CN109410561B - 一种高速路车辆匀异质编队行驶控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高速路车辆匀异质编队行驶控制方法，是在基于意愿决策→匀异质判断→队列编号→车辆协调换道→稳定行驶的控制逻辑上实现编队行驶。以头车为决策车向其他车辆发送编队请求，并接收它车的编队意愿编队；头车通过对编队车辆的量化计算，判断队列为匀质还是异质队列，并分别施以不同的编号机制；根据匀异质队列、车辆的状态及动力学信息，判断自车以及前车是否需要换道，当达到安全距离后进行换道。本发明综合考虑了高速路编队过程中车队的匀异质特性分别制定编号，保证了车辆编队后的车队稳定性运行，并且采取各车辆组成“未来队列”的虚拟方式将相邻两辆车分成一组规划轨迹，大大简化了编队的复杂程度并提高了编队的效率。

Description

一种高速路车辆匀异质编队行驶控制方法

技术领域

本发明涉及智能交通领域，特别是涉及一种新型的高速路车辆编队行驶策略。

背景技术

随着我国经济的快速发展，车辆保有量的不断增加，也随之带来了一系列社会问题。比如车辆数量的剧增造成了环境的污染、化石燃料的过度利用以及频发的交通事故。对于以上的社会问题发展新能源汽车并提高高速路通行效率是节约能源的有效途径。

车辆编队行驶能够有效的缩短跟车间距，减小因空气阻力带来的燃油消耗，并能够提升道路交通通行效率。随着智能驾驶技术的飞速发展，越来越多的科研机构以及汽车厂商都在大力发展智能驾驶技术，在高速公路场景中，若将车辆编队技术进行实际的应用，那么将会带来巨大的能源利用收益减少能源损耗，同时保证大型商用车的行驶安全性。

车辆在高速路行驶过程中，时常会有多辆车同时行驶在同一车道或者行驶在相邻车道的情况，因此若将这一情况采用编队控制策略使多车通过一定的规则成为一个队列行驶，能够有效的减小行驶过程中的能耗，同时保证高速路行驶的安全性并提升道路的利用率。但现有技术中针对车辆编队的方法均以跟踪编队车辆前方相邻车辆为主，这一方法仅考虑了车辆在动力学特性相同的情况，但这种方法不适用于在动力学特性相差较大情况下的编队，若仍采用此类方法则会导致车辆在编队结束形成队列行驶的过程中稳定性很差，并由此带来队列行驶的安全性问题。

发明内容

针对现状，本发明目的在于提供一种高速路车辆匀异质编队行驶控制方法，根据匀质队列与异质队列的特点分别完成相应的编队动作来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。

为实现上述目的，本发明提出一种高速路车辆匀异质编队行驶控制方法，该方法是在基于意愿决策→队列匀异质判断→队列编号→车辆协调换道→稳定行驶的控制逻辑基础上，最终实现编队行驶的方法。

所述意愿决策是指，行驶在某段高速路上最前的头车，向后方车辆发送编队请求，并接收后方车辆的编队意愿，决定编队；

所述队列匀异质判断是指，所述头车通过对编队车辆的质量、长度、驱动形式的量化计算，判断编队队列为匀质队列还是异质队列；

所述队列编号是指，根据匀质队列或异质队列的不同，分别施以不同的编号机制；

所述车辆协调换道是指，根据匀质队列或异质队列的不同，每辆车根据自车以及相邻前车的状态及动力学信息，判断自车以及前车是否在目标车道、是否需要换道，并不断计算和调整自车与前车之间的距离，当自车与前车之间的距离达到安全距离后，进行换道直至换至目标车道为止；

所述稳定行驶是指，车辆编队完成后，队列按照稳定的跟车间距及车速行驶。

进一步地，判断编队队列为匀质队列还是异质队列的方法是：

步骤410：基于车辆状态及动力学参数，计算以头车的质量为均值的队列车辆质量的标准差值，计算方法如下：

其中，m_i为队列中除头车外其他车辆的质量，m_L为头车辆的质量，n为队列内车辆的数量；

步骤420：基于车辆状态及动力学参数，计算以头车长度为均值的队列车辆长度的标准差值，计算方法如下：

其中，l_i为队列中除头车外其他车辆的长度，l_L为头车长度，n为队列内车辆的数量；

步骤430：头车接收各编队车辆的状态及动力学参数，确定每辆车的驱动形式；

步骤440：根据步骤410、步骤420、步骤430中的结果，当同时满足：队列车辆质量的标准差σ₁小于100kg、队列车辆长度的标准差σ₂小于1m、每辆车的驱动形式保持一致三个条件时，判定为匀质队列，否则为异质队列。

