CN110775060A - 一种单车道双列式小型汽车编队智能控制系统及编队方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单车道双列式小型汽车编队智能控制系统及编队方法，属于汽车编队领域。本发明通过将大小仅为普通小汽车四分之一的小型汽车在城市单车道上双列式编队，编队由多辆小型汽车组成，每辆车都装有智能控制终端。其中，第一辆车为有人驾驶，其余车辆通过接收第一辆车的信息以及传感器信息自动调整编队内车辆之间纵、横向距离，实现车辆编队行驶，缩小车距，提高道路通行能力，缓解交通拥堵。

Description

一种单车道双列式小型汽车编队智能控制系统及编队方法

技术领域

本发明涉及一种单车道双列式小型汽车编队智能控制系统及编队方法，属于小型汽车编队技术领域。

技术背景

随着人们生活水平的提高以及汽车的快速普及，越来越多的人选择小汽车作为主要出行方式。有限的道路空间随着车辆的增多逐渐拥堵，汽车编队作为一种有效解决办法应用而生。汽车编队可以缩小车距，提高道路通行能力，缓解交通拥堵。目前的车辆编队方式主要有两种：一种是有人驾驶车队，比如物流运输、消防车抢救火灾，通过驾驶员驾驶车辆实现车辆编队；一种是无人驾驶技术，通过车路协同、车车通信实现车辆编队。两种方式都存在问题，前者车距过大，且不固定，需要驾驶员时刻注意前方车辆动态，后者要求车辆自身能够应对各种交通情况，并且需要路侧设备提供各种道路信息作为支持。

发明内容

针对车辆编队的现状，本发明提出了一种单车道双列式小型汽车编队智能控制系统及编队方法，以提高车辆编队效率和道路通行能力，缓解交通拥堵。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种单车道双列式小型汽车编队智能控制系统，包括智能控制终端、显示屏、GPS定位装置、电子罗盘、无线通信设备、测距雷达和用户输入设备，其中智能控制终端分别与显示屏、GPS定位装置、电子罗盘、无线通信设备、测距雷达和用户输入设备连接。

所述无线通信设备采用DSRC技术。

所述用户输入设备是键盘。

所述用户输入设备是触摸屏。

所述用户输入设备是语音输入装置。

一种单车道双列式小型汽车编队智能控制系统的编队方法，包括如下步骤：

(1)在没有进行车辆编队的情况下，每一辆车处于自由行驶的状态，由驾驶人控制，这些车辆默认为领航车辆，智能控制终端一直处于开启的状态，智能控制终端通过GPS定位装置、电子罗盘获取自身车辆位置与航向，通过测距雷达测量与前方车辆的距离，当与周围车辆距离小于设定距离时发出声音通知驾驶员调整车辆状态，通过无线通信装置与周围车辆进行通信，交换信息，上述这些信息都在显示屏上显示；

(2)有跟随需求的车辆发送编队请求，上述领航车辆接收后车编队请求，两车通过无线通信装置进行通信，有跟随需求的车辆通过自身的GPS定位装置、电子罗盘获取自身车辆位置及航向数据后送到智能控制终端，智能控制终端将用户输入的出行信息出行路线、目的地、处理过后的自身车辆位置、行驶速度、行驶方向及请求编队信息通过无线通信装置发送给领航车辆；

(3)领航车辆过无线通信装置接收有跟随需求的车辆发送的数据，送到自身的智能控制终端，智能控制终端对数据进行分析处理后与自身的出行信息、车辆状态进行比对，同时根据自身位置与有跟随需求车辆的位置计算两车之间的距离，如果当前两车出行路线部分相同或者目的地相同，领航车辆在有跟随需求车辆的前方，并且车辆的行驶速度差值在设定的范围内，行驶方向相同，两车之间的距离在设定的范围内，则领航车辆同意有跟随需求车辆的请求；

(4)在领航车辆同意有跟随需求车辆的编队请求之后，领航车辆由驾驶员调整靠当前车道左侧行驶，同时智能控制终端通过无线通信装置发送当前领航车辆位置、行驶速度，有跟随需求的车辆智能控制终端接收到领航车辆发送的数据后，自动控制车辆加速、变道，并不断计算两车之间距离，相对位置，最后靠领航车辆右侧行驶，与领航车辆平行，此时有跟随需求车辆的左侧的测距雷达测量与领航车辆之间的距离，并不断调整两车之间侧向距离，使两车保持设定的距离。

