CN108010307A - 车队控制 - Google Patents

Abstract

提供一种用于控制在车队中行驶的车辆的方法和设备。在车队中的第一车辆处接收第一信息集合，所述第一信息集合与所述车队中的至少一个其它车辆相关。取决于所述第一信息集合而选择多个控制算法中的一个控制算法，其中所述多个控制算法中的每一个对应于相应的车队通信拓扑。响应于所述第一信息集合和所述控制算法中的所述选定控制算法而控制所述第一车辆。

Description

车队控制

技术领域

本申请案涉及对呈车队形式的车辆的自动控制，具体地说，涉及车辆间通信在车辆自动成队中的使用。

背景技术

智能运输系统(ITS)是旨在通过广播关于道路情况的实时信息来提高道路安全地带的系统。例如在此类系统中，汽车或类似车辆可广播例如位置、速度、道路情况、事件和/或事故等的信息。此信息可在使用所谓的车辆间(V2V)通信的车辆之间以及在车辆和使用车辆与基础设施(V2I)通信的例如路边实体或交通控制单元其它单元之间共享。这些通信系统可使用IEEE 802.11p专用短程通信(DSRC)技术。

ITS的一个应用可提供车辆成队。此类车辆成队可自动将数个车辆分组，从而以主动协调的方式行驶，例如形成一列车辆。可能需要车辆成队以便改进道路使用容量并缓解交通、提高燃料效率、安全性和驾驶员舒适性。

为了协调这种车辆成队，可在车队中的每一个车辆中提供车辆成队控制算法，以控制所述车辆使其保持在车队中。这些控制算法可控制车辆参数，例如速度和加速度。此类控制算法可响应于从车辆上的传感器或从车队的其它成员和/或其它实体接收关于车队行为的信息而控制车辆。例如，算法可基于从车辆的雷达传感器和/或V2V通信接收的信息而操作。

此类控制算法的目标可为将车辆保持在车队中以使得车队的成员车辆之间的距离相对较小。车辆之间的较小距离或间隙可产生更小的气流阻力，并且产生更少的燃料消耗。

车辆中的自适应巡航控制(ACC)系统可使用雷达和/或激光传感器，以跟随在它正前方的车辆。ACC可能看不到车队中在它的正前方车辆之前的车辆中的任一辆，这可能会产生引导车队的车辆的任何动作的逐个传播。可通过提供车队成员之间的较大间隙或行驶距离来调整这种逐个传播。

在ITS中，公共认识消息(CAM)可以10Hz速率进行广播，每一车辆可使用控制信道通过所述公共认识消息广播关于其自身的信息。此类信息可包括车辆的位置、速度、加速度和动作。使用CAM，车辆可使用一个消息来将此类信息同时广播到多个车辆。

在合作性的自适应巡航控制(CACC)中，车辆可以使用的信息不仅来自它的前方车辆，而且还来自车队的其它成员。尽管在一些情况下，相比于ACC，CACC系统可能会由于额外信息而限制干扰在整个车辆链中的传播，但是用于传达此类信息的消息的增加可能会遭受网络延迟或与不完全消息传递媒体相关联的问题。

本申请的实施例在考虑到这些现实世界约束条件的同时，旨在提供一种车辆成队控制方法。

发明内容

根据本申请的第一方面，提供用于控制在车队中行驶的车辆的方法，包括：

在车队中的第一车辆处接收第一信息集合，所述第一信息集合与车队中的至少一个其它车辆相关；取决于第一信息集合而选择多个控制算法中的一个控制算法，其中多个控制算法中的每一个对应于相应的车队通信拓扑；以及响应于第一信息集合和控制算法中的选定控制算法而控制第一车辆。

第一信息集合可包括雷达信息和一个或多个车辆间消息中的至少一个。可(例如)从第一车辆的雷达单元提供雷达信息。可经由通信信道从车队中的一个或多个其它车辆接收车辆间消息。方法可包括在存储器中存储第一信息集合。

