CN109410564A - 一种基于信息融合技术的车辆队列纵向冗余控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于信息融合技术的车辆队列纵向冗余控制系统，包括有队列纵向冗余控制器，及将采集到的周围车辆及自身运动信息发送给队列纵向冗余控制器的V2X通信模块，及利用车载传感器采集车辆周围环境信息、并发送给队列纵向冗余控制器的环境感知模块，及接收队列纵向冗余控制器所发送的车辆环境信息及行驶参数信息的运动执行模块；该基于信息融合技术的车辆队列纵向冗余控制系统通过结合V2X通讯系统与车载传感器环境感知系统进行多源信息融合，利用队列纵向冗余控制器，实现不同控制策略的切换，保证车辆队列的行驶稳定性与安全性。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种基于信息融合技术的车辆队列纵向冗余控制系统。
背景技术
车辆队列化是将单一车道内的相邻车辆进行编队，根据相邻车辆信息自动调整该车辆的纵向运动状态，最终达到一致的行驶速度和期望的几何构型。通过将车辆进行队列化控制，可以显著的缓解交通拥挤、改善交通效率、提高驾驶安全性和能源利用率。
传统的车辆队列通过车载传感器进行环境感知，探测相邻车辆的运动状态并做出响应，其中，最常见的是前车式的信息流拓扑结构——队列中的每辆车都跟随自己的前车进行运动。随着通信技术的发展，车与其它之间(V2X)通信迅速发展与普及，车辆队列的信息流拓扑结构也因此变得多样化。领航式车辆队列信息流拓扑结构基于V2X通信技术，队列中的车辆包括领航车以及跟随车，领航车进行路径规划，队列中的跟随车根据领航车的行驶路径进行跟踪。
现有的车辆队列控制方案均注重于通过单独的V2X或者车载传感器进行环境感知和控制决策，忽视了环境感知功能受限后的队列冗余控制问题。当车载传感器失效或者V2X通信受限后，车辆只能被迫进行停车或退出队列，从而降低了通行效率且容易出现安全隐患。除此之外，前车式信息流拓扑结构依赖于间距控制算法以及车载传感器探测精度，行驶过程中容易出现误差随着队列中车辆传递而逐渐变大的情况。领航式信息流拓扑结构直接依赖于车辆之间的通信(V2V)技术，而此时无线网络中时变延时、乱序、丢包以及数据包的异步均会对队列协同控制的安全稳定造成影响。
针对于上述问题，需要通过应用一种基于信息融合技术的队列纵向冗余控制系统，通过结合V2X通信技术以及车载传感器环境感知技术，将传感数据进行信息融合，利用一种队列纵向冗余控制系统，实现队列的纵向冗余控制。在正常工作状态下，对V2X与车载传感器中检测的信息进行数据融合，提高环境感知的精确性和可靠性；当车载传感器失效或V2X通信装置受限时，控制器通过剩余的信息可以实现全功能的队列保持控制，从而提高整个系统的可靠性。
中国专利【201710014585.6】公开了一种基于多智能体的无人驾驶电动汽车自动超车系统及方法，同时装配了V2X通信系统以及车载感知系统，以无人驾驶电动汽车为研究对象，对其轮胎横纵向力进行控制。然而该专利没有涉及如何通过V2X以及车载感知系统进行纵向的队列控制。
中国专利【201610099198.2】公开了一种基于鱼群效应的车队避撞系统以及避撞方法，利用鱼群效应的运动学模型计算出车辆避撞的加速度信息，并将其通过人机交互模块提供给驾驶员，实现车队的协同避撞，从而提高车队行驶的安全性。然而该专利中没有涉及来自通信模块以及信息采集模块的冗余信息处理方法，以及冗余控制方法。计算出的加速度信息仅用于提醒驾驶员而非进行主动控制。
