子軒　劉雙萍　陳磊

摘要：異構(gòu)智能車隊是提高高速公路通行能力，以及降低能源消耗的有效途徑，但是車隊行駛過程中的碰撞風(fēng)險是其面臨的挑戰(zhàn)。對異構(gòu)智能車隊主動安全控制方法進(jìn)行研究，首先對車隊碰撞風(fēng)險進(jìn)行分類，指出了影響異構(gòu)智能車隊安全行駛的因素主要有通信延誤、通信距離、制動性能；然后構(gòu)建了異構(gòu)智能車隊安全自適應(yīng)巡航控制模型，采用滑模控制技術(shù)進(jìn)行控制，仿真結(jié)果表明，滑?？刂圃诖_保滿足車隊穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上具有良好控制效果；最后構(gòu)建了異構(gòu)智能車隊隊內(nèi)車輛緊急換道避撞行為決策模型，并通過仿真試驗驗證了換道決策的有效性。研究結(jié)論對異構(gòu)智能車隊的主動安全控制以及提高車隊的安全性，具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：異構(gòu)智能車隊；自適應(yīng)巡航控制；緊急換道決策；滑?？刂?/p>

中圖分類號：U495? 收稿日期：2023-03-30

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.009

1 前言

國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展促進(jìn)了公路交通的發(fā)展，同時汽車保有量也大幅度增加。高速公路在為經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展提供保障的同時也為國民的出行帶來了極大的便利，交通安全成了備受關(guān)注的話題。根據(jù)《全球道路安全現(xiàn)狀報告》，全球每年有約200多萬人死于交通事故，由車輛駕駛所造成的交通安全事故高達(dá)1/3。智能交通為有效解決交通出行效率和交通安全之間存在的矛盾提供了可能，基于V2X的交通環(huán)境信息感知交互技術(shù)能夠?qū)囕v行駛過程中存在的潛在交通安全風(fēng)險發(fā)出預(yù)警，從而大大降低交通安全事故的發(fā)生。智能車輛編組行駛是提高道路交通效率的有效手段，其通過先進(jìn)的控制技術(shù)、V2V通信技術(shù)對同向行駛的車輛統(tǒng)一組織，結(jié)合車隊前車的運(yùn)動狀態(tài)來進(jìn)行跟蹤調(diào)整[1]。

智能車隊主要有同構(gòu)智能車隊和異構(gòu)智能車隊兩種類型，其中同構(gòu)智能車隊中所有車輛類型相同、性能參數(shù)相同，主動安全控制相對比較容易，同時學(xué)術(shù)界的研究比較多，控制技術(shù)相對成熟[2]；異構(gòu)智能車隊中車輛的類型不同、性能參數(shù)也不相同，和同構(gòu)智能車隊相比，異構(gòu)智能車隊的主動安全控制更為復(fù)雜。

伴隨著車輛類型的多元化發(fā)展，異構(gòu)智能車隊在實際中的應(yīng)用更為廣泛，對異構(gòu)智能車隊的主動安全控制迫在眉睫?；诖耍疚膶Ξ悩?gòu)智能車隊安全自適應(yīng)巡航控制和車隊內(nèi)車輛緊急換道避障決策控制進(jìn)行研究，期待對促進(jìn)異構(gòu)車隊的安全、穩(wěn)定行駛具有一定的參考。

2 異構(gòu)智能車隊碰撞風(fēng)險

2.1 車隊碰撞風(fēng)險分類

高速公路具有車速快、密度高的特點，這對車輛行駛安全提出了更高要求[3]。依照車輛產(chǎn)生碰撞的位置與機(jī)理，車隊碰撞風(fēng)險可以劃分為三類，具體如圖1所示。

a.追尾碰撞。

追尾碰撞是車隊在行駛的過程中頭車和其前方低速行駛車輛的碰撞事故，在雨雪霧等惡劣的天氣環(huán)境下最為常見。由于惡劣的天氣條件，車輛的行駛速度往往比較慢，同時激光雷達(dá)傳感器的性能也會受到一定的影響，加之車輛制動性能的下降，一旦車隊在行使過程中沒有對前方車輛有效檢測，制動不及時就會造成追尾碰撞事故。

b.車隊內(nèi)碰撞。

車隊在行使的過程中某一車輛制動會造成行駛速度波動，進(jìn)而影響到該車后所有車輛行駛速度的調(diào)整。在這個過程中，速度波動引起的車隊內(nèi)車輛間距誤差會逐漸累加，從而導(dǎo)致車隊巡航控制的不穩(wěn)定，很容易導(dǎo)致車隊內(nèi)車輛發(fā)生碰撞事故。

c.換道碰撞。

車隊在實際的行駛過程中會存在部分車輛緊急強(qiáng)制性換道的場景，車輛緊急換道時會引發(fā)車輛發(fā)生側(cè)翻、失控等碰撞風(fēng)險。部分車輛緊急強(qiáng)制性換道往往是由車隊路徑規(guī)劃不科學(xué)，車隊行駛控制方法不合理所導(dǎo)致的，一旦發(fā)生車輛強(qiáng)制性換道的情況，那么換道車輛和當(dāng)前車輛、目標(biāo)車道前后車輛發(fā)生碰撞的風(fēng)險就會加大，進(jìn)而出現(xiàn)換道碰撞交通事故。