(5)车辆编队中领航车辆作为编队的第一辆车，跟随的车辆从第二辆车开始算起，第二辆车靠第一辆车右侧行驶，且在同一车道内，第三辆车在第一辆车正后方行驶，第四辆车在第二辆车正后方行驶，后续跟随车辆按此方式依次进入编队。

本发明的有益效果如下：

本发明提出的一种单车道双列式小型汽车编队智能控制系统及编队方法，采用大小仅为正常小汽车四分之一的小型汽车，在现有的城市道路上单车道可以并行两辆车，可以提高道路的空间利用率，同时装有编队智能控制系统的小型汽车可以在行进过程中实现自主编队，缩小车距，进一步提高道路空间的利用率和道路通行能力。领航车辆为有人驾驶，编队内其余车辆由各辆车编队智能控制终端控制，接收领航车辆发送的指令，自身能够调整车辆状态，根据各车辆出行路线进行编队。相比于无人驾驶，技术难度降低，更易于实现，同时，无需路侧设备，节约了道路交通建设的成本。

附图说明

图1是本发明实施例的智能控制终端结构示意图。

图2是本发明实施例的智能控制终端通信结构图。

图3是本发明实施例的车辆加入编队流程图。

图4是本发明实施例的车辆编队控制流程图。

图5是本发明实施例的跟随车辆脱离编队流程图。

图6是本发明实施例的领航车辆脱离编队流程图。

图7是本发明实施例的车辆编队示意图。

图8是本发明实施例的车辆入队轨迹图。

图9是本发明实施例的车辆离队轨迹图。

图10是本发明实施例的车辆位置交换示意图。

具体实施方法

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明中所述小型汽车仅为普通小汽车的四分之一大小，能够乘坐一人，具备小汽车的所有功能。所述小汽车均装有智能控制终端、显示屏、GPS定位装置、电子罗盘、无线通信设备、测距雷达和用户输入设备。另外，所述小汽车能够同时并列行驶于单车道上。

小型汽车单独行驶时，行驶在车道中心线上，由驾驶员驾驶。小汽车上的智能控制终端向周围小型汽车发布出行信息和当前车辆状态。其中，出行信息包括目的地、出行路线，当前车辆状态信息包括行驶速度、行驶方向、行驶车道以及本车位置。同时，小型汽车智能控制终端接收周围其他小型汽车发送的出行信息、当前车辆状态以及请求匹配信息。每个车辆编队由设定数量的小型汽车组成，其中，第一辆车为有人驾驶车辆，即领航车辆，其余车辆由第一辆车智能控制终端进行控制。第一辆车接收到的第二辆车发送的出行信息、当前车辆状态以及请求匹配信息后，将接收的出行信息存入数据库，车辆状态信息与自身设定的车辆状态信息进行比对，具体比对内容包括行驶方向、行驶车道和车辆位置。如果行驶方向相同，行驶车道相同或者相邻，车辆位置相近，则匹配成功，否则匹配失败。第二辆车与第一辆车匹配成功后，第一辆车发送匹配成功消息给第二辆车，第一辆车由在车道中心线行驶改为靠当前车道左侧行驶，同时控制第二辆车加入车辆编队，在第一辆车所在车道靠右侧车道线与第一辆车并排行驶，第一辆车与第二辆车编队完成。如果第二辆车与第一辆车匹配失败，则第一辆车发送匹配失败消息给第二辆车，不允许第二辆车加入编队。在第二辆车与第一辆车编队后，如果第三辆车请求加入编队，第一辆车确认匹配成功后第一辆车智能控制终端控制第三辆车行驶至第一辆车后方并与第一辆车保持设定的距离。第四辆车请求加入编队，第一辆车确认匹配成功后第一辆车智能控制终端控制第四辆车行驶至第二辆后方并与第二辆车保持设定的距离。其余车辆按照上述方法依次编队。当编队中车辆达到设定的数量后第一辆车智能控制终端不再允许其他小型汽车进入编队。