中国专利【201510564630.6】公开了一种双向自主车队控制方法，双向自主车队中的车辆前后两端均安装有传感器，用于探测车辆之间的间距、车辆的相对速度和车辆的加速度，从而不需要无限通信便实现自主车队的运动控制。这种控制方法车辆运动不仅基于前车的运动，还考虑到后车的运动影响，因此大大提高了队列控制稳定性。然而该控制方法的可靠性依赖于传感器的可靠性，一旦传感器功能失效，会造成自主车队失控。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种通过结合V2X通讯系统与车载传感器环境感知系统进行多源信息融合，利用队列纵向冗余控制器，实现不同控制策略的切换，保证车辆队列的行驶稳定性与安全性的基于信息融合技术的车辆队列纵向冗余控制系统。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于信息融合技术的车辆队列纵向冗余控制系统，包括有队列纵向冗余控制器，及将采集到的周围车辆及自身运动信息发送给队列纵向冗余控制器的V2X通信模块，及利用车载传感器采集车辆周围环境信息、并发送给队列纵向冗余控制器的环境感知模块，及接收队列纵向冗余控制器所发送的车辆环境信息及行驶参数信息的运动执行模块。
作为优选，所述V2X通信模块包括有V2V车间通信和V2I车与基础设施之间的通信。
作为优选，所述车载传感器为摄像头、激光雷达和超声波雷达中的一种或多种。
作为优选，所述队列纵向冗余控制器包括有用于接收V2X通信模块信号的领航式控制器，及用于接收环境感知模块信号的前车式控制器，及用于接收V2X通信模块信号和环境感知模块信号的领航-前车式控制器，及将V2X通信模块和环境感知模块进行融合处理的信息融合模块。
作为优选，所述领航-前车式控制器与信息融合模块连接，所述信息融合模块、领航式控制器和前车式控制器分别与运动执行模块无线连接。
信息融合模块通过并行结构融合系统实现，V2X通讯模块与环境感知传感器模块对车辆环境信息及行驶参数进行独立判决，并将判决结果传送至信息融合模块。信息融合模块的融合规则为，使系统的贝叶斯风险达到最小，就是所谓的最小风险贝叶斯决策，具体的步骤如下：
1)利用贝叶斯公式计算后验概率。其中，设定后验概率的计算要以先验概率为基础，这里先验概率是依据V2X通信以及环境感知模块单独运行时的失效率进行计算的。风险分析是基于经过贝叶斯公式修正后的后验概率进行的。
2)利用决策表，计算条件风险。其中，决策表的设定是基于当前所获得的车辆行驶状态信息下，计算所得的加速度信息对车辆队列安全性产生影响的风险。这里的安全性风险主要是指当前车辆与前后相邻车辆发生碰撞的风险。
决策：选择风险最小的决策。即选择对车辆队列安全性产生风险最小的决策结果。
本发明的有益效果为：该方案的目的在于充分考虑队列行驶过程中环境感知与V2X数据通信的不确定性，使车辆队列能够在正常工作状态下，对V2X通讯与环境感知传感器中检测的信息进行数据融合，提高环境感知的精确性和可靠性；在车载环境感知传感器失效或V2X通信装置受限时，使车辆队列能够实现领航式、前车式以及领航前车式控制策略的转换，从而实现车辆队列纵向的冗余控制。
附图说明
图1为队列纵向冗余控制器的流程图；
图2为队列纵向冗余控制器的控制逻辑图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详述，以使本发明技术方案更易于理解和掌握。
如图1所示，一种基于信息融合技术的队列冗余控制系统，包括V2X通信模块，环境感知模块，队列纵向冗余控制器，以及运动执行模块，其中V2X通信模块由V2V车间通信，V2I车与基础设施之间的通信等组成，可以用于发送与接收目标车辆以及队列中其他车辆的行驶状态信息，如位移、速度以及加速度等，V2X通信模块将采集到的周围车辆及自身运动信息发送给队列纵向冗余控制器；环境感知模块利用摄像头、激光雷达、超声波雷达等车载传感器对车辆周围环境进行感知和识别，能够对该车前后相邻车辆相对位置以及速度等进行检测，环境感知模块采集的信息将被发送给队列纵向冗余控制器；队列纵向冗余控制器对当前各模块的工作状态进行判断，并进行控制策略的选择；当队列纵向冗余控制器选择领航-前车式控制策略时，则信息融合模块将接收到的V2X通信以及环境感知信息通过多源信息融合技术进行信息的融合处理，并将最终的车辆环境信息及行驶参数信息发给运动执行模块；运动执行模块根据所得信息计算车辆自身运动所需加速度信息，并进行制动或者加速，实现队列纵向控制过程中的车辆间距保持。
