CN107089231B - 一种自动跟车行驶控制系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自动跟车行驶控制系统及其方法。该系统包括布置在领航车上的领航车控制系统和布置在跟随车上与所述领航车控制系统通信的跟随车控制系统。本发明的领航车控制系统通过布置在领航车上的多个传感器、GPS定位装置采集关于领航车的相关数据，并通过车车通信装置将这些数据发送给跟随车。跟随车控制系统基于车车通信装置接收这些数据并通过布置在跟随车上的多个传感器、GPS定位装置、雷达、摄像头等来采集数据，根据这些数据来对跟随车执行自动跟车行驶控制。由于融合了多数据来对跟随车的跟随情况进行判定，从而能够有效地确保自动驾驶的安全性和可靠性。

Description

一种自动跟车行驶控制系统及其方法
技术领域
本发明属于汽车电子控制技术领域，具体涉及一种自动跟车行驶控制系统及其方法。
背景技术
随着汽车电子控制技术的发展，智能化传感技术和控制技术已经在汽车上越来越成熟，也使得智能驾驶辅助技术得到了应用，如定速巡航、自适应巡航、跟车行驶系统等，能极大的缓解驾驶员的操作疲劳，提升整车的舒适性。并且多辆汽车以短距离连续跟车行驶，能够提高道路上的车流密度，降低拥堵，在高速上使用还能够降低风阻，节能减排。
但目前的类似系统存在以下问题：
(1)自适应巡航系统只对车辆纵向进行控制，包括油门和制动，而侧向仍需要驾驶员控制；部分可实现侧向超车等控制，但要求前方车辆要在雷达或摄像头的视野内。并且通过传感器观测到车间距或前方车速变化，再采取加速或制动措施，往往会有很大的滞后性，进而引起车距的剧烈变化，甚至发生追尾等交通事故，因此必须使用较大的车间距。
(2)基于雷达或摄像头传感器的自动跟车行驶系统，对转向的控制和车辆轨迹的控制都难以满足汽车行驶的常见工况，如转弯控制依赖雷达或摄像头等传感器，但是一旦车辆转急弯，后车的传感器可能会失去前车目标导致无法控制；并且同样要求较大的车间距，以免由于控制滞后导致的事故。
(3)基于GPS定位的自动跟车行驶系统，往往过于依赖GPS精度，在民用GPS精度较低并且受环境(如天气、楼宇遮挡、隧道等)影响较大，难以达到理想效果。并且GPS信号频率低，要求比雷达传感器的方案更大的车间距。
(4)基于车车通信的自动跟车行驶系统，基本都使用后车同步复制前车的操作，可以最大程度的减小前后车操作的滞后性，进而使用较短的车距。而这种方法在弯道行驶中，会导致后车与前车在不同位置同时转弯，进而行驶在不同的路径，引起后车发生危险。
因此，目前现有的巡航系统和自动跟车行驶系统，更多是针对直线工况和变道等小转角转向工况，而对于大转角转向等工况处理的较差，即使是使用了多个方法结合，也未解决如路口转向和掉头转向等问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明一方面提供一种多数据融合的自动跟车行驶控制系统，该系统将多个传感器、雷达、摄像头、GPS定位装置等数据采集设备以及车车通信装置等进行融合来采集行驶数据，能稳定地适应全部行驶路况，包括直线行驶工况，变道超车工况，转弯工况，掉头工况等城市中常见的行驶路况。本发明的另一方面提供一种多数据融合的自动跟车行驶控制方法，该方法基于布置在车辆上的多个数据采集设备采集的数据来对跟随车的自动跟车行驶进行控制，能够有效地保证跟随车的自动行驶安全。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明的实施例提供一种自动跟车行驶控制系统，包括领航车控制系统和与所述领航车控制系统通信的跟随车控制系统，所述领航车控制系统包括布置在领航车上的领航车油门踏板开度传感器，领航车发动机转速传感器，领航车制动主缸压力传感器，领航车方向盘转角传感器，领航车变速器档位传感器，领航车车速传感器，领航车电子控制单元，领航车车车通信装置，领航车GPS定位装置；所述跟随车控制系统包括布置在跟随上的跟随车油门踏板开度传感器，跟随车发动机转速传感器，跟随车制动主缸压力传感器，跟随车方向盘转角传感器，跟随车变速器档位传感器，跟随车车速传感器，跟随车电子控制单元，跟随车通信装置，毫米波雷达，摄像头，支持主动转向的EPS转向控制系统，ESP制动控制系统，EMS发动机控制系统，系统开关，跟随车GPS定位装置；其中，所述领航车上的电子控制单元周期性地采集如下信号：领航车油门踏板开度传感器采集的油门开度信号α1，领航车发动机转速传感器采集的发动机转速信号nM1，领航车制动主缸压力传感器采集的制动压力信号p1，领航车方向盘转角传感器采集的方向盘转角信号δ1，领航车变速器档位传感器采集的变速器档位信号i1，领航车车速传感器采集的车速信号v1，领航车GPS定位装置采集的领航车的定位坐标(x1，y1)和航向角ψ1，并周期性地将采集的信号和领航车的车辆代码号N发送给所述领航车车车通信装置，所述领航车车车通过无线网络将接收的信号发送给所述跟随车车车通信装置；所述跟随车电子控制单元周期性根据所述系统开关的状态来接收所述跟随车车车通信装置发送的信号并采集跟随车的相关信号：跟随车油门踏板开度传感器采集的油门开度信号α2，跟随车发动机转速传感器采集的发动机转速信号nM2，跟随车制动主缸压力传感器采集的制动压力信号p2，跟随车方向盘转角传感器采集的方向盘转角信号δ2，跟随车变速器档位传感器采集的变速器档位信号i2，跟随车车速传感器采集的车速信号v2，跟随车GPS定位装置采集的跟随车的定位坐标(x2，y2)和航向角ψ2，毫米波雷达采集的前方车辆的距离d1，方向角β1和相对速度vesr，摄像头采集的前方车辆的距离d2，方向角β2和相对速度vccd；所述跟随车电子控制单元基于接收和采集的信号对跟随车进行如下控制：判断系统是否存在故障；在系统不存在故障的情况下，判断跟随车的跟随目标是否是领航车；在判断跟随目标为领航车的情况下，执行如下操作：识别跟随模式是直道模式还是弯道模式；检测是否有障碍物插入到行驶路径中；在识别为弯道模式的情况下进行弯道数据记录；基于识别的跟随模式和检测的障碍物对跟随车的纵向加速度进行控制；基于识别的跟随模式和检测的障碍物对跟随车方向盘转角进行控制；将跟随车的纵向加速度目标值转换为发动机扭矩请求和制动减速度请求，并发送给所述ESP制动控制系统和所述EMS发动机控制系统；所述ESP制动控制系统根据所述跟随车电子控制单元发送的制动减速度请求指令来控制所述跟随车的实际减速度，所述EMS发动机控制系统根据所述跟随车电子控制单元发送的发动机扭矩请求指令来控制所述跟随车的发动机的净输出扭矩。
本发明的另一实施例提供一种自动跟车行驶控制方法，其特征在于，包括：
S100：领航车电子控制单元周期性采集领航车的如下信号：油门开度信号α1，发动机转速信号nM1，制动压力信号p1，方向盘转角信号δ1，变速器档位信号i1，车速信号v1，定位坐标(x1、y1)和航向角ψ1，并将采集的信号和领航车的车辆代码号发送给领航车的车车通信装置；S200：跟随车电子控制单元基于自动驾驶指令周期性接收领航车的车车通信装置发送的信号和采集跟随车的如下信号：(1)传感器信号：油门开度信号α2，发动机转速信号nM2，制动压力信号p2，方向盘转角信号δ2，变速器档位信号i2；(2)跟随车上毫米波雷达采集的信息：前方车辆的距离d1、方向角β1和前车相对速度vesr；(3)跟随车上摄像头采集的信息：前方车辆的距离d2、方向角β2和前车相对速度vccd；(4)跟随车上的GPS采集的信息：跟随车的定位坐标(x2，y2)和航向角ψ2；S300：跟随车电子控制单元基于接收和采集的信号，执行如下操作：系统故障判断、领航车判断、跟随模式识别、障碍物检测、弯道数据记录、纵向控制、侧向控制和车辆加速度转换。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明在全工况下实现了一种可靠性和适应性高的自动跟车行驶系统，通过多种传感器和控制方法融合的方式，在不同工况下结合了各种传感器的优点，能够有效应对车辆行驶过程中遇到的各种问题。通过GPS结合雷达和摄像头信息，可以确保跟随目标为领航车；由于充分利用了通过车车通信获取的前车操作信息作为纵向控制的前馈量，可以跟随前车操作进行快速响应，因此可以极大的缩短跟车车距；特别是在弯道工况下，传统方法主要依赖的雷达和摄像头传感器可能丢失领航车目标的情况下，本发明仍能依靠从入弯点开始记录的前车操作信息，保证跟随车轨迹控制的可靠性和控制精度，提高了行车工况的覆盖度。此外还能有效应对道路上其他车辆或行人等障碍物，极大的提高了安全性。
附图说明
图1为本发明的自动跟车行驶控制系统的应用场景的结构简图。