进一步地，对匀质队列进行编号的方法是：

头车通过接收到的编队车辆的位置信息，根据其纵向位置，按行驶方向的前后顺序确定队列的编队序号，即队列的头车编号为1，其后最近一辆车编号为2，以此类推；

对异质队列进行编号的方法是：

步骤521：头车根据各编队车辆的质量对车辆进行排序，设序号为M_i，其中M₁＝1表示质量最大车辆的编号，编号为1，M₂＝2表示质量第二大车辆的编号，编号为2，其后按质量递减排序依次加1；

步骤522：头车根据各编队车辆的长度对车辆进行排序，设序号为L_i，其中L₁＝1表示长度最长车辆的编号，编号为1，L₂＝2表示长度第二长车辆的编号，编号为2；其后按照长度递减排序依次加1；

步骤523：综合考虑车重、车长的因素，整合编号如下：

H_i＝ω₁M_i+ω₂L_i

其中，ω₁为车队考虑质量的权重，ω₂为车队考虑长度的权重，M_i为质量的编号数值，L_i为长度的编号数值，H_i为综合编号的数值；

根据得到的综合编号数值H_i的大小，按照从小到大的顺序依次给车辆从1…n顺序编号，此编号为异质车队最终的车辆编号。

进一步地，根据匀质队列或异质队列的不同，车辆协调换道的方法是：

(1)匀质队列

步骤711：编队车辆之间基于V2V通信接收彼此的车辆编号以及状态信息；

步骤712：头车判断自身位置是否在目标车道上，若不在则换道至目标车道，若在目标车道上则保持原有行驶状态继续行驶；

步骤713：设编队车辆中自车和前车存在四种车道位置关系：1)自车不在目标车道，前车亦不在目标车道，2)自车在目标车道，前车不在目标车道，3)自车不在目标车道，前车在目标车道，4)自车在目标车道，前车也在目标车道；

步骤714：根据步骤713中的情况制定相应的安全距离策略：

步骤715：根据步骤714所述的安全距离策略，通过五次多项式进行平滑的换道轨迹规划，其中轨迹规划的方法如下：

x_f,i＝2v_i+25

其中，(x_f,i,y_f,i)表示轨迹规划最后一个点的位置，x_i为车辆的行驶方向的坐标位置，v_i表示当前车辆的行驶速度；y_i(X)为车辆横向坐标位置。

步骤716：完成轨迹规划后，检测自车与前车之间的距离是否达到步骤714所述的安全距离，若达到则触发轨迹跟踪步骤715规划的轨迹，以完成换道动作；

(2)异质队列

步骤721：同步骤711；

步骤722：编号为1的是头车，从编号为2的车辆开始，按编号由前至后的顺序依次进行轨迹规划，轨迹规划如步骤715中所述方法；

步骤723：每辆车按照步骤722规划的轨迹协调换道，在换道过程中，车辆检测自车和前车按照步骤714制定的安全距离行驶。

与现有技术相比，本发明显著的有益效果体现在：

1.本发明综合考虑了高速路编队过程中车队各车辆的匀异质特性，分别制定针对匀质车队和异质车队的编队编号方法，保证了车辆编队后的车队稳定性运行。

2.本发明针对在高速路工况下自由运行状态车辆可能出现的各种位置关系的复杂性，采取将各车辆组成“未来队列”的虚拟方式将每相邻两辆车分成一组，大大简化了编队的复杂程度并提高了编队的效率。

3.本发明通过编队出现的四种位置关系，分别制定相应的安全距离策略，保证车辆在编队过程中的安全性，同时能够高效的控制车间距，避免编队时间过长。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1是本发明的车辆队列编队控制构架图。