方法可另外包括：在第一车辆处接收第二信息集合；取决于第二信息集合而选择多个控制算法中的另一控制算法；以及响应于第二信息集合和控制算法中的另一选定控制算法而控制第一车辆。在一些例子中，可在第一车辆处定期和/或循环地接收信息集合。在一些实施例中，可响应于接收到信息集合而进行控制算法的选择。在其它实施例中，只要信息集合中的消息类型和/或数目改变，就可进行控制算法的选择。

方法可另外包括：确定未接收到任何车辆间消息作为第二信息集合的部分；以及从多个控制算法中选择预测控制算法，所述预测控制算法被配置成基于所存储的第一信息集合而预测第二信息集合的其它信息。在一些例子中，车辆间消息可能已经在经由通信信道的传输中丢失，并且可能不会到达接收器。在一些情况下，可以获得来自雷达传感器的雷达信息。控制器可响应于未接收到任何车辆间消息而选择预测控制算法。车辆间消息可包括关于发送消息的车辆的驾驶状态的信息。如果未接收到任何车辆间消息，那么预测算法可取决于一个或多个先前存储的信息集合而预测车队中的一个或多个车辆的驾驶状态。所预测的其它信息可对应于在车辆间消息中携载的信息。

存储器可被另外配置成存储控制边界信息。控制第一车辆的步骤另外可包括另外响应于控制边界信息而控制第一车辆。可从车队中的至少一个其它车辆接收控制边界信息中的至少一些。例如，车队中的每一车辆可被配置成向每一其它车辆发送它们的边界条件。在其它例子中，可从中心实体发送边界信息。

方法可另外包括：确定未接收到任何车辆间消息作为第二信息集合的部分；以及请求来自车队中的至少一个其它车辆的信息。在一些情况下，当确定不可获得车辆间消息或与其它车辆的驾驶状态相关的信息时，车队控制系统可请求来自一个或多个周围车辆的这一驾驶状态。

方法可另外包括：向车队中的至少一个其它车辆传输与第一车辆相关联的信息。第一车辆可传输例如包括第一车辆的驾驶状态和/或边界信息的车辆间消息。与第一车辆相关联的信息可包括车辆间消息和控制边界信息中的至少一个。车辆间消息包括与第一车辆的驾驶状态相关的信息。在一些例子中，车辆间消息可以是公共认识消息(CAM)。

根据第二方面，提供用于控制车队中的第一车辆的行为的设备，所述设备包括：至少一个接收器，其被配置成接收与车队中的至少一个其它车辆相关的第一信息集合；以及控制器，其被配置成：取决于第一信息集合而选择多个控制算法中的一个控制算法，其中多个控制算法中的每一个对应于相应的车队通信拓扑；以及提供控制信号，所述控制信号被配置成响应于第一信息集合和选定控制算法而控制第一车辆。

第一信息集合可包括雷达信息和一个或多个车辆间消息中的至少一个。设备可另外包括：存储器，其被配置成存储第一信息集合。当接收器接收到第二信息集合时，控制器可被另外配置成：取决于第二信息集合而选择多个控制算法中的另一控制算法；以及提供控制信号，所述控制信号被配置成响应于第二信息集合和控制算法中的另一选定控制算法而控制第一车辆。

控制器可被另外配置成确定未接收到任何车辆间消息作为第二信息集合的部分以及从多个控制算法中选择预测控制算法，所述预测控制算法被配置成基于所存储的第一信息集合而预测第二信息集合的其它信息。所预测的其它信息可对应于在车辆间消息中携载的信息。

存储器可被另外配置成存储控制边界信息。控制器可被另外配置成另外响应于控制边界信息而控制第一车辆。接收器可被另外配置成从车队中的至少一个其它车辆接收控制边界信息中的至少一些。控制器可被另外配置成确定未接收到任何车辆间消息作为第二信息集合的部分，以及请求来自车队中的至少一个其它车辆的信息。