图2为本发明的领航车控制系统的结构示意图。
图3为本发明的跟随车车控制系统的结构示意图。
图4为本发明的领航车控制系统的控制流程图。
图5为本发明的跟随车控制系统的控制流程图。
图6为本发明的领航车确认示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明的一实施例提供一种自动跟车行驶控制系统。本发明的另一实施例提供一种自动跟车行驶控制方法。以下参考附图1至图6对本发明的实施例进行详细的描述。
【实施例1】
本实施例提供一种自动跟车行驶控制系统。如图1所示，本发明的自动跟车行驶控制系统所应用的场景为由一辆领航车和至少一个跟随车组成的行驶系统。领航车和跟随车之间通过安装的车车通信装置进行数据传递，领航车需要驾驶员进行驾驶操作，跟随车可以由驾驶员进行驾驶操作，也可以在驾驶员开启跟车指令并且车辆状态正常时可切换到自动跟车行驶模式，油门、制动和转向等操作都自动进行，跟随前车行驶。当跟随车的数量大于1时，前一辆跟随车可以当作后一辆跟随车的领航车。本发明中的车车通信装置可为采用DSRC协议的通信终端D-BOX，可安装在车辆副驾驶的中控台上面，但并不局限于此，只要是能够方便通信的任何位置都可以。
本发明的自动跟车行驶控制系统包括领航车控制系统和与所述领航车控制系统通信的跟随车控制系统。如图2所示，领航车控制系统包括布置在领航车上的油门踏板开度传感器101，发动机转速传感器102，制动主缸压力传感器103，方向盘转角传感器104，变速器档位传感器105，车速传感器106，电子控制单元107，车车通信装置108，GPS定位装置109。其中，油门踏板开度传感器101布置在油门踏板上，输出模拟量；发动机转速传感器102安装在发动机曲轴上，为霍尔式转速传感器，输出数字量；制动主缸压力传感器103，安装在制动主缸后端与ESP阀之间的液压管路上，用于采集制动主缸压力信号；方向盘转角传感器104，安装在方向盘管柱上，用于采集方向盘转角信号；变速器挡位传感器105，安装在变速箱内，用于采集变速器挡位信号；车速传感器106布置在传动轴上，用于采集车速；电子控制单元107可安装在副驾驶室前方的中控台内部；GPS定位装置109，安装在副驾驶室前方的中控台内部，这些传感器和GPS定位装置可为现有技术中的结构。如图3所示，跟随车控制系统包括布置在跟随车上的油门踏板开度传感器201，发动机转速传感器202，制动主缸压力传感器203，方向盘转角传感器204，变速器档位传感器205，车速传感器206，电子控制单元207，车车通信装置208，毫米波雷达209，摄像头210，支持主动转向的EPS转向控制系统211，支持主动制动的ESP制动控制系统212，支持油门控制的EMS发动机控制系统213，系统开关214，状态提示装置215，GPS定位装置216。跟随车上的油门踏板开度传感器201，发动机转速传感器202，制动主缸压力传感器203，方向盘转角传感器204，变速器档位传感器205，车速传感器206，电子控制单元207，车车通信装置208的布置位置与领航车一样，跟随车的毫米波雷达209安装在前保险杠内，方向向前；摄像头210安装在车内倒车镜支架旁，方向向前；EPS电动助力转向系统用于接收目标转角信号并执行转向；ESP制动控制系统212，安装在发动机仓内，制动主缸前端，可包括ESP控制器和压力调解器；EMS发动机控制系统213，安装在发动机上，可包括EMS控制器和电子节气门；系统开关214和状态提示装置2015安装在副驾驶室前方的中控台上。
在本发明中，领航车控制系统和跟随车控制系统的各结构可采用现有技术中的结构，例如，油门踏板开度传感器可采用南京奥联TBQ-52，发动机转速传感器可采用大陆汽车电子CPDD，方向盘转角传感器可采用博世LWS，车速传感器可采用博世WSS，雷达可采用DelphESR，摄像头可采用恒润科技Fas-Cam，EPS可采用蒂森克虏伯GEN1，ESP制动控制系统可采用博世ESP9，EMS控制器可采用大陆EASY U SDI，电子节气门可采用大陆ETC 8.8等，但是本发明并不局限于此，上述只是一个示例，可根据需要选择不同厂商的产品，只要能够实现本发明的功能即可。
对于领航车控制系统的各结构，油门踏板开度传感器101采集领航车的油门开度信号α1，并将其通过CAN网络发送到电子控制单元107。发动机转速传感器102采集领航车的发动机转速信号nM1，并将其通过CAN网络发送到电子控制单元107。制动主缸压力传感器103采集领航车的制动压力信号p1，并将其通过CAN网络发送到电子控制单元107。方向盘转角传感器104采集领航车方向盘转角信号δ1，并将其通过CAN网络发送到电子控制单元107。变速器档位传感器105采集领航车的变速器档位信号i1，并将其通过CAN网络发送到电子控制单元107。车速传感器106采集领航车的车速信号v1，并将其通过CAN网络发送到电子控制单元107。GPS定位装置109采集领航车的定位坐标(x1，y1)和航向角ψ1，并将其通过CAN网络发送到电子控制单元107。电子控制单元107将接收的领航车的油门开度信号α1，发动机转速信号nM1，制动压力信号p1，方向盘转角信号δ1，变速器档位信号i1，车速信号v1，定位坐标(x1、y1)和航向角ψ1以及领航车的车辆代码号N通过CAN网络发送给车车通讯装置108。车车通讯装置108通过无线网络将上述信号通过DSRC(5.9GHz)协议发送给跟随车的车车通讯装置208。
对于跟随车控制系统的各结构，油门踏板开度传感器201采集跟随车的油门开度信号α2，并将其通过CAN网络发送到电子控制单元207。发动机转速传感器202采集跟随车的发动机转速信号nM2，并将其通过CAN网络发送到电子控制单元207。制动主缸压力传感器203采集跟随车的制动压力信号p2，并将其通过CAN网络发送到电子控制单元207。方向盘转角传感器204采集跟随车的方向盘转角信号δ2，并将其通过CAN网络发送到电子控制单元207。变速器档位传感器205采集跟随车的变速器档位信号i2，并将其通过CAN网络发送到电子控制单元207。车速传感器206采集跟随车的车速信号v2，并将其通过CAN网络发送到电子控制单元207。跟随车上的车车通信装置208接收领航车上的车车通信装置108发送来的领航车的油门开度信号α1，发动机转速信号nM1，制动压力信号p1，方向盘转角信号δ1，变速器档位信号i1，车速信号v1，定位坐标(x1，y1)和航向角ψ1以及领航车的车辆代码号N并将这些信号通过CAN网络发送到电子控制单元207。毫米波雷达209采集前方车辆的距离d1、方向角β1和前车相对速度vesr，并将其通过CAN网络发送给电子控制单元207，此处的前方车辆包括领航车和其他位于跟随车前方的车辆，d1是指跟随车与前方车辆之间的距离，vesr是指前方车辆相对于跟随车的纵向速度。摄像头210采集前方车辆的距离d2、方向角β2和前车相对速度vccd，并将其通过CAN网络发送给电子控制单元207。GPS定位装置216采集跟随车的定位坐标(x2，y2)和航向角ψ2，并将其通过CAN网络发送给电子控制单元207。即，跟随车上的电子控制单元207接收如下信号：(1)传感器信号：油门踏板开度传感器201的油门开度信号α2，发动机转速传感器202的发动机转速信号nM2，制动主缸压力传感器203的制动压力信号p2，方向盘转角传感器204的方向盘转角信号δ2，变速器档位传感器205的变速器档位信号i2，车速传感器206的车速信号v2；(2)GPS定位装置216采集的定位坐标(x2，y2)和航向角ψ2；(3)毫米波雷达209采集的前方车辆的距离d1、方向角β1和前车相对速度vesr；(4)摄像头210采集的前方车辆的距离d2、方向角β2和前车相对速度vccd；(5)车车通信装置208发送的信号。
所述跟随车电子控制单元207基于接收和采集的信号对跟随车进行如下控制：判断系统是否存在故障；在系统不存在故障的情况下，判断跟随车的跟随目标是否是领航车；在判断跟随目标为领航车的情况下，执行如下操作：识别跟随模式是直道模式还是弯道模式；检测是否有障碍物插入到行驶路径中；在识别为弯道模式的情况下进行弯道数据记录；基于识别的跟随模式和检测的障碍物对跟随车的纵向加速度进行控制；基于识别的跟随模式和检测的障碍物对跟随车方向盘转角进行控制；将跟随车的纵向加速度目标值转换为发动机扭矩请求和制动减速度请求，并发送给所述ESP制动控制系统212和所述EMS发动机控制系统213。
