CN110816529B - 基于可变时距间距策略的车辆协同式自适应巡航控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于可变时距间距策略的车辆协同式自适应巡航控制方法。利用雷达、车载传感器和V2V通讯确定当前车辆前面连续的且在其通讯范围的CACC车辆数，根据车辆数采用不同可变时距策略确定期望的安全跟车间距，再确定期望加速度，从而实现车辆控制。本发明的可变时距随着本车速度、速度差、前车加速度的变化而灵活变化，可以有效地平衡行驶过程中的安全性、跟车性以及道路的通行能力，并且可控制车辆协同行驶，提高道路交通流量，缩短行程时间，同时行驶过程中的车速变化更加平稳，可以提高驾驶舒适性。

Description

基于可变时距间距策略的车辆协同式自适应巡航控制方法

技术领域

本发明属智能交通领域，涉及一种基于可变时距(Variable Time Gap,VTG)间距策略的车辆协同式自适应巡航控制方法。

背景技术

汽车自适应巡航控制(Adaptive Cruise Control,ACC)系统是在传统的定速巡航控制(Cruise Control,CC)系统的基础上发展而来，通过各种车载传感器探测前车的距离和速度，并根据设定的控制方法自动调节本车的速度，使本车与前车保持合适的安全间距。ACC系统可以提高行车安全性、驾驶舒适性，减少因驾驶员的人为疏忽、操作失误引发的交通事故。

在ACC技术基础上，得益于车载无线通信技术的发展，协同式自适应巡航控制(Cooperative Adaptive Cruise Control,CACC)正逐渐成为研究热点，通过车车(Vehicle-to-Vehicle,V2V)通讯技术实现多车间的信息传递。在保证安全性的基础上，CACC进一步缩短了跟车间距，具有改善交通稳定性、降低交通能耗、提高道路通行能力等重要作用。

但CACC系统的控制方法仍有一定的问题和不足，首先，CACC车辆借助V2V通讯可获取多车的位置、速度、加速度等信息，多车信息在控制方法设计中未被充分利用；其次，间距策略是CACC系统的重要组成部分之一，决定了行驶过程中的安全跟车间距，为后续的控制方法提供参考间距的输入值，其设计是否合理直接影响车辆行驶的安全性和道路的使用效率，过小的间距易引发车辆追尾事故，过大的间距则不仅损失道路通行能力，而且易导致邻近车道车辆换入，不符合驾驶员的心理期望。文献“B.van Arem,C.J.G.van Driel,R.Visser.The impact of cooperative adaptive cruise control on traffic-flowcharacteristics.IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2006,7(4),429-436.”设计的CACC方法中，期望加速度由当前车辆与其前车之间的速度差、实际车间距与期望车间距的差以及前车的加速度决定，该控制方法被广泛采用，但方法仅考虑当前车辆前面一辆车的相关信息，不能实现车辆的协同控制，也无法体现车辆协同的优势。张幽彤等人设计的基于最小安全车距的协同式自适应控制方法(专利CN 108839655A)中，期望加速度由当前车辆与前车之间的速度差以及实际车间距与期望车间距的差确定，间距策略采用了恒定车头时距(Constant Time Headway,CTH)策略。CTH策略是目前ACC/CACC系统广泛采用的间距策略，CTH策略确定的期望车间距与本车速度存在线性关系，车头时距恒定，在实际复杂的交通环境下，如前车频繁加减速时，CTH策略的表现不尽理想。文献“B.vanArem,H.Driever,et al.Design and evaluation of an integrated full-range speedassistant.Delft:TNO report,2007-D-R0280/B,2007.”设计了两种控制方法，分别考虑了多车的位置和速度信息，但未同时涉及位置和速度信息，也未涉及多车的加速度信息，亦未涉及车辆的通信时延，实际中V2V通信的时延总是存在的，并且车辆通信延迟以及通信不确定性对车辆协同系统的稳定性和动态性能都有着重要影响。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于可变时距(Variable Time Gap,VTG)间距策略的车辆协同式自适应巡航控制方法。利用雷达、车载传感器和V2V通讯确定当前车辆前面连续的且在其通讯范围的CACC车辆数，根据车辆数采用不同VTG策略确定期望的安全跟车间距，再确定期望加速度，实现CACC车辆的控制。在本发明方法控制下，可变时距随着本车速度、速度差、前车加速度的变化而灵活变化，具有更大的临界密度和稳定区域，可进一步改善交通流的稳定性和流动性，对复杂交通环境具有更好的适应性；并且可控制车辆协同行驶，形成车辆队列，提高道路交通流量，缩短行程时间，同时行驶过程中的车速变化更加平稳，提高了驾驶的舒适性。

一种基于可变时距间距策略的车辆协同式自适应巡航控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：记当前CACC车辆为n，前车数初值m＝0，利用雷达和车载传感器测量在车辆n道路前方相邻车辆的位置，并与其进行V2V通讯，若两车能够通讯，则认为前方车辆为CACC车辆，m值加1，并继续采用前述方法判断当前车辆n道路前方的下一辆最近邻车辆，每检测到一辆CACC车辆，m值加1，直至再无法检测到CACC车辆时给出m的值；否则，视前方车辆不在通讯范围内或为非CACC车辆，m值不变；