设备可另外包括：发射器，其被配置成向车队中的至少一个其它车辆传输与第一车辆相关联的信息。与第一车辆相关联的信息可包括车辆间消息和控制边界信息中的至少一个。车辆间消息可包括与第一车辆的驾驶状态相关的信息。设备可另外包括：车辆控制器，其被配置成接收控制信号，以及响应于所述控制信号而控制第一车辆的行为。

附图说明

将参考附图仅以例子的方式来描述实施例，在附图中：

图1是可实施在车队中的通信拓扑的例子；

图2是描绘根据实施例的方法步骤的流程图；

图3示出可在车队中的车辆之间发送的通信消息的例子；以及

图4示出根据实施例的车辆控制器的例子。

应了解，对于跨越超过一个图式的特征(如附图标记)指示类似的特征。

具体实施方式

在车辆成队中可实施各种通信网络拓扑。

图1a、b和c示出以数字次序行驶的第一车辆101、第二车辆102、第三车辆103、第四车辆104和第五车辆105。第一车辆101被视为车队领车。

图1a示出前方车辆-跟随车辆车队通信拓扑的例子。在这个拓扑中，通信110发生在第一车辆101和第二车辆102之间，通信111发生在第二车辆102和第三车辆103之间，通信112发生在第三车辆103和第四车辆104之间，并且通信113发生在第四车辆104和第五车辆105之间。

在这个例子中，通信采用通过后车指示车辆雷达已检测到前车的雷达检测的形式。然而，将了解，这仅作为例子，并且通信可采用任何形式，例如，可以是V2V消息或其它形式的堵塞检测。在这个例子中，车队中除了车队领车之外的每一车辆接收关于紧接在其前方的车辆的信息。这个拓扑的例子可用于自适应巡航控制(ACC)。

图1b示出领车-跟随车辆车队通信拓扑的例子。在这个拓扑中，除了领车101之外的车队车辆102、103、104和105中的每一个从车队领车101接收相应的消息120、121、122和123。此外，车辆101到105中的每一个可对前车进行雷达检测。

图1c示出前前方车辆-跟随车辆车队车辆通信拓扑的例子。在图1c的拓扑中，车队领车101向紧接在其后的车辆102提供消息130，并向在它之后且与它相隔一辆车的车辆103提供消息131。车队中的第二车辆102向第四车辆104提供消息132，所述第四车辆104是在第二车辆102之后且与它相隔一辆车的车辆。车队中的第三车辆103向第五车辆105提供消息133，所述第五车辆105是在第三车辆103之后且与它相隔一辆车的车辆。此外，车辆101到105中的每一个可对前车进行雷达检测。

在任一种通信拓扑中，每一消息可包括与发送车辆相关的信息，例如车辆的位置和/或速度和/或车辆的动作，或关于车队的其它信息。尽管图1a、b和c示出此类通信网络拓扑的三个例子，但是应了解，其它网络拓扑可存在且可与本申请的实施例兼容。

车队的行为可取决于所实施的车队通信拓扑。例如，在其中可获得更多信息的车队通信拓扑中，车队可进行更精确的控制。然而，在一些系统中，车队行为可取决于精确通信和以下假设：车队的车辆之间的消息将以精确且及时的方式接收。情况可能并不一直是这样。

无线通信缺陷可影响车队的实施方案，并且车队控制可能会对网络缺陷(例如，拥塞)敏感。V2V消息递送速率可随着发送器和接收器之间的距离而变化。在一些例子中，广播消息的顺序可能会由于繁忙信道中的MAC层回退而改变。

此外，当采用ITS时，那么ITS网络可能会开始遭受网络拥塞。例如，在包括具有2x3条车道的1km高速公路和平均汽车距离25米的情形中，大约240辆汽车可能处于在每一其它车辆的访问范围，并且可以10Hz的包速率发送CAM消息。在控制信道上的通信的默认调制速率可为6Mbps。模拟结果可显示出，在这种拥挤的情形中，50％的消息可能会丢失(由于空气中的消息碰撞)。这可能是由于信道容量限制和CSMA-CA多址协议开销。