具体的，信息融合模块通过并行结构融合系统实现，V2X通讯模块与环境感知传感器模块对车辆环境信息及行驶参数进行独立判决，并将判决结果传送至信息融合模块。信息融合模块的融合规则为，使系统的贝叶斯风险达到最小，就是所谓的最小风险贝叶斯决策，具体的步骤如下：
1)利用贝叶斯公式计算后验概率。其中，设定后验概率的计算要以先验概率为基础，这里先验概率是依据V2X通信以及环境感知模块单独运行时的失效率进行计算的。风险分析是基于经过贝叶斯公式修正后的后验概率进行的。
2)利用决策表，计算条件风险。其中，决策表的设定是基于当前所获得的车辆行驶状态信息下，计算所得的加速度信息对车辆队列安全性产生影响的风险。这里的安全性风险主要是指当前车辆与前后相邻车辆发生碰撞的风险。
3)决策：选择风险最小的决策。即选择对车辆队列安全性产生风险最小的决策结果。
信息融合模块也可以采用其它信息融合方法，比如神经网络、卡尔曼滤波以及模糊逻辑等，均可以实现期望数据的信息融合。凡是基于V2X通信信息以及车载环境感知传感器信息进行信息融合处理的方法，均在本发明的保护范围之内。
如上所述队列冗余控制器，包括领航式控制、前车式控制器以及领航前车式控制器，根据V2X通信模块以及车载环境感知模块的工作状态进行控制器的选择，具体选择逻辑如图2所示。当V2X通信模块以及环境感知模块工作正常时，激活领航-前车式控制器；当V2X通信模块工作受限时，激活前车式控制器；当环境感知模块失效时，激活领航式控制器。
本发明的有益效果为：该方案的目的在于充分考虑队列行驶过程中环境感知与V2X数据通信的不确定性，使车辆队列能够在正常工作状态下，对V2X通讯与环境感知传感器中检测的信息进行数据融合，提高环境感知的精确性和可靠性；在车载环境感知传感器失效或V2X通信装置受限时，使车辆队列能够实现领航式、前车式以及领航前车式控制策略的转换，从而实现车辆队列纵向的冗余控制。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于信息融合技术的车辆队列纵向冗余控制系统，其特征在于：包括有队列纵向冗余控制器，及将采集到的周围车辆及自身运动信息发送给队列纵向冗余控制器的V2X通信模块，及利用车载传感器采集车辆周围环境信息、并发送给队列纵向冗余控制器的环境感知模块，及接收队列纵向冗余控制器所发送的车辆环境信息及行驶参数信息的运动执行模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于信息融合技术的车辆队列纵向冗余控制系统，其特征在于：所述V2X通信模块包括有V2V车间通信和V2I车与基础设施之间的通信。
3.根据权利要求2所述的一种基于信息融合技术的车辆队列纵向冗余控制系统，其特征在于：所述车载传感器为摄像头、激光雷达和超声波雷达中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的一种基于信息融合技术的车辆队列纵向冗余控制系统，其特征在于：所述队列纵向冗余控制器包括有用于接收V2X通信模块信号的领航式控制器，及用于接收环境感知模块信号的前车式控制器，及用于接收V2X通信模块信号和环境感知模块信号的领航-前车式控制器，及将V2X通信模块和环境感知模块进行融合处理的信息融合模块。
5.根据权利要求4所述的一种基于信息融合技术的车辆队列纵向冗余控制系统，其特征在于：所述领航-前车式控制器与信息融合模块连接，所述信息融合模块、领航式控制器和前车式控制器分别与运动执行模块无线连接。
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