图2是本发明整体的编队控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。

本发明提出一种新型高速路车辆匀异质编队行驶控制方法，是在分别考虑匀质异质的情况下，考虑队列行驶稳定性的编队方法。分别对具有编队意愿的车辆进行匀、异质的判断，综合考虑各车辆的动力学特点后制定的相应编队排序方法，能够有效的实现车辆的编队控制并为编队后的车辆队列控制提供稳定和安全的保障。

图1是本发明所提供的基于高速路匀质异质车辆队列编队的控制框架图，如图1所示，整体来讲，将编队控制过程一共划分为五层，分别为：意愿决策层、匀异质判断层、编号决策层、协调控制层、队列稳定控制层，每一层的执行和判断由上至下依次完成，最终实现编队的控制。

其中意愿决策层主要作用是发送和接收车辆的编队意愿，并将有意愿的车辆状态信息通过V2V进行传递；匀异质判断层是为后期编号决策提供重要依据的一层，通过公式的量化计算具有编队意愿的车辆群为匀质还是异质后触发不同的编号决策机制，并通过编号决策层将计算好的编队序号分别传递给对应车辆，拿到编队序号的车辆会确定相邻前车的状态，并在协调控制层控制自身的位置及速度，以达到目标位置和车速，当达到目标状态时即相邻两辆车已经形成了队列稳定性控制的条件，则触发队列稳定控制层按车辆队列的控制方式控制车辆的行驶。

如图2所示为本发明编队控制策略流程图，图2中所示当某车道上的头车由驾驶员操控向外发送编队请求信号时，行驶在高速路上的车辆在接收到编队信号后由驾驶员决策是否加入编队，具有编队意愿的车辆将自身的车辆动力学信息以及车辆行驶状态、位置发送至头车，由头车先对希望加入编队车辆即将组成的队列采用加权计算参数的方法判定“未来队列”的匀异质特性，判定为匀质队列后采用匀质队列的编号方式对具有编队意愿的车辆进行编号，同理，若判定为异质队列则采用本发明提出的异质队列的编号方式对具有编队意愿的车辆编号。头车编号完成后向各对应编队车辆发送编号的ID信息，各辆车接收到编队信息后首先确定“未来队列”的前车以及头车，并通过V2V通信技术接收前车以及头车的车辆信息，并判断每辆车自身以及前车是否在目标车道、是否需要换道，并不断计算和调整自车与前车之间的距离，头车判断自身车辆是否在目标车道上，若不在则触发轨迹规划换道至目标车道，若在目标车道上则保持原有行驶状态沿当前道路继续行驶；当自车与前车之间的距离达到安全距离后，则触发不在目标车道的车辆的换道轨迹规划程序，进行换道直至换至目标车道为止。当所有车辆完成编队的规划任务后，系统触发车辆队列稳定性控制程序，调整队列跟车间距及车速，根据队列的通信拓扑结构跟随前车和头车行驶。

该编队控制方法具体如下：

步骤100，建立意愿决策层，高速公路编队需要确定编队信号的发出请求者(领航者，也即头车)以及接收请求者(队列跟随者，即有编队意愿的车辆)。按照行驶方向确定位置最靠前的车辆为领航车，领航车在高速路行驶过程中向其后方车辆发送编队请求信号，发送编队请求信号的范围满足车载硬件信号传递的范围。

步骤200，在信号接收范围内的车辆接收到头车发送来的请求编队信号后，由自车驾驶员判断是否有意愿加入编队控制，系统将提示加入编队后的车辆行驶状态以及可能发生的编队情况获取驾驶员的信任。

步骤300，同意加入编队的车辆将肯定信号传回至信号发出者(头车)，同时发送与肯定信号关联的自身状态信息以及动力学参数，其中状态信息包括GPS定位的经纬坐标、车辆速度，自身动力学参数包括：车辆质量、车辆长宽高数据、车辆型号参数及车辆驱动形式。