可实施去集中化拥塞控制(DCC)解决方案以根据经测量信道繁忙比而调整消息速率、发射功率或调制数据速率，然而，减小消息速率可增加车队成员之间的信息更新时间，这可产生安全性更低的车队情形。减少发射功率可另外缩小通信范围。

本申请的实施例可能旨在解决其中存在不完整通信的情形，在所述不完整通信中，例如，消息可能会丢失或延迟。在此类实施例中，已经认识到，使用特定网络或通信拓扑限定的车辆成队控制算法可能不是对于每一通信情况来说都是最佳的，并且可提供一种灵活的车队控制的方法，所述方法可适用于实际通信情况。

本申请的实施例可使用与通信拓扑相关联的控制算法而控制车辆的车队行为，所述通信拓扑对应于在车辆处所接收的信息集合。例如，车辆可从车队领车接收包括雷达信息和V2V消息的第一信息集合，并且可选择对应于与第一信息集合相关联的领车-跟随车辆拓扑的控制算法。领车-跟随车辆拓扑可与第一信息集合相关联，因为第一信息集合包括领车-跟随车辆拓扑所需的信息类型，例如，来自车队领车的雷达信息和V2V消思。

车辆接着可接收仅包括雷达信息的第二信息集合。例如，来自车队领车的V2V消息可能已经由于不理想通信情况而丢失。车队控制系统可选择对应于与第二信息集合相关联的前方车辆-跟随车辆拓扑的控制算法。前方车辆-跟随车辆拓扑可与第二信息集合相关联，因为第二信息集合包括前方车辆-跟随车辆拓扑所需的信息类型，例如，仅雷达信息。

在实施例中，可取决于在车辆处所接收的信息集合而选择用于控制车辆的成队行为的控制算法，并且此类确定可定期进行，或可响应于接收到信息集合而进行。

图2是描绘可通过车队控制系统进行的方法步骤的流程图。车队控制系统可形成在车队中行驶的车辆的部分，并且可被配置成控制车队中的车辆。

在步骤201处，车队控制系统可接收车队信息。在一些例子中，可接收车队信息作为来自车辆的雷达系统的雷达信息、来自车队中的一个或多个其它车辆的车辆间消息和/或来自车辆的传感器数据中的一个或多个。在一些例子中，可在信息采集器处接收并采集信息。信息采集器可充当车队控制系统的车队控制器和车辆的接收系统(例如，V2V接收器和/或雷达接收器)之间的接口。

车队控制系统可根据多个车队控制拓扑(例如，相对于图1描述的那些拓扑)而操作。为了这样操作，车队控制系统可包括多个控制算法，其中每一算法与车队控制拓扑相关联。

在步骤202处，车队控制系统可基于所接收的消息而识别将使用的控制算法。控制系统可使用所接收的消息来识别车队通信拓扑，并且可选择与车队通信拓扑相关联的控制算法。在实施例中，可选择与最紧密匹配所接收的消息类型和数目的车队通信拓扑相关联的控制算法。

参考图1，可看出，车队通信拓扑可与所接收的消息类型相关联。例如，在图1a的前方车辆-跟随车辆拓扑中，仅接收到来自车队中的前车的雷达信息。在领车-跟随车辆拓扑中，接收到来自前车的雷达以及来自车队领车的V2V消息。尽管可将多个消息发送到车队中的车辆，但是应了解，不是所有发送到所述车辆的消息都将会到达所述车辆。

如果车辆的车队控制系统利用与领车-跟随车辆拓扑相关联的控制算法进行操作，但是来自车队领车的V2V消息丢失，那么领车-跟随车辆控制算法的操作将是次佳的。在实施例中，车队控制系统可识别所接收的消息，并选择对应于与所接收的消息相关联的通信拓扑的控制算法。

在步骤203处，车队控制系统可取决于所接收的消息和选定控制算法而控制车辆的车队行为。所述控制可例如包括控制车辆的速度和加速度。

图3示出可在车队中的每一车辆处接收的消息或信息集合的例子。

图3示出在车队中的四个车辆101、102、103和104处接收到三个消息集合301、302和303。第一车辆101可为领车，第二车辆102、第三车辆103和第四车辆104连续跟在它后面。