为实时了解跟随车的行驶状态，本发明通过状态提示装置215进行状态提示。在一示例中，状态提示装置215为安装在跟随车上的状态提示灯，本实施例中可采用1个LED灯，但并不局限于此，也可以采用2个或者3个等。状态提示灯215接收电子控制单元207的控制指令，可实现不亮、绿色常亮、绿色闪烁、红色常亮、红色闪烁5种状态。但是本发明并不局限于此，本发明的状态提示装置215可为声音输出装置，而不是指示灯，从而可通过声音的方式进行提醒，而不是依靠指示灯，例如，可通过设置不同频率的滴滴声来进行提示，可通过如下操作来输出5个提醒信号(等级由小到大)：无提示；声音频率为1hz；声音频率为2hz；声音频率为3hz，声音频率为4hz。
以下，对本发明的自动跟车行驶控制系统的领航车控制系统和跟随车控制系统的工作原理进行详细介绍。
<领航车控制系统的控制方法>
本发明的领航车控制系统的控制方法主要是指领航车上的电子控制单元107按照预定的控制周期周期性运行，例如按照10ms的周期进行运行。如图4所示，领航车的电子控制单元107运行的内容主要包括：
(1)系统初始化：系统上电后，对单片机进行初始化；
(2)在每个控制周期，采集如下信号：油门开度信号α1，发动机转速信号nM1，制动压力信号p1，方向盘转角信号δ1，变速器档位信号i1，车速信号v1，定位坐标(x1、y1)和航向角ψ1，并将采集的上述信号和事先存储的领航车的车辆代码号N通过CAN网络发送给车车通讯装置107。
<跟随车控制系统的控制方法>
本发明的跟随车控制系统的控制方法主要是指跟随车上的电子控制单元207按照预定的控制周期进行运行，例如按照10ms的周期进行运行。如图5所示，跟随车的电子控制单元207运行的内容主要包括以下操作：
操作1：系统初始化
系统上电后，对单片机进行初始化。
操作2：系统开关判断
判断系统开关214的信号脉冲，如果有，则进入操作3，否则结束运行。当驾驶员希望开启自动跟车行驶系统时，会操作系统开关214，产生脉冲信号，然后被电子控制单元207检测到。
操作3：采集信号
接收领航车的油门踏板开度传感器101的油门开度信号α1，发动机转速传感器102的发动机转速信号nM1，制动主缸压力传感器103的制动压力信号p1，方向盘转角传感器104的方向盘转角信号δ1，变速器档位传感器105的变速器档位信号i1，领航车的定位坐标(x1，y1)和航向角ψ1，领航车的车辆代码号N。采集如下信号：跟随车的油门开度信号α2，发动机转速信号nM2，制动压力信号p2，方向盘转角信号δ2，变速器档位信号i2；跟随车上毫米波雷达209的信息：前方车辆的距离d1、方向角β1和前车相对速度vesr；跟随车上摄像头210的信息：前方车辆的距离d2、方向角β2和前车相对速度vccd；跟随车上的GPS信息：跟随车的定位坐标(x2，y2)和航向角ψ2。
操作4：信号处理
对采集的车速信号v1、v2、vesr、vccd进行低通滤波，以减少测量噪声。
本发明可采用如下滤波函数对车速信号v1、v2、vesr、vccd进行滤波处理：
其中，x_filter(t)为t时刻的信号滤波值，x(t)为t时刻的信号原始值，k为滤波系数，本实例中，k＝8。
操作5：故障判断
检查操作3中的信号是否为有效值，如果有无效数据，说明系统有故障，退出控制。如果跟随车CAN线断开，导致电子控制单元207无法收到某信号的CAN报文，此时电子控制单元可以检测到CAN报文丢失；如果领航车电子控制单元107无法采集到某传感器信号，则通过车车通信装置发送与原数据范围不同的无效值数据，随后，跟随车电子控制单元会检测到该无效值数据，说明整个自动跟车行驶控制系统有故障，退出自动驾驶控制。
操作6：领航车判断
判断跟随车所跟随的目标是否是领航车，可通过多种方式的融合来进行领航车判断，本发明实施例提供的判断方式为：((条件1)或(条件2))且(条件3)。
其中，条件1为根据领航车和跟随车的GPS信息和跟随车上的毫米波雷达采集的信号进行判断。
如图6所示，可根据GPS信息进行坐标变换，可以计算领航车相对于跟随车的偏移角β：
以及两车之间的质心距离d：
结合摄像头采集的前车偏移角β1和距离d1，进行判断，条件判断语句如下：
(|β-β1|<THR1)且(|d-d1|<THR 2)；
其中，THR1是考虑到毫米波雷达安装位置与质心不同可能会导致的误差和GPS定位的误差而设置的角度门限值，为试验标定值，本实施例约为10°；THR2是考虑到毫米波雷达安装位置与质心不同可能会导致的误差和GPS定位的误差而设置的距离门限值，通过实车试验后进行标定，本实施例为约1m。
条件2为根据领航车和跟随车的GPS信息和跟随车上的摄像头采集的信号进行判断。
与条件1类似，得到条件判断语句为：
(|β-β2|<THR 3)且(|d-d2|<THR 4)
其中，THR3是考虑到摄像头安装位置与质心不同可能会导致的误差和GPS定位的误差而设置的角度门限值，为试验标定值，本实施例约为10°；THR2是考虑到摄像头安装位置与质心不同可能会导致的误差和GPS定位的误差而设置的距离门限值，通过实车试验后进行标定，本实施例约为1m。
条件3为根据领航车和跟随车相互通信的数据即车联网数据和毫米波雷达采集的信号进行判断。
当前后两车近似直行时，毫米波雷达测量的前车相对速度应该与领航车和跟随车的车速差一致，即
|v1-v2-vesr|＜THR 5)
其中，THR5为速度误差门限，通过实车试验后进行标定，本实施例约为2km/h。
当同时满足条件1和条件3或者同时满足条件2和条件3时，判断跟随目标为领航车。
操作7：跟随模式识别
在判断为领航车的情况下，需要对跟随车的跟随模式进行识别。跟随模式识别主要用于将转弯半径半径小的弯道路况和直道路况(或转弯半径大的路况)区分开，因为在较近的跟车距离下，如果领航车转弯半径小，跟随车上的毫米波雷达和摄像头传感器就有可能无法观测到领航车的位置，因此必须使用其他方法进行控制。本发明的跟随模式识别主要通过下述方式进行。
条件1：车车通信数据
根据车车通信装置获得的领航车的方向盘转角信号，可以实时获得领航车驾驶员的转向意图，识别条件为：
(|δ1|＞THR 6)且
其中，为方向盘转速，通过对方向盘转角信号取的微分运算或差分运算得到；THR6为试验标定的方向盘转角门限值，本实施例为90°；THR7为试验标定的方向盘转速门限值，本实施例为120°/s。
条件2：GPS数据
根据领航车GPS采集到的航向角变化率也可以识别领航车的转弯意图，识别条件为：
其中，为航向角，通过对领航车的航向角信号取微分运算或差分运算得到；THR8为试验标定的航向角变化率门限，本实施例为10°/s。
当(条件1)且(条件2)都不成立时，跟车模式为模式1(直道模式)，否则为模式2(弯道模式)。
操作8：障碍物检测
虽然在本发明中，领航车和跟随车之间的车距可以控制在3m～5m左右，但还是不可避免会有其他车辆、行人或障碍物的从侧方切入的情况，因此通过本操作进行识别以便后续采用不同的方式进行控制。本发明中的跟随车的行驶轨迹与领航车基本一致，因此主要考虑侧方出现插入到行驶路径中的情况。由于摄像头会自动识别跟随车轨迹附近最近的目标，因此可按照如下障碍物检测方法进行检测：
条件1：目标偏移角异常
判断语句为：|β2-β2-last|＞THR9
其中，β2-last为跟随车控制系统中记录的摄像头采集的前方车辆的上一时刻的方向角值，THR9为实车标定的前方车辆的偏移角门限值，本实施例为20°。
条件2：目标速度异常
判断语句为：|v1-v2-vccd|＞THR10
其中THR10是实车标定的速度异常门限，本实施例为3km/h。
当检测条件1和检测条件2都成立时，判定为障碍物模式。
操作9：弯道数据记录
如果跟车模式识别为模式2，需要进行领航车弯道数据记录，记录内容包括：根据领航车从弯道模式识别点开始的行驶距离s1记录其方向盘转角和车速。
进入模式2后，领航车初始的行驶距离为s1＝0
并记录此时跟随车与领航车的距离d2_curve＝d2，此时跟随车相对于领航车弯道识别点的行驶距离为：
s2＝-d2_curve
而在模式2的行驶过程中，领航车的行驶距离为：
s1＝∑v1*Δt
跟随车的行驶距离为：
s2＝∑v2*Δt-d2_curve
设定一距离步长标定量Δs，该距离步长标定量Δs可通过实车试验得到，本实施例中为0.1m，以的Δs整数倍为坐标，记录走过该位置时的领航车车速和方向盘转角，即当领航车每次行驶一个Δs，就记录一组数据，具体记录方式如下表1所示：
表1领航车弯道数据记录表
序号 距离 领航车车速 领航车方向盘转角
1 0 v<sub>1_1</sub> δ<sub>1_1</sub>
2 Δs v<sub>1_2</sub> δ<sub>1_2</sub>
3 2Δs v<sub>1_3</sub> δ<sub>1_3</sub>