步骤400，建立匀异质判断层，头车接收有编队意愿的车辆状态及动力学参数后判断未来车辆队列的类型，该判断方法包括：

步骤410：基于步骤400接收的参数，计算以头车的质量为均值的队列质量的标准差值，计算方法如下：

其中，m_i为队列中除头车外其他车辆的质量，m_L为头车辆的质量，n为队列内车辆的数量，当标准差小于100kg时满足匀质队列的要求，否则为异质队列。

步骤420：基于步骤400接收的参数，计算以头车长度为均值的队列长度的标准差值，计算方法如下：

其中，l_i为队列中除头车外其他车辆的长度，l_L为头车长度，n为队列内车辆的数量，当标准差小于1m时满足匀质队列的要求，否则为异质队列。

步骤430：头车接收各编队车辆的型号参数，队列内每辆车的驱动形式保持一致满足匀质队列的要求，存在不同驱动形式的车辆队列即为异质队列。

步骤440：根据步骤410、步骤420及步骤430中所述条件，判断队列为匀质需同时满足以上三个条件，否则即判定为异质队列。

步骤500，由步骤400中建立的匀异质判断层，判断未来队列的类型后，向编号决策层传递匀质或异质队列的判断信号，该层分别考虑匀质、异质队列的特性根据车辆的状态及动力学特性对未来队列排序编号：

步骤510：若判断为匀质队列，排序编号的方法具体包括：

步骤511：头车通过接收到的各请求编队的车辆位置坐标信息，根据其纵向位置，由先后顺序确定队列的编队序号，即队列的头车编号为1，其后最近一辆车编号为2，以此类推直至编完队列内的所有车辆。

步骤520：若判断为异质队列，排序编号的方法具体包括：

步骤521：头车根据各编队车辆的质量对车辆进行排序，序号为M_i，其中M₁＝1表示质量最大车辆的编号，编号为1；M₂＝2表示质量第二大车辆的编号，编号为2；其后按质量排序依次加1。

步骤522：头车根据各编队车辆的长度对车辆进行排序，序号为L_i，其中L₁＝1表示长度最长车辆的编号，编号为1，L₂＝2表示长度第二长车辆的编号，编号为2；其后按照长度排序依次加1。

步骤523：为保证异质队列整体的动力一致性，考虑车重、车长较大的车辆其需要更长的加速时间，因此异质队列的编号顺序按如下方式进行：

1)计算异质队列的综合编号数值：

H_i＝ω₁M_i+ω₂L_i

其中ω₁为考虑质量的权重，ω₂为考虑长度的权重，M_i为质量的编号数值，L_i为长度的编号数值。

2)经过上述的综合编号数值计算后，将得到的H_i由小到大依次排序，并将得到的序列由{1,2，…，n}重新赋值。

步骤600，根据步骤500中编队决策层判定的队列序号，通过V2V通信技术传递至相应具有编队意愿的车辆。

步骤700，建立协调控制层后，跟随车辆根据自身坐标及编号序列完成编队的协调控制，协调控制的方法根据匀异质队列的编号方式进行不同的协调控制，形成按编队序号决策的车辆序列，该方法包括：

步骤710：匀质队列协调控制，其具体包括：

步骤711：编队车辆接收自身编队序号后，根据队列协调控制层的通信拓扑结构接收队列内的它车状态信息。

步骤712：头车判断自身车辆位置是否在目标车道上，若不在则触发轨迹规划换道至目标车道，若在目标车道上则保持原有行驶状态沿当前道路继续行驶。

步骤713：编队车辆根据自身坐标判断是否在目标车道上，通过接收到的前车状态信息判断前车是否在目标车道上；目标车道指高速路行车道的右侧车道，判定共有四种情况：1)自车不在目标车道，前车亦不在目标车道，2)自车在目标车道，前车不在目标车道，3)自车不在目标车道，前车在目标车道，4)自车在目标车道，前车也在目标车道。

步骤714：根据步骤713中的判定情况制定相应的安全距离策略，如下表所示：

编队情况	安全距离策略
		自车、前车均需换道	根据两车分别的协同换道安全距离，取最大值
自车不换，前车换道	根据自车与前车的固定跟车时距确定安全距离
		自车换道，前车不换道	根据自车与前车的距离确定安全距离
自车、前车均不换道	根据自车与前车的固定跟车距离确定安全距离