在车辆编队行驶过程中，第一辆车将自身的行驶速度、转向、刹车状态信息发送至编队内所有车辆，编队内除第一辆车之外所有车辆根据接收的第一辆车的信息和自身传感器的信息，通过智能控制终端调整车速，纵向距离和横向距离，保证编队内所有车辆稳定行驶。每辆车都装有智能控制终端、测距雷达和GPS装置。智能控制终端位于车辆中控台下，测距雷达位于车身四周，分布于车辆前后左右，且车辆的每个面至少2个，用于检测距离及减小距离检测产生的误差，同时用于确认编队内车辆相对位置。GPS用于车辆定位。编队内每辆车都有唯一的编号，通过车辆编号、GPS以及各车之间前后左右距离的检测，确定每辆车在车队中的相对位置。第一辆车智能控制终端保存了编队内其余车辆的目的地和出行路线，并与第一辆车的目的地和出行路线进行比对，在车辆编队行驶过程中如果发现编队中有车辆与第一辆车的出行路线不再相同，将发送信息通知该车辆，同时控制该车辆周围编队内车辆让出空间，使其能够安全退出编队。若编队中车辆临时更改路线，需要脱离车辆编队，首先需要脱离编队的车辆发送离队请求，然后第一辆车根据该车在编队内相对位置，控制编队内车辆让出空间，使其能够脱离车队。在车辆退出车辆编队后，已退出车辆的后方车辆向前补齐空位。车辆编队中不允许一列车的数量比另一列车的数量多出超过一辆。

如果第一辆车路线与编队内其他车辆不再相同，则第一辆车通知所有编队内车辆，车辆编队将由第三辆车接管，同时第一辆车将各车辆的出行信息发送给第三辆车，交出车辆编队控制权。第一辆车与第三辆车交接完成后，第一辆车加速驶离车辆编队，第三辆车加速行驶，替代原第一辆车所处位置，作为车辆编队的第一辆车，第三辆车后方车辆跟随第三辆车，补足车辆编队内空缺。

前后车距控制采用固定车间距策略，即行驶过程中车队内车辆与其前方车辆之间车距不随车速的变化而变化，该策略能最大化的提高车辆编队的道路利用空间。同时第一辆车通过无线通信实时将车辆行驶状态发送给编队内车辆，以确保车队的稳定性。

车辆编队内车速控制采用模糊PID(比例、积分、微分)控制：

E＝V_target(t)-V(t)

其中，V_target为编队内车辆目标速度，V_lead为第一辆车即领航车辆速度，V_i-1为前车速度，V_i为本车实际速度，S_i为本车与前车之间的车辆间距，S_target为设定的目标车距，α_i、

为整定参数，V_target(t)为被控车辆的当量目标车速，V(t)为被控车辆当前车速。

为了维持编队内车辆行驶的稳定性，入队车辆采用从车队末端加入车辆编队的策略：

1、入队车辆在接收第一辆车发送同意加入编队以及当前车辆状态的信息后，调整本车与目标车道车队末端车辆的纵向间距，

使其等于编队内设定的换道间距S；

2、入队车辆在当前所在车道调整行车速度与车辆编队行车速度一致；

3、入队车辆纵向保持匀速行驶，按照规划的算法从当前车道换至目标车道。

车辆汇入编队换道轨迹算法：

x₁(t₁)＝u₁t₁

通过以上两式，并结合换道开始和结束时刻车辆状态向量，确定车辆的换道轨迹。其中，x₁(t₁)为入队车辆纵向位移，y₁(t₁)为入队车辆横向位移，t₁为入队车辆换道时长，u₁为入队车辆换道横向速度，b₅、b₄、b₃、b₂、b₁、b₀为车辆汇入编队换道轨迹纵向位置的多项式系数。

车辆离开编队换道轨迹算法：

其中：x₂(t₂)为离队车辆纵向位移，y₂(t₂)为离队车辆横向位移，t₂为离队车辆换道时长，a₆、a₅、a₄、a₃、a₂、a₁、a₀为车辆离开编队换道轨迹横向位置的多项式系数，c₅、c₄、c₃、c₂、c₁、c₀为车辆离开编队换道轨迹纵向位置的多项式系数，a_c为设定的车辆最大偏航角，X_f为离队车辆前车的纵向位移，d_p为离队车辆离队开始时刻与其前方车辆的纵向间距，t_c为两车发生碰撞的临界状态，L为车身长度，W为车身宽度，d_c为两车发生碰撞临界状态时离队车辆中心点到前车尾部的距离。车队内车辆离队时行驶速度是加速的，所以采用多项式模型，同时考虑到离队车辆的自身运动状态以及考虑到本车离队换道时与前方车辆可能发生的碰撞，所以离队车辆的纵向运动方程增加了最高次项将安全因素关联其中。式(3)为简化的离队车辆离队时与编队内其他正常行驶的车辆的碰撞临界方程。通过式(1)、式(2)、式(3)确定车辆离队的轨迹，离队车辆根据算出的轨迹离开车辆编队。