4 3Δs v<sub>1_4</sub> δ<sub>1_4</sub>
…… …… …… ……
操作10：纵向控制
本发明对跟随车的纵向控制需要根据操作6和操作7的识别结果以及操作8的判别结果来采用不同的控制模式，具体地，根据操作6来判断是否开启或关闭自动跟车行驶功能，在已经开启自动跟车行驶功能的前提下，根据操作7和8判断进入不同的控制模式，主要包括如下控制模式：
模式1：直道纵向控制
本发明所述的直道纵向控制，指在操作7所识别的模式1中所使用的车辆纵向加速度控制，使得跟随领航车的跟随车的油门或制动操作以最快的方式调节跟随车的纵向加速度，使用前馈法和反馈法结合的方式进行计算：
acal＝a1+a2
其中，acal为跟随车纵向加速度的控制目标，a1为前馈控制量，a2为反馈控制量。
(1)前馈控制量计算
为了缩短跟车车距，跟随车必须能够快速响应，以尽可能与领航车的加速度保持一致，因此将领航车当前油门和制动状态产生的计算加速度作为前馈控制量。
根据领航车的纵向动力学方程(忽略传动系的加速阻力)，可知领航车的加速度为：
a1＝(Te1*i1*i1z*η1*r1-Fair1-Fb1-Fres1)/M1
其中，发动机实时扭矩根据发动机特性表计算：
Te1＝f(α1,nm1)
α1是领航车的油门踏板开度，nm1是领航车的发动机转速。对个特定型号的车辆，发动机可以根据油门开度和发动机转速查标定数据表f得到发动机实时扭矩的近似值。
空气阻力根据车速计算(忽略风速)：
Fair1＝05*CD1*A1*ρa*v1 2
制动力计算简化为制动主缸压力的函数：
Fb1＝k1*p1
滚动阻力简化为：
Fres1＝M1*g*fR1
f是领航车的发动机特性表，i1为领航车变速器传动比，i1z为领航车主减速比，η1为领航车传动效率，r1为领航车的车轮半径，M1为领航车整车质量，CD1为领航车风阻系数，A1为领航车迎风面积，ρa为空气密度，k1为领航车的制动器系数，fR1为领航车的滚动阻力系数，这些参数值预先存储在电子控制单元中，均可根据领航车的车辆代码号N进行查询。
(2)反馈控制量计算方法
本发明所述的领航车直道纵向控制加速度的反馈量为：
a2＝ka1*(DM-D0)+ka2*(v1-v2)
其中，ka1和ka2分别为通过试验标定的直道工况加速度-距离比例系数和直道工况加速度-速度比例系数，通过试验标定，本实施例ka1为0.5，ka2为0.8。
DM为跟随车与目标车的测量车距，由于毫米波雷达的测距精度高于摄像头，当d1和d2均为有效值时：
DM＝d1
本实施例中，当d1和d2位于0至200范围内时，为有效值，当d1突然失效，即毫米波雷达丢失目标时，而d2为有效值且与d1失效前的有效值相近时：
DM＝d2
当d1和d2均为无效值时，退出自动跟车行驶。
D0为目标控制车距，为了减小跟车距离，以便降低风阻并提高道路交通的利用率，并兼顾安全性，本发明使用的目标车距为与跟随车车速相关的函数，可根据车速进行调节：
D0＝MAX(Dmin,MIN(Dmax,kD*v2))
其中，Dmin为设定最小距离，Dmax为设定最大距离，kD为速度梯度系数，均为试验标定，本实施例中，Dmin＝3，Dmax＝5，kD＝0.04。
模式2：弯道纵向控制
本发明所述的弯道纵向控制，指在操作7所示别的模式2中所使用的车辆纵向加速度控制，使用轨迹记忆法和反馈法结合的方式进行计算。由于弯道中跟随车要自动跟随领航车沿相同的轨迹行驶，而毫米波雷达和摄像头有可能无法观测到领航车的位置，并且即使观测到，其测量的纵向距离也不是实际轨迹上的距离，因此需要根据车车通信的数据进行计算：
dcal为弯道中通过行驶轨迹计算的领航车和跟随车之间的车距，具体为跟随车沿着领航车行驶轨迹的曲线距离，当初次识别为模式2时
dcal＝d1
在模式2中，后一时刻的dcal根据前一时刻的值dcal_last计算：
dcal＝dcal-last+(v1-v2)*Δt
其中，Δt为系统周期。
(1)当车距dcal≤dsafe时，
acal＝kb1*(dcal-dsafe)+kb2*(v1-v2)
其中，dsafe为安全距离，为试验标定值，本实施例中为1.5m，kb1和kb2分别为通过试验标定的弯道工况加速度-距离比例系数和弯道工况加速度-速度比例系数，在本实施例中，kb1＝2，kb2＝1.6。
(2)当车距dcal＞dsafe时，
acal＝kc*(v2-vrec)
其中，vrec为根据跟随车行驶位置利用上表1查询领航车在该位置的速度值，kc为目标加速度比例系数，为标定系数，本实施例中为0.8，跟随车的行驶位置为：s2＝∑v2*Δt
模式3：障碍情况纵向控制
在操作8中检测到障碍物时，根据该检测结果对跟随车进行控制。本发明所述的障碍情况的纵向控制方法是指根据障碍物距离和相对车速进行纵向加速度控制，控制公式为：
acal＝kd1*(d2-D0)+kd2*vccd
其中，kd1，kd2分别为通过试验标定的障碍物工况加速度-距离比例系数和障碍物工况加速度-速度比例系数，本实施例中，kd1＝1，kd2＝1.6。
操作11：侧向控制
本发明所述的侧向控制，需要根据操作7和操作8选择不同的方向盘转角控制方法。主要包括以下3种模式：
模式1：直道侧向控制
由于操作7中确认的模式1能确保摄像头能观测到领航车，无论是在直线行驶、变道超车、还是在弯道半径较大的弯道中，因此可以直接根据领航车的位置进行闭环跟随控制。
为了简化计算过程，但又要消除跟随车车速和两车车距两个因素的影响，使用下式进行控制：
其中，δcal为跟随车的方向盘转角目标值，ke为通过试验标定的直道工况方向盘转角-距离比例系数，vδmin为防止低速区计算误差的最低车速，采用试验标定，在本实施例中，ke为6，vδmin为10。
模式2：弯道侧向控制
在弯道模式中，跟随车的行驶位置为：s2＝∑v2*Δt
根据表1查询得到：δcal＝δ1_i
其中，δcal为跟随车的方向盘转角目标值，δ1_i为领航车行驶到该位置时的方向盘转角。
模式3：故障时侧向位置
故障时，控制跟随车的方向盘转角保持不变，提醒驾驶员进行接管，待驾驶员操作方向盘后退出控制。
操作12：车辆加速度信号转换
本发明所述的车辆加速度信号转换指将纵向加速度目标值acal转化为发动机扭矩请求Te_cal和制动减速度请求areq分别发给EMS控制系统213和ESP控制系统212，具体的转换参见如下描述。
<acal转换>
根据跟随车的纵向动力学方程(忽略传动系的加速阻力)，可得到发动机实时扭矩Te2为：
空气阻力Fair2根据车速计算(忽略风速)：
Fair2＝05*CD2*A2*ρa*v2 2
制动力Fb2计算简化为制动主缸压力的函数：
Fb2＝k2*p2
滚动阻力Fres2简化为：
Fres2＝M2*g*fR2
i2为跟随车变速器传动比，i2z为跟随车主减速比，η2为跟随车传动效率，r2为跟随车的车轮半径，M2为跟随车整车质量，CD2为跟随车风阻系数，A2为跟随车迎风面积，ρa为空气密度，k2为跟随车的制动器系数，fR2为跟随车的滚动阻力系数，对于特定车型，这些参数都预先存储在电子控制单元中。
当Te1≧0时，
Te_cal＝Te1
areq＝0
当Te1＜0时，
Te_cal＝0
areq＝acal
操作13：系统状态提醒
本发明中的系统状态提醒是指跟随车的电子控制单元207将系统状态标志发送给状态提示灯进行显示。状态提示灯有5种状态：不亮、绿色常亮、绿色闪烁、红色常亮、红色闪烁。
当系统开关未被按下时(初始状态)，状态提示灯为不亮状态；当系统开关被按下后，状态提示灯为绿色闪烁状态，例如以2hz的闪烁频率进行闪烁，同时设置在电子控制单元207中的计数器M开始计时，每个控制周期+1；当操作5诊断出故障时，状态提示灯为红色常亮状态；当操作6发现前方车辆不是领航车时，状态提示灯为红色闪烁状态，例如以2hz的闪烁频率进行闪烁；当操作8检测到障碍物时，状态提示灯为红色闪烁状态，例如以2hz的闪烁频率进行闪烁；当计数器＝1000，且操作5未诊断出故障，操作6确认前方车辆为领航车，操作8未检测到障碍物时，状态提示灯为绿色常亮；在车辆熄火后，状态提示灯重置为不亮状态。
【实施例2】
本实施例提供一种自动跟车行驶控制方法，该方法用于上述实施例1的自动跟车行驶控制系统中，主要包括以下步骤：
S100：领航车信号采集
领航车电子控制单元周期性，例如，以10ms为周期采集领航车的如下信号：油门开度信号α1，发动机转速信号nM1，制动压力信号p1，方向盘转角信号δ1，变速器档位信号i1，车速信号v1，定位坐标(x1、y1)和航向角ψ1，并将采集的信号和领航车的车辆代码号发送给领航车的车车通信装置。
S200：领航车信号接收和跟随车信号采集