根据表中制定的不同情况下的安全距离策略，该方法包括：

1)两换道车辆协同换道安全距离策略：

MSS(M₁,M₂)＝max(d_clls1,d_clls2)

其中M₁,M₂代表车辆，L_f为车辆中心到前保险杠的距离，L_r为车辆中心到后保险杠的距离，(x,y)表示车辆中心坐标，B为车辆的宽度，b为车辆前/后保险杠上一点到保险杠中点距离的二倍，θ为车辆横摆角，t_c为换道时间，t_f为车辆换道结束时刻，公式中角标为1表示前方的车辆，2表示自车。

2)固定跟车时距安全距离策略：

MSS(M₁,M₂)＝d_safe+v_selfth₂

其中，d_safe为辆车静止时的安全距离，v_self为自车的速度，th₂为情况2)应保证的固定跟车时距。

3)换道车辆与前车安全距离策略：

符号解释同上。

4)固定跟车距离安全距离策略：

MSS(M₁,M₂)＝d_safe+L₁

其中，d_safe为车辆静止时的两车安全距离，L₁为前车的车长。

步骤715：在每辆编队车辆的不同编队情况下，需要按照步骤714所述的安全距离策略保证自车与前车之间的安全距离后，通过五次多项式进行平滑的换道轨迹规划，其中轨迹规划的方法如下：

x_f,i＝2v_i+25

其中，(x_f,i,y_f,i)表示轨迹规划最后一个点的位置，x_i为车辆的行驶方向的坐标位置，v_i表示当前车辆的行驶速度，y_f,i表示换道后的纵向坐标位置，是通过实际道路中心线的坐标位置决定的。y_i(X)表示车辆横向坐标位置。

步骤716：完成轨迹规划后，检测自车与前车之间的距离是否达到步骤714所述的安全距离，若达到则触发轨迹跟踪步骤715规划的轨迹，以完成换道动作。

步骤717：完成步骤716所述的换道动作后触发队列稳定性控制层动作。

步骤720：异质队列协调控制，其具体包括：

步骤721：异质队列由于编号顺序不同于匀质队列，因此需要更长的协调控制时间，每辆编队车辆确定自车的相邻前车，接收相邻前车的状态信息。

步骤722：从编号为2的车辆开始进行队列的协调控制，按编号由前至后的顺序依次进行轨迹规划，即当2号车完成队列的协调动作后触发3号车进行协调动作，依次类推完成整个队列的轨迹规划及跟踪动作，轨迹规划的方式如步骤715中所述方法。

步骤723：由步骤722所述，在每辆车依次协调控制过程中，车辆要检测自车和前车的状态，如步骤714中所述，并分情况确定安全距离完成换道动作。

步骤800，完成上述步骤后车辆进入队列稳定性控制层，形成完整队列跟车行驶。

Claims (4)

1.一种高速路车辆匀异质编队行驶控制方法，其特征是，在基于意愿决策→队列匀异质判断→队列编号→车辆协调换道→稳定行驶的控制逻辑基础上，最终实现编队行驶；其中，

所述意愿决策是指，行驶在某段高速路上最前的头车，向后方车辆发送编队请求，并接收后方车辆的编队意愿，决定编队；

所述队列匀异质判断是指，所述头车通过对编队车辆的质量、长度、驱动形式的量化计算，判断编队队列为匀质队列还是异质队列；

所述队列编号是指，根据匀质队列或异质队列的不同，分别施以不同的编号机制；

所述车辆协调换道是指，根据匀质队列或异质队列的不同，每辆车根据自车以及相邻前车的状态及动力学信息，判断自车以及前车是否在目标车道、是否需要换道，并不断计算和调整自车与前车之间的距离，当自车与前车之间的距离达到安全距离后，进行换道直至换至目标车道为止；