2.2 異構(gòu)智能車隊安全行駛影響因素

異構(gòu)智能車隊在行駛的過程中，緊急情況下車輛的制動性能直接影響到車輛的行駛安全。只有具有良好的制動性能，才能夠確保車隊的行駛安全。在異構(gòu)智能車隊中，車輛的類型不同使得車輛的性能也存在一定程度的差別，同時車輛的輪胎磨損情況以及所處道路的情況都使得不同車輛之間的安全制定距離具有比較大的差別。結(jié)合大量的實驗經(jīng)驗，在不考慮雨雪霧等特殊惡劣天氣的情況下，干燥良好的路面環(huán)境、車輛的最大制動減速度同樣也滿足截斷高斯分布。

3 異構(gòu)智能車隊安全自適應(yīng)巡航控制

為了確保異構(gòu)智能車隊在高速公路上行駛的安全性，需要確保智能車隊自適應(yīng)巡航控制過程中的穩(wěn)定性。和單車巡航控制所不同，異構(gòu)智能車隊自適應(yīng)巡航不僅僅要確保車輛自身的行駛穩(wěn)定性，同時還要確保整個車隊的行駛穩(wěn)定性[5]。

3.1 異構(gòu)智能車隊安全自適應(yīng)巡航控制模型

考慮到異構(gòu)車隊系統(tǒng)的不確定性，采用滑?？刂品椒ㄟM(jìn)行控制。滑?？刂茷樘厥獾姆蔷€性控制，其能夠在動態(tài)過程中根據(jù)不固定系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)來進(jìn)行有目的地變化，從而使得系統(tǒng)按照預(yù)定的滑動模態(tài)進(jìn)行運(yùn)動。和其他的控制方法所不同，滑?？刂凭哂锌焖夙憫?yīng)、對應(yīng)參數(shù)變化與擾動不靈敏、無需系統(tǒng)標(biāo)識、物理實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。

滑?？刂频脑硎歉鶕?jù)系統(tǒng)的期望動態(tài)特性設(shè)計系統(tǒng)的切換超平面。滑?？刂破饔糜诳刂茝某矫娴角袚Q超平面的系統(tǒng)狀態(tài)。一旦系統(tǒng)到達(dá)切換超平面，控制函數(shù)將確保系統(tǒng)沿著切換超平面到達(dá)系統(tǒng)原點。這種沿著切換超平面滑動到原點的過程稱為滑動模式控制。由于系統(tǒng)的特性和參數(shù)僅取決于設(shè)計的切換超平面，與外界干擾無關(guān)，滑模變結(jié)構(gòu)控制具有很強(qiáng)的魯棒性。

超平面的設(shè)計方法包括極點配置、特征向量分配、優(yōu)化設(shè)計等，所設(shè)計的切換超平面必須滿足達(dá)到的條件，即系統(tǒng)將保持在滑模平面之后的平面內(nèi)?？刂破髟O(shè)計包括固定序列控制器設(shè)計、自由序列控制器設(shè)計和最終滑動控制器設(shè)計?；？刂圃O(shè)計主要包括兩步：第一步是設(shè)計滑模面，要確保不穩(wěn)定系統(tǒng)存在滑模面；第二步是選擇合適的趨近規(guī)律，能夠確保不穩(wěn)定的系統(tǒng)在所設(shè)計的滑模面上進(jìn)行滑模運(yùn)動。在考慮時間延遲的情況，控制器穩(wěn)定參數(shù)滿足如下公式：

3.2 異構(gòu)智能車隊安全自適應(yīng)巡航控制仿真

4 隊內(nèi)車輛緊急換道避撞行為決策控制

為了確保異構(gòu)智能車隊行駛的安全性，車隊在行駛過程中遇到緊急情況是否發(fā)生車隊內(nèi)車輛的追尾碰撞依賴于車輛的制動性能。在智能車隊內(nèi)，車輛的換道屬于強(qiáng)制性換道。受限于車隊內(nèi)車輛之間的距離短以及車輛運(yùn)動狀態(tài)調(diào)整的復(fù)雜性，必須做好行為決策控制，才能夠避免發(fā)生安全事故。