对于每一信息集合301、302和303，车队领车101可向车队中的其它车辆102、103和104发送第一V2V消息310、320、330。第二车辆102可向车队中的随后车辆103和104发送第二消息313、323、333。第三车辆103可向车队中的随后车辆104发送第三消息315、325、335。

对于第一消息集合301，第四车辆104可接收第一消息310、第二消息313和第三消息315。在此情况下，第四车辆的车队控制系统可选择对应于其中使用来自前车中的一个或多个的消息的通信拓扑的控制算法。

对于第二消息集合302，第四车辆104可无次序地接收第一消息320、第二消息323，并且可能不会接收到丢失的第三消息315。在此情况下，第四车辆的车队控制系统可选择对应于其中使用来自车队领车而不是其它前车的消息的通信拓扑的控制算法。

对于第三消息集合303，第四车辆104可能不会接收到丢失的第一消息330、第二消息333或第三消息330。在此情况下，第四车辆的车队控制系统可选择对应于其中尚未接收到任何消息的通信拓扑的控制算法。在此情况下，车队控制器系统可使用包括前方车辆的预测信息的特殊算法。此预测信息可由所存储的消息和信息产生，例如，假设前车以与如先前消息中所指示的加速度相同的加速度保持移动。在此情况下，车队控制系统可请求与前车相关的来自与所述前车具有良好通信的相邻车辆的信息。

图4描绘可用于实施车队控制系统的示例设备。图4包括消息收发器401，例如，V2V消息收发器。在一些实施例中，消息收发器可包括天线和接收处理路径。在一些情况下，消息收发器可与V2V消息的发射器共享电路。消息收发器401可被耦合成连同传感器403一起向信息采集器402提供所接收的消息和/或信息。传感器可包括例如雷达传感器等的传感器，并且可额外包括接收路径以处理从传感器接收的信息，并将这一信息提供到信息采集器402。信息采集器可被配置成采集从传感器403和/或消息收发器401接收的信息，并将这一信息提供到车队控制器404。在一些实施例中，车队控制器404可被耦合成向消息收发器401和传感器403提供控制信息。

信息采集器402可耦合到存储器405。存储器可被配置成存储所接收的信息，包括(例如)V2V消息和传感器数据。存储器405可被另外配置成存储多个控制算法，每一控制算法对应于相应的通信拓扑。算法开关406可耦合在车队控制器404和存储器405之间。算法开关可被配置成存储针对车队控制器选定的控制算法。在一些实施例中，算法开关可以是具有比存储器405快的访问速度的存储器。

车队控制器404可耦合到低层级车辆控制器407。低层级控制器可被配置成响应于来自车队控制器404的控制信息而控制车辆的操作。

在操作中，车队控制器404可在针对相应的所接收的信息和/或消息优化的控制算法之间进行切换。控制算法可各自对应于通信拓扑，例如，控制算法可各自进行优化以对与相应的通信拓扑相关联的所接收的信息或消息进行操作。控制算法可供车队控制器使用以确定车辆的控制参数，从而将其保持在车队中。例如，选定控制算法可用于计算加速度和可用于循环地控制低层级车辆控制器的其它控制参数。低层级车辆控制器可控制车辆的移动性。所接收的消息和/或信息(例如，位置、速度、加速度和/或时戳)可存储于存储器中。

车辆的车队控制系统可从周围车辆或从车辆内的传感器系统接收消息集合。基于这个消息集合，控制系统可确定最适当的控制方法或算法。在一些例子中，控制算法可通过控制矩阵体现，所述控制矩阵提供机制以基于在第一消息集合中所接收的信息而控制车辆。每一控制算法可与某一通信拓扑相关联。因此，如果接收到类似于第一通信拓扑的消息集合，那么车队控制系统可选择对应于所述第一通信拓扑的控制算法。以此方式，如果消息丢弃或丢失，那么车队控制系统可基于所接收的消息而选择将提供最精确的控制的控制算法。