跟随车电子控制单元基于自动驾驶指令周期性接收领航车的车车通信装置发送的信号和采集跟随车的如下信号：(1)传感器信号：油门开度信号α2，发动机转速信号nM2，制动压力信号p2，方向盘转角信号δ2，变速器档位信号i2；(2)跟随车上毫米波雷达采集的信息：前方车辆的距离d1、方向角β1和前车相对速度vesr；(3)跟随车上摄像头采集的信息：前方车辆的距离d2、方向角β2和前车相对速度vccd；(4)跟随车上的GPS采集的信息：跟随车的定位坐标(x2，y2)和航向角ψ2。具体地，跟随车电子控制单元以10ms为运行周期，在每个控制周期，如果接收到自动驾驶指令，例如，当跟随车的系统开关被驾驶员按下，则进行控制工作，接收领航车发送的信号和采集跟随车的信号。为减少测量噪声，跟随车电子控制单元会对采集的车速信号v1、v2、vesr、vccd进行低通滤波。
S300：跟随车自动行驶控制
跟随车电子控制单元基于接收和采集的信号，执行如下操作：
S301：系统故障判断；
S302：领航车判断；
S303：跟随模式识别；
S304：障碍物检测
S305：弯道数据记录；
S306：纵向控制；
S307：侧向控制；
S308：车辆加速度转换；
S309：系统状态提醒。
以下参考图4至图6对步骤S301至步骤S309进行详细描述。
步骤301：故障判断
检查步骤200中，跟随车电子控制单元采集的信号是否为有效值，如果有无效数据，说明系统有故障，退出控制。如果跟随车CAN线断开，导致电子控制单元207无法收到某信号的CAN报文，此时电子控制单元可以检测到CAN报文丢失；如果领航车电子控制单元107无法采集到某传感器信号，则通过车车通信装置发送与原数据范围不同的无效值数据，随后，跟随车电子控制单元会检测到该无效值数据，说明整个自动跟车行驶控制系统有故障，退出自动驾驶控制。
步骤302：领航车判断
判断跟随车所跟随的目标是否是领航车，可通过多种方式的融合来进行领航车判断，本发明实施例提供的判断方式为：((条件1)或(条件2))且(条件3)。
其中，条件1为根据领航车和跟随车的GPS信息和跟随车上的毫米波雷达采集的信号进行判断。
如图6所示，可根据GPS信息进行坐标变换，可以计算领航车相对于跟随车的偏移角β：
以及两车之间的质心距离d：
结合摄像头采集的前车偏移角β1和距离d1，进行判断，条件判断语句如下：
(|β-β1|<THR1)且(|d-d1|<THR 2)；
其中，THR1是考虑到毫米波雷达安装位置与质心不同可能会导致的误差和GPS定位的误差而设置的角度门限值，为试验标定值，本实施例约为10°；THR2是考虑到毫米波雷达安装位置与质心不同可能会导致的误差和GPS定位的误差而设置的距离门限值，通过实车试验后进行标定，本实施例约为1m。
条件2为根据领航车和跟随车的GPS信息和跟随车上的摄像头采集的信号进行判断。
与条件1类似，得到条件判断语句为：
(|β-β2|<THR 3)且(|d-d2|<THR 4)
其中，THR3是考虑到摄像头安装位置与质心不同可能会导致的误差和GPS定位的误差而设置的角度门限值，为试验标定值，本实施例约为10°；THR2是考虑到摄像头安装位置与质心不同可能会导致的误差和GPS定位的误差而设置的距离门限值，通过实车试验后进行标定，本实施例约为1m。
条件3为根据车联网数据和毫米波雷达采集的信号进行判断。
当前后两车近似直行时，毫米波雷达测量的前车相对速度应该与领航车和跟随车的车速差一致，即
|v1-v2-vesr|＜THR 5)
其中，THR5为速度误差门限，通过实车试验后进行标定，本实施例约为2km/h。
当同时满足条件1和条件3或者同时满足条件2和条件3时，判断跟随目标为领航车。
步骤303：跟随模式识别
在判断为领航车的情况下，需要对跟随车的跟随模式进行识别。跟随模式识别主要用于将转弯半径半径小的弯道路况和直道路况(或转弯半径大的路况)区分开，因为在较近的跟车距离下，如果领航车转弯半径小，跟随车上的毫米波雷达和摄像头传感器就有可能无法观测到领航车的位置，因此必须使用其他方法进行控制。本发明的跟随模式识别主要通过下述方式进行。
条件1：车车通信数据
根据车车通信装置获得的领航车的方向盘转角信号，可以实时获得领航车驾驶员的转向意图，识别条件为：
(|δ1|＞THR 6)且
其中，为方向盘转速，通过对方向盘转角信号取的微分运算或差分运算得到；THR6为试验标定的方向盘转角门限值，本实施例为90°；THR7为试验标定的方向盘转速门限值，本实施例为120°/s。
条件2：GPS数据
根据领航车GPS采集到的航向角变化率也可以识别领航车的转弯意图，识别条件为：
其中，为航向角，通过对领航车的航向角信号取微分运算或差分运算得到；THR8为试验标定的航向角变化率门限，本实施例中为10°/s。
当(条件1)且(条件2)都不成立时，跟车模式为模式1(直道模式)，否则为模式2(弯道模式)。
步骤304：障碍物检测
虽然在本发明中，领航车和跟随车之间的车距可以控制在3m～5m左右，但还是不可避免会有其他车辆、行人或障碍物的从侧方切入的情况，因此通过本步骤进行识别以便后续采用不同的方式进行控制。本发明中的跟随车的行驶轨迹与领航车基本一致，因此主要考虑侧方出现插入到行驶路径中的情况。由于摄像头会自动识别跟随车轨迹附近最近的目标，因此可按照如下障碍物检测方法进行检测：
条件1：目标偏移角异常
判断语句为：|β2-β2-last|＞THR9
其中，β2-last为跟随车控制系统中记录的摄像头采集的前方车辆的上一时刻的方向角值，THR9为实车标定的前方车辆的偏移角门限值。
条件2：目标速度异常
判断语句为：|v1-v2-vccd|＞THR10)
其中THR10是实车标定的速度异常门限，本实施例为3km/h。
当检测条件1和检测条件2都成立时，判定为障碍物模式。
步骤305：弯道数据记录
如果跟车模式识别为模式2，需要进行领航车弯道数据记录，记录内容包括：根据领航车从弯道模式识别点开始的行驶距离s1记录其方向盘转角和车速。
并记录此时跟随车与领航车的距离d2_curve＝d2，此时跟随车相对于领航车弯道识别点的行驶距离为：
s2＝-d2_curve
而在模式2的行驶过程中，领航车的行驶距离为：
s1＝∑v1*Δt
跟随车的行驶距离为：
s2＝∑v2*Δt-d2_curve
设定一距离步长标定量Δs，该距离步长标定量Δs可通过实车试验得到，本实施例中为0.1m，以的Δs整数倍为坐标，记录走过该位置时的领航车车速和方向盘转角，即当领航车每次行驶一个Δs，就记录一组数据，具体记录方式如下表1所示：
表1领航车弯道数据记录表
序号 距离 领航车车速 领航车方向盘转角
1 0 v<sub>1_1</sub> δ<sub>1_1</sub>
2 Δs v<sub>1_2</sub> δ<sub>1_2</sub>
3 2Δs v<sub>1_3</sub> δ<sub>1_3</sub>
4 3Δs v<sub>1_4</sub> δ<sub>1_4</sub>
…… …… …… ……
步骤306：纵向控制
本发明对跟随车的纵向控制需要根据步骤302至步骤304的识别结果来采用不同的控制模式，具体地，根据操作6来判断是否开启或关闭自动跟车行驶功能，在已经开启自动跟车行驶功能的前提下，根据操作7和8判断进入不同的控制模式，主要包括如下控制模式：
模式1：直道纵向控制
本发明所述的直道纵向控制，指在步骤303所识别的模式1中所使用的车辆纵向加速度控制，使得跟随领航车的跟随车的油门或制动操作以最快的方式调节跟随车的纵向加速度，使用前馈法和反馈法结合的方式进行计算：
acal＝a1+a2
其中，acal为跟随车纵向加速度的控制目标，a1为前馈控制量，a2为反馈控制量。
(1)前馈控制量计算
为了缩短跟车车距，跟随车必须能够快速响应，以尽可能与领航车的加速度保持一致，因此将领航车当前油门和制动状态产生的计算加速度作为前馈控制量。
根据领航车的纵向动力学方程(忽略传动系的加速阻力)，可知领航车的加速度为：
a1＝(Te1*i1*i1z*η1*r1-Fair1-Fb1-Fres1)/M1
其中，发动机实时扭矩根据发动机特性表计算：
Te1＝f(α1,nm1)
α1是领航车的油门踏板开度，nm1是领航车的发动机转速。对个特定型号的车辆，发动机可以根据油门开度和发动机转速查标定数据表f得到发动机实时扭矩的近似值。
空气阻力根据车速计算(忽略风速)：
制动力计算简化为制动主缸压力的函数：
Fb1＝k1*p1
滚动阻力简化为：
Fres1＝M1*g*fR1