如图1所示智能控制终端可以使用各种微处理器，其输入包括测距雷达、无线通信设备、电子罗盘、GPS装置和用户输入设备。测距雷达用于测量车辆与车辆之间前后左右车距，无线通信设备采用DSRC(专用短程通信)技术，电子罗盘和GPS装置用于车辆定位以及车辆行驶方向确定。用户输入设备可以是键盘、触摸屏或语音输入装置，用于输入目的地、导航或者娱乐。显示屏作为输出设备，用于显示车辆出行信息、当前车辆状态，接收通知或命令。智能控制终端根据接收的控制命令和车辆本身获取的数据，控制车辆的速度、转向和刹车，同时向智能控制终端返回车辆的速度以及转向和刹车的状态。

图2所示为智能控制终端通信结构图，包括出行信息、当前车辆状态和通知。出行信息指车辆编号、目的地和出行路径。当前车辆状态包括行驶速度、行驶方向、行驶车道、车辆位置、转向和刹车。通知包括编队请求、离队请求、离队通知和控制命令。

图3所示为车辆加入编队流程图，第一辆车智能控制终端确认车辆编队内车辆数，如果编队内车辆少于设定的数量，则向周围未编队车辆发送出行信息，允许其他小型车辆加入编队，否则不向周围未编队车辆发送出行信息，不允许其他小型车辆加入编队。第一辆车发布出行信息包括行驶速度、行驶方向、行驶车道和车辆位置。当第一辆车发布出行信息后，第二辆车发送编队请求、行驶速度、行驶方向、行驶车道和车辆位置。第一辆车收到请求后，通过智能终端比对第一辆车和第二辆车的行驶方向、行驶车道和车辆位置，如果行驶方向相同、行驶车道相同或相邻，车辆位置相近，确认匹配成功，允许并控制第二辆车加入编队，否则匹配失败，不允许第二辆车加入编队。

图4所示为车辆编队控制流程图，在车辆编队行进过程中，第一辆车向编队内车辆发送当前车辆状态信息，包括行驶速度、刹车和转向信息。第二辆车智能控制终端接收第一辆车发送的车辆状态信息和控制命令，同时接收车辆四周测距雷达、GPS和电子陀螺仪传送的数据。第二辆车确认当前的车辆状态，包括速度、刹车、转向和车距是否符合第一辆车发送的控制命令的要求，若符合则保持当前车辆状态，否则调整车辆速度、方向，与编队内车辆的纵、横向距离，保证车辆编队稳定行驶。

图5所示为跟随车辆脱离编队的流程图，每辆小型汽车都有唯一的编号，通过每辆车的编号、GPS数据和各车之间前后左右距离的检测，确定每辆车的相对位置。在车辆加入编队时，第一辆车保存了所有车辆的出行信息，包括目的地和出行路线。在车辆编队行进过程中，第一辆车智能控制终端会不断比对各车辆的出行路线。如果编队中有车辆与第一辆车的出行路线不再相同或者编队内车辆临时改变出行路径，向编队内第一车辆发送离队请求。之后第一辆车发送信息通知该车辆，同时控制该车辆周围编队内车辆让出空间，使其能够安全退出编队。在车辆退出车辆编队后，已退出车辆的后方车辆向前补齐空位。车辆编队中不允许一列车的数量比另一列车的数量多出超过一辆。

图6所示领航车辆脱离编队的流程图，在车辆编队行进过程中，如果第一辆车路线与编队内剩余车辆不再相同，则第一辆车通知所有编队内车辆，车辆编队将由第三辆车接管，同时第一辆车将各车辆的出行信息发送给第三辆车，交出车辆编队控制权。第一辆车与第三辆车交接完成后，第一辆车加速驶离车辆编队，第三辆车加速行驶，替代原第一辆车所处位置，作为车辆编队的第一辆车，第三辆车后方车辆跟随第三辆车，补足车辆编队内空缺。同时，第三辆车智能控制终端根据车队内每辆车的编号、GPS数据和各车之间前后左右距离的检测，重新确定每辆车在车辆编队内的相对位置。

图7所示为车辆编队示意图，编队内车辆按入队先后顺序依次按图示次序排列，车队内车辆总数最多为设定的数量。

图8所示为相邻车道车辆入队轨迹图。图中进入编队车辆采用上述入队策略进入车辆编队，跟在第二辆车之后，成为编队内第四辆车。如果同车道编队外车辆加入编队，则该车辆直接从车队尾端加入编队。