所述稳定行驶是指，车辆编队完成后，队列按照稳定的跟车间距及车速行驶。

2.根据权利要求1所述的高速路车辆匀异质编队行驶控制方法，其特征是，判断编队队列为匀质队列还是异质队列的方法是：

步骤410：基于车辆状态及动力学参数，计算以头车的质量为均值的队列车辆质量的标准差值，计算方法如下：

其中，m_i为队列中除头车外其他车辆的质量，m_L为头车辆的质量，n为队列内车辆的数量；

步骤420：基于车辆状态及动力学参数，计算以头车长度为均值的队列车辆长度的标准差值，计算方法如下：

其中，l_i为队列中除头车外其他车辆的长度，l_L为头车长度，n为队列内车辆的数量；

步骤430：头车接收各编队车辆的状态及动力学参数，确定每辆车的驱动形式；

步骤440：根据步骤410、步骤420、步骤430中的结果，当同时满足：队列车辆质量的标准差σ₁小于100kg、队列车辆长度的标准差σ₂小于1m、每辆车的驱动形式保持一致三个条件时，判定为匀质队列，否则为异质队列。

3.根据权利要求1所述的高速路车辆匀异质编队行驶控制方法，其特征是，

1)对匀质队列进行编号的方法是：

头车通过接收到的编队车辆的位置信息，根据其纵向位置，按行驶方向的前后顺序确定队列的编队序号，即队列的头车编号为1，其后最近一辆车编号为2，以此类推；

2)对异质队列进行编号的方法是：

步骤521：头车根据各编队车辆的质量对车辆进行排序，设序号为M_i，其中M₁＝1表示质量最大车辆的编号，编号为1，M₂＝2表示质量第二大车辆的编号，编号为2，其后按质量递减排序依次加1；

步骤522：头车根据各编队车辆的长度对车辆进行排序，设序号为L_i，其中L₁＝1表示长度最长车辆的编号，编号为1，L₂＝2表示长度第二长车辆的编号，编号为2；其后按照长度递减排序依次加1；

步骤523：综合考虑车重、车长的因素，整合编号如下：

H_i＝ω₁M_i+ω₂L_i

其中，ω₁为车队考虑质量的权重，ω₂为车队考虑长度的权重，M_i为质量的编号数值，L_i为长度的编号数值，H_i为综合编号的数值；

根据得到的综合编号数值H_i的大小，按照从小到大的顺序依次给车辆从1…n顺序编号，此编号为异质车队最终的车辆编号。

4.根据权利要求1或2或3所述的高速路车辆匀异质编队行驶控制方法，其特征是，根据匀质队列或异质队列的不同，车辆协调换道的方法是：

(1)匀质队列

步骤711：编队车辆之间基于V2V通信接收彼此的车辆编号以及状态信息；

步骤712：头车判断自身位置是否在目标车道上，若不在则换道至目标车道，若在目标车道上则保持原有行驶状态继续行驶；

步骤713：设编队车辆中自车和前车存在四种车道位置关系：1)自车不在目标车道，前车亦不在目标车道，2)自车在目标车道，前车不在目标车道，3)自车不在目标车道，前车在目标车道，4)自车在目标车道，前车也在目标车道；

步骤714：根据步骤713中的情况制定相应的安全距离策略：

编队情况 安全距离策略 自车、前车均需换道 根据两车分别的协同换道安全距离，取最大值 自车不换，前车换道 根据自车与前车的固定跟车时距确定安全距离 自车换道，前车不换道 根据自车与前车的距离确定安全距离 自车、前车均不换道 根据自车与前车的固定跟车距离确定安全距离

步骤715：根据步骤714所述的安全距离策略，通过五次多项式进行平滑的换道轨迹规划，其中轨迹规划的方法如下：

x_f,i＝2v_i+25

其中，(x_f,i,y_f,i)表示轨迹规划最后一个点的位置，x_i为车辆的行驶方向的坐标位置，v_i表示当前车辆的行驶速度；y_i(X)表示车辆横向坐标位置；

步骤716：完成轨迹规划后，检测自车与前车之间的距离是否达到步骤714所述的安全距离，若达到则触发轨迹跟踪步骤715规划的轨迹，以完成换道动作；

(2)异质队列

步骤721：同步骤711；

步骤722：编号为1的是头车，从编号为2的车辆开始，按编号由前至后的顺序依次进行轨迹规划，轨迹规划如步骤715中所述方法；

步骤723：每辆车按照步骤722规划的轨迹协调换道，在换道过程中，车辆检测自车和前车按照步骤714制定的安全距离行驶。

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