控制算法的选择可响应于所接收的每一消息集合而进行，因为每一集合可能会丢失不同的消息。将所接收的消息类型匹配到通信拓扑和对应的控制算法可允许精确地使用可在车辆处获得的信息(经由消息)。第一消息集合中的消息可额外进行过滤，以使得具有足够质量的消息用于选择控制算法。选定算法和所接收的消息集合可用于控制车辆，例如，计算加速度。在其中未接收到任何消息(例如，所有消息都丢失)的情况中，车队控制系统可基于先前接收的存储于存储器中的消息集合而预测车队中的一个或多个其它车辆的行为。可定期接收消息集合。如果在若干循环内未接收到任何消息，那么车队控制系统可以一种具有安全意识的方式控制车辆，例如，增加所允许的跟随距离。

在上文中，已经描述车队控制器可取决于所接收的信息和选定控制算法而控制车辆的操作。在另一例子中，所述控制可额外取决于控制边界信息。控制边界信息可存储于存储器405中。控制边界信息可表示车辆的操作边界，例如，最大加速度、车辆的质量和/或大小。在一些例子中，可从车队中的其它车辆接收或可从中央控制或信息源接收车队控制边界信息。在一些情况下，车辆可能会知道其自身的控制边界信息。控制边界信息可包括(例如)针对不同道路情况(例如，不同的倾斜角或天气情况)的一个或多个车队成员的最大加速度和负加速度。控制边界可用于调整控制度量以提高安全性。

在前文中，已经论述控制算法，其中每一控制算法针对相应的通信拓扑进行优化。在一些例子中，每一预定义算法可进行优化以面向通信拓扑。在一些实施例中，每一控制算法可通过使用对应的控制矩阵来实施。控制矩阵可利用一般二次李雅普诺夫方程满足已知的串稳定性情况，以达到车队控制的串稳定性。另外，控制矩阵可为闭合回路系统矩阵。闭合回路系统矩阵可使用边界条件信息(如用于闭合回路系统的边界条件)进行操作。

Claims (10)

1.一种用于控制在车队中行驶的车辆的方法，其特征在于，包括：

在车队中的第一车辆处接收第一信息集合，所述第一信息集合与所述车队中的至少一个其它车辆相关；

取决于所述第一信息集合而选择多个控制算法中的一个控制算法，其中所述多个控制算法中的每一个对应于相应的车队通信拓扑；以及

响应于所述第一信息集合和所述控制算法中的所述选定控制算法而控制所述第一车辆。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一信息集合包括雷达信息和一个或多个车辆间消息中的至少一个。

3.根据在前的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，进一步包括：

在存储器中存储所述第一信息集合。

4.根据在前的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，进一步包括：

在所述第一车辆处接收第二信息集合；

取决于所述第二信息集合而选择所述多个控制算法中的另一控制算法；以及

响应于所述第二信息集合和所述控制算法中的所述选定另一控制算法而控制所述第一车辆。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括：

确定未接收到任何车辆间消息作为所述第二信息集合的部分；以及

从所述多个控制算法中选择预测控制算法，所述预测控制算法被配置成基于所述所存储的第一信息集合而预测所述第二信息集合的其它信息。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述所预测的其它信息对应于在车辆间消息中携载的信息。

7.根据在前的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述存储器被进一步配置成存储控制边界信息。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述控制所述第一车辆的步骤进一步包括进一步响应于所述控制边界信息而控制所述第一车辆。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括：

确定未接收到任何车辆间消息作为所述第二信息集合的部分；以及

请求来自所述车队中的至少一个其它车辆的信息。

10.一种用于控制车队中的第一车辆的行为的设备，其特征在于，所述设备包括：

至少一个接收器，所述至少一个接收器被配置成接收与所述车队中的至少一个其它车辆相关的第一信息集合；以及

控制器，所述控制器被配置成：

取决于所述第一信息集合而选择多个控制算法中的一个控制算法，其中所述多个控制算法中的每一个对应于相应的车队通信拓扑；以及

响应于所述第一信息集合和选定控制算法而提供被配置成控制所述第一车辆的控制信号。