图9所示为编队内车辆离队轨迹图。图中第三辆车采用上述离队模型离开车队。如果第三辆车后方有第四辆车，则第一辆车控制第三辆车和第五辆车同时减速，空出换道空间后，第三辆车离队，第五辆车补上第四辆车的位置。

图10所示为编队内车辆位置交换示意图。图中第三辆车需要在前方十字路口右拐，首先第一辆车通知第三辆车及第四辆车后方车辆同时减速，空出足够的空间，此时，第三车辆采用入队时的换道策略进入车辆编队右侧一列，跟随在第二辆车之后。同时第五辆车补上第三辆车原先的位置，第六辆车采用入队时的换道策略进入车辆编队左侧一列，跟随在第五辆车之后，形成稳定编队。行驶到十字路口时，采用上述离队模型离开车队。

Claims (6)

1.一种单车道双列式小型汽车编队智能控制系统，其特征在于，包括智能控制终端、显示屏、GPS定位装置、电子罗盘、无线通信设备、测距雷达和用户输入设备，其中智能控制终端分别与显示屏、GPS定位装置、电子罗盘、无线通信设备、测距雷达和用户输入设备连接。

2.根据权利要求1所述的一种单车道双列式小型汽车编队智能控制系统，其特征在于，所述无线通信设备采用DSRC技术。

3.根据权利要求1所述的一种单车道双列式小型汽车编队智能控制系统，其特征在于，所述用户输入设备是键盘。

4.根据权利要求1所述的一种单车道双列式小型汽车编队智能控制系统，其特征在于，所述用户输入设备是触摸屏。

5.根据权利要求1所述的一种单车道双列式小型汽车编队智能控制系统，其特征在于，所述用户输入设备是语音输入装置。

6.根据权利要求1所述的一种单车道双列式小型汽车编队智能控制系统的编队方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）在没有进行车辆编队的情况下，每一辆车处于自由行驶的状态，由驾驶人控制，这些车辆默认为领航车辆，智能控制终端一直处于开启的状态，智能控制终端通过GPS定位装置、电子罗盘获取自身车辆位置与航向，通过测距雷达测量与前方车辆的距离，当与周围车辆距离小于设定距离时发出声音通知驾驶员调整车辆状态，通过无线通信装置与周围车辆进行通信，交换信息，上述这些信息都在显示屏上显示；

（2）有跟随需求的车辆发送编队请求，上述领航车辆接收后车编队请求，两车通过无线通信装置进行通信，有跟随需求的车辆通过自身的GPS定位装置、电子罗盘获取自身车辆位置及航向数据后送到智能控制终端，智能控制终端将用户输入的出行信息出行路线、目的地、处理过后的自身车辆位置、行驶速度、行驶方向及请求编队信息通过无线通信装置发送给领航车辆；

（3）领航车辆通过无线通信装置接收有跟随需求的车辆发送的数据，送到自身的智能控制终端，智能控制终端对数据进行分析处理后与自身的出行信息、车辆状态进行比对，同时根据自身位置与有跟随需求车辆的位置计算两车之间的距离，如果当前两车出行路线部分相同或者目的地相同，领航车辆在有跟随需求车辆的前方，并且车辆的行驶速度差值在设定的范围内，行驶方向相同，两车之间的距离在设定的范围内，则领航车辆同意有跟随需求车辆的请求；

（4）在领航车辆同意有跟随需求车辆的编队请求之后，领航车辆由驾驶员调整靠当前车道左侧行驶，同时智能控制终端通过无线通信装置发送当前领航车辆位置、行驶速度，有跟随需求的车辆智能控制终端接收到领航车辆发送的数据后，自动控制车辆加速、变道，并不断计算两车之间距离，相对位置，最后靠领航车辆右侧行驶，与领航车辆平行，此时有跟随需求车辆的左侧的测距雷达测量与领航车辆之间的距离，并不断调整两车之间侧向距离，使两车保持设定的距离；

（5）车辆编队中领航车辆作为编队的第一辆车，跟随的车辆从第二辆车开始算起，第二辆车靠第一辆车右侧行驶，且在同一车道内，第三辆车在第一辆车正后方行驶，第四辆车在第二辆车正后方行驶，后续跟随车辆按此方式依次进入编队。

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