f是领航车的发动机特性表，i1为领航车变速器传动比，i1z为领航车主减速比，η1为领航车传动效率，r1为领航车的车轮半径，M1为领航车整车质量，CD1为领航车风阻系数，A1为领航车迎风面积，ρa为空气密度，k1为领航车的制动器系数，fR1为领航车的滚动阻力系数，这些参数值预先存储在电子控制单元中，均可根据领航车的车辆代码号N进行查询。
(2)反馈控制量计算方法
本发明所述的领航车直道纵向控制加速度的反馈量为：
a2＝ka1*(DM-D0)+ka2*(v1-v2)
其中，ka1和ka2分别通过试验标定的直道工况加速度-距离比例系数和直道工况加速度-速度比例系数，通过试验标定，本实施例ka1为0.5，ka2为0.8。
DM为跟随车与目标车的测量车距，由于毫米波雷达的测距精度高于摄像头，当d1和d2均为有效值时：
DM＝d1
本实施例中，当d1和d2位于0至200范围内时，为有效值，当d1突然失效，即毫米波雷达丢失目标时，而d2为有效值且与d1失效前的有效值相近时：
DM＝d2
当d1和d2均为无效值时，退出自动跟车行驶。
D0为目标控制车距，为了减小跟车距离，以便降低风阻并提高道路交通的利用率，并兼顾安全性，本发明使用的目标车距为与跟随车车速相关的函数，可根据车速进行调节：
D0＝MAX(Dmin,MIN(Dmax,kD*v2))
其中，Dmin为设定最小距离，Dmax为设定最大距离，kD为速度梯度系数，均为试验标定，本实施例中，Dmin＝3，Dmax＝5，kD＝0.04。
模式2：弯道纵向控制
本发明所述的弯道纵向控制，指在步骤303所示别的模式2中所使用的车辆纵向加速度控制，使用轨迹记忆法和反馈法结合的方式进行计算。由于弯道中跟随车要自动跟随领航车沿相同的轨迹行驶，而毫米波雷达和摄像头有可能无法观测到领航车的位置，并且即使观测到，其测量的纵向距离也不是实际轨迹上的距离，因此需要根据车车通信的数据进行计算：
dcal为弯道中通过行驶轨迹计算的领航车和跟随车之间的，当初次识别为模式2时：
dcal＝d1
在模式2中，后一时刻的dcal根据前一时刻的值dcal_last计算：
dcal＝dcal-last+(v1-v2)*Δt
其中，Δt为系统周期。
(1)当车距dcal≤dsafe时，
acal＝kb1*(dcal-dsafe)+kb2*(v1-v2)
其中，dsafe为安全距离，为试验标定值，本实施例中为1.5m，kb1和kb2分别通过试验标定的弯道工况加速度-距离比例系数和弯道工况加速度-速度比例系数，在本实施例中，kb1＝2，kb2＝1.6。
(2)当车距dcal＞dsafe时，
acal＝kc*(v2-vrec)
其中，vrec为根据跟随车行驶位置利用上表1查询领航车在该位置的速度值，kc为目标加速度比例系数，本实施例中为0.8，跟随车的行驶位置为：s2＝∑v2*Δt
模式3：障碍情况纵向控制
在步骤304中检测到障碍物时，根据该检测结果对跟随车进行控制。本发明所述的障碍情况的纵向控制方法是指根据障碍物距离和相对车速进行纵向加速度控制，控制公式为：
acal＝kd1*(d2-D0)+kd2*vccd
其中，kd1，kd2分别通过试验标定的障碍物工况加速度-距离比例系数和障碍物工况加速度-速度比例系数，本实施例中，kd1＝1，kd2＝1.6。
步骤307：侧向控制
本发明所述的侧向控制，需要根据步骤303和步骤304选择不同的方向盘转角控制方法。主要包括以下3种模式：
模式1：直道侧向控制
由于步骤303中确认的模式1能确保摄像头能观测到领航车，无论是在直线行驶、变道超车、还是在弯道半径较大的弯道中，因此可以直接根据领航车的位置进行闭环跟随控制。
为了简化计算过程，但又要消除跟随车车速和两车车距两个因素的影响，使用下式进行控制：
其中，δcal为跟随车的方向盘转角目标值，ke为直道工况方向盘转角-距离比例系数，vδmin为防止低速区计算误差的最低车速，采用试验标定，在本实施例中，ke为6，vδmin为10。
模式2：弯道侧向控制
在弯道模式中，跟随车的行驶位置为：s2＝∑v2*Δt
根据表1查询得到：δcal＝δ1_i
其中，δcal为跟随车的方向盘转角，δ1_i为领航车行驶到该位置时的方向盘转角。
模式3：故障时侧向位置
故障时，控制跟随车的方向盘转角保持不变，提醒驾驶员进行接管，待驾驶员操作方向盘后退出控制。
步骤308：车辆加速度信号转换
本发明所述的车辆加速度信号转换指将纵向加速度目标值acal转化为发动机扭矩请求Te_cal和制动减速度请求areq分别发给EMS控制系统213和ESP控制系统212，具体的转换参见如下描述。
<acal转换>
根据跟随车的纵向动力学方程(忽略传动系的加速阻力)，可得到发动机实时扭矩Te2为：
空气阻力Fair2根据车速计算(忽略风速)：
制动力Fb2计算简化为制动主缸压力的函数：
Fb2＝k2*p2
滚动阻力Fres2简化为：
Fres2＝M2*g*fR2
i2为跟随车变速器传动比，i2z为跟随车主减速比，η2为跟随车传动效率，r2为跟随车的车轮半径，M2为跟随车整车质量，CD2为跟随车风阻系数，A2为跟随车迎风面积，ρa为空气密度，k2为跟随车的制动器系数，fR2为跟随车的滚动阻力系数，对于特定车型，这些参数都预先存储在电子控制单元中。
当Te1≧0时，
Te_cal＝Te1
areq＝0
当Te1＜0时，
Te_cal＝0
areq＝acal
步骤309：系统状态提醒
本发明中的系统状态提醒是指跟随车的电子控制单元将系统状态标志发送给状态提示灯进行显示。状态提示灯有5种状态：不亮、绿色常亮、绿色闪烁、红色常亮、红色闪烁。
当系统开关未被按下时(初始状态)，状态提示灯为不亮状态；当系统开关被按下后，状态提示灯为绿色闪烁状态，例如以2hz的闪烁频率进行闪烁，同时设置在电子控制单元207中的计数器M开始计时，每个控制周期+1；当步骤301诊断出故障时，状态提示灯为红色常亮状态；当步骤302发现前方车辆不是领航车时，状态提示灯为红色闪烁状态，例如以2hz的闪烁频率进行闪烁；当步骤303检测到障碍物时，状态提示灯为红色闪烁状态，例如以2hz的闪烁频率进行闪烁；当计数器＝1000，且操作5未诊断出故障，操作6确认前方车辆为领航车，操作8未检测到障碍物时，状态提示灯为绿色常亮；在车辆熄火后，状态提示灯重置为不亮状态。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (28)

1.一种自动跟车行驶控制系统，其特征在于，包括领航车控制系统和与所述领航车控制系统通信的跟随车控制系统，
所述领航车控制系统包括布置在领航车上的领航车油门踏板开度传感器，领航车发动机转速传感器，领航车制动主缸压力传感器，领航车方向盘转角传感器，领航车变速器档位传感器，领航车车速传感器，领航车电子控制单元，领航车车车通信装置，领航车GPS定位装置；
所述跟随车控制系统包括布置在跟随上的跟随车油门踏板开度传感器，跟随车发动机转速传感器，跟随车制动主缸压力传感器，跟随车方向盘转角传感器，跟随车变速器档位传感器，跟随车车速传感器，跟随车电子控制单元，跟随车车车通信装置，毫米波雷达，摄像头，支持主动转向的EPS转向控制系统，ESP制动控制系统，EMS发动机控制系统，系统开关，跟随车GPS定位装置；
其中，所述领航车上的电子控制单元周期性地采集如下信号：领航车油门踏板开度传感器采集的油门开度信号α1，领航车发动机转速传感器采集的发动机转速信号nM1，领航车制动主缸压力传感器采集的制动压力信号p1，领航车方向盘转角传感器采集的方向盘转角信号δ1，领航车变速器档位传感器采集的变速器档位信号i1，领航车车速传感器采集的车速信号v1，领航车GPS定位装置采集的领航车的定位坐标(x1，y1)和航向角ψ1，并周期性地将采集的信号和领航车的车辆代码号N发送给所述领航车车车通信装置，所述领航车车车通信装置通过无线网络将接收的信号发送给所述跟随车车车通信装置；
所述跟随车电子控制单元周期性根据所述系统开关的状态来接收所述跟随车车车通信装置发送的信号并采集跟随车的相关信号：跟随车油门踏板开度传感器采集的油门开度信号α2，跟随车发动机转速传感器采集的发动机转速信号nM2，跟随车制动主缸压力传感器采集的制动压力信号p2，跟随车方向盘转角传感器采集的方向盘转角信号δ2，跟随车变速器档位传感器采集的变速器档位信号i2，跟随车车速传感器采集的车速信号v2，跟随车GPS定位装置采集的跟随车的定位坐标(x2，y2)和航向角ψ2，毫米波雷达采集的前方车辆的距离d1，方向角β1和相对速度vesr，摄像头采集的前方车辆的距离d2，方向角β2和相对速度vccd；