4.1 隊內(nèi)車輛緊急換道避障決策

根據(jù)車隊車輛間設(shè)定的安全距離，在正常情況下是不會發(fā)生隊內(nèi)車輛碰撞事故的，但是由于異構(gòu)智能車隊內(nèi)不同車輛之間的制動性能往往具有比較大的差異，這使得在實際的行車過程中難免會出現(xiàn)緊急情況。在緊急情況下，車隊中的部分車輛就需要緊急換道以此來避免發(fā)生碰撞[6]。構(gòu)建車輛緊急換道的周圍環(huán)境，在此基礎(chǔ)上分析車輛換道的最佳時機(jī)。

為了避免碰撞就必須確保兩車之間的安全距離，定義為確保換道不發(fā)生碰撞和周圍車輛需要保持的最小距離為安全間距。緊急換道車輛E在緊急換道時，為了不和車隊內(nèi)前車L1發(fā)生碰撞，擁有更長的換道時間，在換道的決策階段應(yīng)該以最大的制動減速度來進(jìn)行制動?；诖?，在換道的決策階段必須確保緊急換道車輛和周圍的車輛保持安全距離，如果不滿足安全距離，那么就不能夠?qū)嵤┚o急換道。在換道的決策階段通過車輛減速制動，快速對最佳的換道時間做出判斷。車輛緊急換道決策步驟如下：

a.在確保緊急換道車輛側(cè)翻安全性和車輛穩(wěn)定性的前提下確定最短的換道時間，這是因為車輛在高速公路上行駛的過程中速度非?？?，快速的換道很容易導(dǎo)致車輛發(fā)生側(cè)翻，盡管沒有出現(xiàn)車輛碰撞事故，但是卻出現(xiàn)了側(cè)翻事故，這是絕對不允許的。

b.根據(jù)車輛安全距離模型來判斷是否需要換道避撞；如果不需要換道避撞，那么車輛減速緊急制動就可以，這樣就能夠避免車輛和車隊內(nèi)的前車之間發(fā)生追尾事故，這是因為在高速行駛的過程中緊急換道是非常危險的行為，應(yīng)該盡量避免；如果確定需要換道避撞，那么就做出換道避撞的決策。

c.在做出換道避撞的決策之后選擇最佳的換道時間，在最佳的換道時間進(jìn)行車輛換道操作，然后對車速進(jìn)行調(diào)整，避免換道車輛和新車道車輛之間發(fā)生碰撞事故。

緊急換道車E在換道的過程中勻速運(yùn)動，旁車道后車L2在換道車輛E換道的過程中速度不發(fā)生改變，在換道之后根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)來做出調(diào)整對旁車道前車L2來講，在換道車輛E換道的過程中速度不發(fā)生改變，換道車輛E在換道完成之后結(jié)合自身和旁車道前車L2的運(yùn)動狀態(tài)來做出調(diào)整。對車隊內(nèi)前車L1來講，在緊急換道車輛E換道的過程中做勻減速運(yùn)動。

4.2 隊內(nèi)車輛緊急換道避障決策仿真

設(shè)定異構(gòu)智能車隊的正常行駛速度為30 m/s，道路寬度為4 m，換道過程中前車的制動加速度為8 m/s2，后車的制動加速度為5 m/s2。仿真結(jié)果表明緊急換道車輛E和車隊內(nèi)前車L1的安全距離先增大后減少。通過調(diào)整換道車輛E的速度進(jìn)行再次仿真可知，當(dāng)換道車輛E的初始速度大于旁車道前車L2和旁車道后車R2的速度時，旁車道后車R2對緊急換道車選擇換道時刻的選擇幾乎無影響，主要影響換道時間選擇的因素是緊急換道車E和旁車道前車L2以及車隊內(nèi)前車L1的安全距離。

5 結(jié)語

異構(gòu)智能車隊在提高道路交通效率，確保行駛安全方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，在實際中得到了廣泛的應(yīng)用。異構(gòu)智能車隊碰撞主要有追尾碰撞、斜向碰撞、側(cè)向碰撞三種類型，影響車隊安全行駛的因素有通信延誤、通信距離、車輛制動性能。采用滑?？刂萍夹g(shù)對異構(gòu)智能車隊安全自適應(yīng)巡航進(jìn)行控制，其使得車隊自適應(yīng)巡航跟蹤誤差超調(diào)量小，在滿足車隊穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上控制效果良好。通過構(gòu)建緊急換道周圍環(huán)境，提出了車輛緊急換道決策方法，并通過仿真指出緊急換道車輛初始車速對換道時刻選擇的影響。本文的研究對異構(gòu)智能車隊主動安全控制，確保車隊的安全、穩(wěn)定行駛具有一定的參考價值。

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作者簡介：

席寬，男，2001年生，本科在讀，研究方向為智能車隊。