所述跟随车电子控制单元基于接收和采集的信号对跟随车进行如下控制：判断系统是否存在故障；在系统不存在故障的情况下，判断跟随车的跟随目标是否是领航车；在判断跟随目标为领航车的情况下，执行如下操作：识别跟随模式是直道模式还是弯道模式；检测是否有障碍物插入到行驶路径中；在识别为弯道模式的情况下进行弯道数据记录；基于识别的跟随模式和检测的障碍物对跟随车的纵向加速度进行控制；基于识别的跟随模式和检测的障碍物对跟随车方向盘转角进行控制；将跟随车的纵向加速度目标值转换为发动机扭矩请求和制动减速度请求，并发送给所述ESP制动控制系统和所述EMS发动机控制系统；
所述ESP制动控制系统根据所述跟随车电子控制单元发送的制动减速度请求指令来控制所述跟随车的实际减速度，所述EMS发动机控制系统根据所述跟随车电子控制单元发送的发动机扭矩请求指令来控制所述跟随车的发动机的净输出扭矩。
2.根据权利要求1所述的自动跟车行驶控制系统，其特征在于，当检测到驾驶员按下所述系统开关时，所述跟随车电子控制单元执行接收所述跟随车车车通信装置发送的信号和采集跟随车的相关信号的操作；
当所述跟随车电子控制单元接收和采集的信号不存在无效数据时，判断整个自动跟车行驶控制系统不存在故障，进入自动跟车行驶控制。
3.根据权利要求1所述的自动跟车行驶控制系统，其特征在于，通过如下方式判断跟随车的跟随目标是否是领航车：((条件1)或(条件2))且(条件3)；
其中，条件1为根据领航车和跟随车的GPS信息和跟随车上的毫米波雷达采集的信号进行判断，判断语句为：(|β-β1|<THR1)且(|d-d1|<THR2)；
条件2为根据领航车和跟随车的GPS信息和跟随车上的摄像头采集的信号进行判断，判断语句为：(|β-β2|<THR3)且(|d-d2|<THR4)；
条件3为根据车联网数据和毫米波雷达采集的信号进行判断，判断语句为：|v1-v2-vesr|<THR5)；
其中，β为领航车相对于跟随车的偏移角，d为领航车和跟随车之间的质心距离，THR1为预设的第一角度门限值，THR2为预设的第一距离门限值，THR3为预设的第二角度门限值，THR4为预设的第二距离门限值，THR5为预设的速度误差门限值；
当同时满足条件1和条件3或者同时满足条件2和条件3时，判断跟随目标为领航车。
4.根据权利要求1所述的自动跟车行驶控制系统，其特征在于，识别跟随模式是直道模式还是弯道模式通过如下方式进行识别：
识别条件1：(|δ1|＞THR6)且其中，为通过对方向盘转角信号取的微分运算或差分运算得到的方向盘转速，THR6为预设的方向盘转角门限值，THR7为预设的方向盘转速门限值；
识别条件2：其中，为通过对领航车的航向角信号取微分运算或差分运算得到的航向角，THR8为预设的航向角变化率门限值；
当识别条件1和识别条件2都不成立时，跟车模式识别为直道模式，否则为弯道模式。
5.根据权利要求1所述的自动跟车行驶控制系统，其特征在于，通过如下方式来检测是否有障碍物插入到行驶路径中：(检测条件1)且(检测条件2)
其中，检测条件1为检测目标偏移角异常，判断语句为：|β2-β2-last|＞THR9，β2-last为跟随车控制系统中记录的摄像头采集的前方车辆的上一时刻的方向角值，THR9为前方车辆的偏移角门限值；
检测条件2为检测目标速度异常，判断语句为：|v1-v2-vccd|<THR10)，THR10为预设的速度异常门限值；
当检测条件1和检测条件2都成立时，判定为障碍物模式。
6.根据权利要求4所述的自动跟车行驶控制系统，其特征在于，所述弯道数据记录包括：根据所述领航车从弯道模式识别点开始的行驶距离来记录所述领航车的方向盘转角和车速，以形成领航车弯道数据记录表。
7.根据权利要求6所述的自动跟车行驶控制系统，其特征在于，基于识别的跟随模式对跟随车的纵向加速度进行控制包括：在跟随模式识别为直道模式的情况下，执行对跟随车的纵向加速度进行控制的直道纵向控制；在跟随模式识别为弯道模式的情况下，执行基于领航车和跟随车的行驶轨迹来确定跟随车的纵向加速度的弯道纵向控制。
8.根据权利要求7所述的自动跟车行驶控制系统，其特征在于，
所述直道纵向控制通过下述公式(1)进行控制：
acal＝a1+a2 (1)
其中，acal为跟随车纵向加速度的控制目标，a1为根据领航车的当前油门和制动状态得到的领航车计算加速度，通过下述公式(2)确定；a2为领航车直道纵向控制加速度的反馈量，通过下述公式(3)确定；
a1＝(Te1*i1*i1z*η1*r1-Fair1-Fb1-Fres1)/M1 (2)
a2＝ka1*(DM-D0)+ka2*(v1-v2) (3)
其中，Te1为领航车的发动机实时扭矩，Fair1为根据领航车当前车速得到的空气阻力，Fb1为领航车的当前制动力，Frest1为领航车的当前滚动阻力，i1为领航车变速器传动比，i1z为领航车主减速比，η1为领航车传动效率，r1为领航车的车轮半径，M1为领航车整车质量；ka1和ka2分别为通过试验标定的直道工况加速度-距离比例系数和直道工况加速度-速度比例系数，DM为跟随车与目标车的测量车距，D0为领航车和跟随车之间的目标控制车距。
9.根据权利要求7所述的自动跟车行驶控制系统，其特征在于，所述弯道纵向控制包括：
根据下述公式(4)计算弯道中的领航车和跟随车之间的车距：
dcal＝dcal-last+(v1-v2)*Δt (4)
其中，dcal为弯道中通过行驶轨迹计算的领航车和跟随车之间的车距，dcal-last为前一时刻的弯道中的领航车和跟随车之间的车距，Δt为系统周期；
当车距dcal≤dsafe时，
acal＝kb1*(dcal-dsafe)+kb2*(v1-v2)
其中，acal为跟随车纵向加速度的控制目标，dsafe为领航车与跟随车之间的安全距离，为试验标定值，kb1和kb2分别为通过试验标定的弯道工况加速度-距离比例系数和弯道工况加速度-速度比例系数；
当车距dcal＞dsafe时，
acal＝kc*(v2-vrec)
其中，vrec为根据跟随车行驶位置，基于所述领航车弯道数据记录表确定的领航车在该行驶位置的速度值，kc为目标加速度比例系数。
10.根据权利要求5所述的自动跟车行驶控制系统，其特征在于，基于检测的障碍物对跟随车的纵向加速度进行控制包括：当检测到障碍物时，根据障碍物距离和相对跟随车的车速进行纵向加速度控制，其中，控制方式如下式(5)所示：
acal＝kd1*(d2-D0)+kd2*vccd (5)
其中，acal为跟随车纵向加速度的控制目标，kd1和kd2分别为通过试验标定的障碍物工况加速度-距离比例系数和障碍物工况加速度-速度比例系数，D0为领航车和跟随车之间的目标控制车距。
11.根据权利要求6所述的自动跟车行驶控制系统，其特征在于，基于检测的障碍物对跟随车的方向盘转角进行控制包括：在跟随模式识别为直道模式的情况下，执行对跟随车的方向盘转角进行控制的直道侧向控制；在跟随模式识别为弯道模式的情况下，执行对跟随车的方向盘转角进行控制的弯道纵向控制；
其中，所述直道侧向控制通过下式(6)进行控制：
其中，δcal为跟随车的方向盘转角目标值，ke为通过试验标定的直道工况方向盘转角-距离比例系数，vδmin为防止低速区计算误差的最低车速，通过试验标定；
所述弯道纵向控制为根据跟随车行驶位置，基于所述领航车弯道数据记录表确定所述跟随车的方向盘转角目标值。
12.根据权利要求5所述的自动跟车行驶控制系统，其特征在于，基于识别的跟随模式对跟随车的方向盘转角进行控制包括：当检测到障碍物时，控制跟随车的方向盘转角保持不变，提醒驾驶员进行接管，待驾驶员操作方向盘后退出控制。
13.根据权利要求8至10任一项所述的自动跟车行驶控制系统，其特征在于，通过下式(7)将跟随车的纵向加速度目标值转换为发动机扭矩请求和制动减速度请求：
其中，Te2为跟随车的发动机实时扭矩，i2为跟随车变速器传动比，i2z为跟随车主减速比，η2为跟随车传动效率，r2为跟随车的车轮半径，M2为跟随车整车质量，Fb2为跟随车的当前制动力，Fair2为根据跟随车车当前车速得到的空气阻力，Fres2为跟随车的当前滚动阻力。
14.根据权利要求1所述的自动跟车行驶控制系统，其特征在于，还包括状态提醒灯，当系统开关未被按下时，所述状态提示灯为不亮状态；当系统开关被按下后，状态提示灯为绿色闪烁状态，同时设置在跟随车电子控制单元中的计数器M开始计时，每个控制周期+1；当判断系统存在故障时，状态提示灯为红色常亮状态；当判断前方车辆不是领航车时，状态提示灯为红色闪烁状态；当检测到障碍物时，状态提示灯为红色闪烁状态；在车辆熄火后，状态提示灯重置为不亮状态。
15.一种自动跟车行驶控制方法，其特征在于，包括：
S100：领航车电子控制单元周期性采集领航车的如下信号：油门开度信号α1，发动机转速信号nM1，制动压力信号p1，方向盘转角信号δ1，变速器档位信号i1，车速信号v1，定位坐标(x1、y1)和航向角ψ1，并将采集的信号和领航车的车辆代码号发送给领航车的车车通信装置；
S200：跟随车电子控制单元基于自动驾驶指令周期性接收领航车的车车通信装置发送的信号和采集跟随车的如下信号：(1)传感器信号：油门开度信号α2，发动机转速信号nM2，制动压力信号p2，方向盘转角信号δ2，变速器档位信号i2；(2)跟随车上毫米波雷达采集的信息：前方车辆的距离d1、方向角β1和前车相对速度vesr；(3)跟随车上摄像头采集的信息：前方车辆的距离d2、方向角β2和前车相对速度vccd；(4)跟随车上的GPS采集的信息：跟随车的定位坐标(x2，y2)和航向角ψ2；
S300：跟随车电子控制单元基于接收和采集的信号，执行如下操作：系统故障判断、领航车判断、跟随模式识别、障碍物检测、弯道数据记录、纵向控制、侧向控制和车辆加速度转换。
16.根据权利要求15所述的自动跟车行驶控制方法，其特征在于，当检测到驾驶员按下系统开关时，所述跟随车电子控制单元执行接收所述跟随车的车车通信装置发送的信号和采集跟随车的相关信号的操作；
当所述跟随车电子控制单元接收和采集的信号不存在无效数据时，判断整个自动跟车行驶控制系统不存在故障，进入自动跟车行驶控制。
17.根据权利要求15所述的自动跟车行驶控制方法，其特征在于，通过如下方式判断跟随车的跟随目标是否是领航车：((条件1)或(条件2))且(条件3)；
其中，条件1为根据领航车和跟随车的GPS信息和跟随车上的毫米波雷达采集的信号进行判断，判断语句为：(|β-β1|<THR1)且(|d-d1|<THR2)；
条件2为根据领航车和跟随车的GPS信息和跟随车上的摄像头采集的信号进行判断，判断语句为：(|β-β2|<THR3)且(|d-d2|<THR4)；
条件3为根据车联网数据和毫米波雷达采集的信号进行判断，判断语句为：|v1-v2-vesr|<THR5)；
其中，β为领航车相对于跟随车的偏移角，d为领航车和跟随车之间的质心距离，THR1为预设的第一角度门限值，THR2为预设的第一距离门限值，THR3为预设的第二角度门限值，THR4为预设的第二距离门限值，THR5为预设的速度误差门限值；
当同时满足条件1和条件3或者同时满足条件2和条件3时，判断跟随目标为领航车。
18.根据权利要求15所述的自动跟车行驶控制方法，其特征在于，跟随模式识别包括识别是直道模式还是弯道模式，通过如下方式进行识别：
识别条件1：(|δ1|＞THR6)且其中，为通过对方向盘转角信号取的微分运算或差分运算得到的方向盘转速，THR6为预设的方向盘转角门限值，THR7为预设的方向盘转速门限值；
识别条件2：其中，为通过对领航车的航向角信号取微分运算或差分运算得到的航向角，THR8为预设的航向角变化率门限值；
当识别条件1和识别条件2都不成立时，跟车模式识别为直道模式，否则为弯道模式。
19.根据权利要求15所述的自动跟车行驶控制方法，其特征在于，通过如下方式来检测是否有障碍物插入到行驶路径中：(检测条件1)且(检测条件2)
其中，检测条件1为检测目标偏移角异常，判断语句为：|β2-β2-last|＞THR9，β2-last为跟随车控制系统中记录的摄像头采集的前方车辆的上一时刻的方向角值，THR9为前方车辆的偏移角门限值；
检测条件2为检测目标速度异常，判断语句为：|v1-v2-vccd|<THR10)，THR10为预设的速度异常门限值；
当检测条件1和检测条件2都成立时，判定为障碍物模式。
20.根据权利要求18所述的自动跟车行驶控制方法，其特征在于，所述弯道数据记录包括：根据所述领航车从弯道模式识别点开始的行驶距离来记录所述领航车的方向盘转角和车速，以形成领航车弯道数据记录表。
21.根据权利要求20所述的自动跟车行驶控制方法，其特征在于，所述纵向控制包括：在跟随模式识别为直道模式的情况下，执行对跟随车的纵向加速度进行控制的直道纵向控制；在跟随模式识别为弯道模式的情况下，执行基于领航车和跟随车的行驶轨迹来确定跟随车的纵向加速度的弯道纵向控制。
22.根据权利要求21所述的自动跟车行驶控制方法，其特征在于，
所述直道纵向控制通过下述公式(1)进行控制：
acal＝a1+a2 (1)
其中，acal为跟随车纵向加速度的控制目标，a1为根据领航车的当前油门和制动状态得到的领航车计算加速度，通过下述公式(2)确定；a2为领航车直道纵向控制加速度的反馈量，通过下述公式(3)确定；
a1＝(Te1*i1*i1z*η1*r1-Fair1-Fb1-Fres1)/M1 (2)
a2＝ka1*(DM-D0)+ka2*(v1-v2) (3)
其中，Te1为领航车的发动机实时扭矩，Fair1为根据领航车当前车速得到的空气阻力，Fb1为领航车的当前制动力，Frest1为领航车的当前滚动阻力，i1为领航车变速器传动比，i1z为领航车主减速比，η1为领航车传动效率，r1为领航车的车轮半径，M1为领航车整车质量；ka1和ka2分别为通过试验标定的障碍物工况加速度-距离比例系数和障碍物工况加速度-速度比例系数，DM为跟随车与目标车的测量车距，D0为领航车和跟随车之间的目标控制车距。
23.根据权利要求21所述的自动跟车行驶控制方法，其特征在于，所述弯道纵向控制包括：
根据下述公式(4)计算弯道中的领航车和跟随车之间的车距：
dcal＝dcal-last+(v1-v2)*Δt (4)
其中，dcal为弯道中通过行驶轨迹计算的领航车和跟随车之间的车距，dcal-last为前一时刻的弯道中的领航车和跟随车之间的车距，Δt为系统周期；
当车距dcal≤dsafe时，
acal＝kb1*(dcal-dsafe)+kb2*(v1-v2)
其中，acal为跟随车纵向加速度的控制目标，dsafe为领航车与跟随车之间的安全距离，为试验标定值，kb1和kb2分别为通过试验标定的弯道工况加速度-距离比例系数和弯道工况加速度-速度比例系数；
当车距dcal＞dsafe时，
acal＝kc*(v2-vrec)
其中，vrec为根据跟随车行驶位置，基于所述领航车弯道数据记录表确定的领航车在该行驶位置的速度值，kc为目标加速度比例系数。
24.根据权利要求19所述的自动跟车行驶控制方法，其特征在于，所述纵向控制包括：当检测到障碍物时，根据障碍物距离和相对跟随车的车速进行纵向加速度控制，其中，控制方式如下式(5)所示：
acal＝kd1*(d2-D0)+kd2*vccd (5)
其中，acal为跟随车纵向加速度的控制目标，kd1和kd2分别为通过试验标定的弯道工况加速度-距离比例系数和弯道工况加速度-速度比例系数，D0为领航车和跟随车之间的目标控制车距。
25.根据权利要求20所述的自动跟车行驶控制方法，其特征在于，所述侧向控制包括：在跟随模式识别为直道模式的情况下，执行对跟随车的方向盘转角进行控制的直道侧向控制；在跟随模式识别为弯道模式的情况下，执行对跟随车的方向盘转角进行控制的弯道纵向控制；
其中，所述直道侧向控制通过下式(6)进行控制：
其中，δcal为跟随车的方向盘转角目标值，ke为通过试验标定的直道工况方向盘转角-距离比例系数，vδmin为防止低速区计算误差的最低车速，通过试验标定；
所述弯道纵向控制为根据跟随车行驶位置，基于所述领航车弯道数据记录表确定所述跟随车的方向盘转角目标值。
26.根据权利要求19所述的自动跟车行驶控制方法，其特征在于，所述侧向控制包括：当检测到障碍物时，控制跟随车的方向盘转角保持不变，提醒驾驶员进行接管，待驾驶员操作方向盘后退出控制。
27.根据权利要求22至24任一项所述的自动跟车行驶控制方法，其特征在于，通过下式(7)将跟随车的纵向加速度目标值转换为发动机扭矩请求和制动减速度请求：
其中，Te2为跟随车的发动机实时扭矩，i2为跟随车变速器传动比，i2z为跟随车主减速比，η2为跟随车传动效率，r2为跟随车的车轮半径，M2为跟随车整车质量，Fb2为跟随车的当前制动力，Fair2为根据跟随车车当前车速得到的空气阻力，Fres2为跟随车的当前滚动阻力。
28.根据权利要求16所述的自动跟车行驶控制方法，其特征在于，所述跟随车电子控制单元基于接收和采集的信号还执行通过状态提示灯提示系统状态的操作，当系统开关未被按下时，所述状态提示灯为不亮状态；当系统开关被按下后，状态提示灯为绿色闪烁状态，同时设置在跟随车电子控制单元中的计数器M开始计时，每个控制周期+1；当判断系统存在故障时，状态提示灯为红色常亮状态；当判断前方车辆不是领航车时，状态提示灯为红色闪烁状态；当检测到障碍物时，状态提示灯为红色闪烁状态；在车辆熄火后，状态提示灯重置为不亮状态。
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