步骤2：如果m＝0，按下式计算得到当前CACC车辆n的期望加速度：

其中，t表示当前时刻，a_n表示当前车辆n的期望加速度，Δx_n,n+1表示车辆n与车辆n+1之间的间距，按照Δx_n,n+1＝(x_n+1(t)-x_n(t)-l_n+1)计算得到，车辆n+1表示车辆n道路前方相邻的车辆，x_n+1表示车辆n+1的位置，x_n表示车辆n的位置，l_n+1表示车辆n+1的长度；

表示车辆n与车辆n+1之间的期望间距，按照

计算得到，t_s,n,n+1表示车辆n与车辆n+1之间的期望时距，

表示车辆n与车辆n+1完全停止时的间距；K_s是间距增益，K_v是速度差增益，K_s的取值范围为(0,6]，K_v的取值范围为(0,5]；

所述的车辆n与车辆n+1之间的期望时距t_s,n,n+1按下式计算：

t_s,n,n+1＝c₀+c₁v_n(t)-c₂(v_n+1(t)-v_n(t)) (2)

其中，v_n表示车辆n的速度，v_n+1表示车辆n+1的速度，c₀为常系数一，c₁为常系数二，c₂为常系数三，c₀的取值范围[0,2]，c₁的取值范围[0,1]，c₂的取值范围[0,1]；

如果m≥1，则按下式计算得到当前CACC车辆n的期望加速度：

其中，Δx_n,n+j表示车辆n与车辆n+j之间的间距，按照Δx_n,n+j＝(x_n+j(t-τ)-x_n(t)-l_n+j)计算得到，车辆n+j表示车辆n道路前方检测到的第j辆最近邻的CACC车辆，x_n+j表示车辆n+j的位置，l_n+j表示车辆n+j的车长，τ表示通信时延；

表示车辆n与车辆n+j之间的期望间距，v_n+j表示车辆n+j的速度，a_n+j表示车辆n+j的加速度，K_a是加速度增益，取值范围为(0,2]；α_j为权系数一，β_j为权系数二，γ_j为权系数三，α_j∈[0,1]，β_j∈[0,1]，γ_j∈[0,1]；

所述的车辆n与车辆n+j之间的期望间距

按照下式计算得到：

其中，

表示相邻的两辆车n+k-1和n+k之间的期望间距，l_n+k表示车辆n+k的车长，车辆n+k表示车辆n道路前方检测到的第k辆最近邻的CACC车辆，车辆n+k-1表示车辆n道路前方检测到的第k-1辆最近邻的CACC车辆；

所述的相邻的两辆车n+k-1和n+k之间的期望间距

按下式计算得到：

其中，t_s,n+k-1,n+k表示车辆n+k-1与车辆n+k之间的期望时距，v_n+k-1表示车辆n+k-1的速度，

表示车辆n+k-1与车辆n+k完全停止时的间距；

所述的车辆n+k-1与车辆n+k之间的期望时距t_s,n+k-1,n+k按下式计算：

t_s,n+k-1,n+k＝c₀+c₁v_n+k-1(t)-c₂(v_n+k(t-τ)-v_n+k-1(t))-c₃a_n+k(t-τ) (6)

其中，v_n+k表示车辆n+k的速度，a_n+k表示车辆n+k的加速度，c₃为常系数四，取值范围[0,1]；

步骤3：进行当前CACC车辆n的油门大小或制动刹车控制，使其加速度达到步骤2计算得到的期望加速度。

所述的权系数满足，α_j＝β_j＝γ_j，且

其中，参数l为大于1的正整数。

进一步地，所述的期望时距进一步按下式计算：

其中，t_s表示原期望时距，t′_s表示限制后的期望时距，t_{s_max}是期望时距的取值上限，t_{s_min}是期望时距的取值下限，取t_{s_max}＝2.2s，t_{s_min}＝0.2s。

所述的期望加速度进一步按下式计算：

a′_n＝max(a_min,min(a_n,a_max)) (9)

其中，a_n表示原期望加速度，a′_n表示限制后的期望加速度，a_min和a_max分别表示车辆的最小减速度和最大加速度。

本发明的有益效果是：(1)设计了随着本车速度、速度差、前车加速度的变化而灵活变化的可变时距(VTG)计算方法，与恒定车头时距(CTH)相比，在车速较低时，基于VTG确定的跟车间距显著降低，车辆形成的队列更紧凑，能在保证交通安全的同时大幅提高交通效率；而当车速较高时，基于VTG确定的跟车间距会大幅提高，能够保证驾驶安全性，有效规避追尾事故的风险。因此，基于VTG的间距计算可以有效地平衡行驶过程中的安全性、跟车性以及道路的通行能力。(2)基于VTG进行间距计算，并引入多辆前车的位置、速度、加速度信息，确定目标车辆的期望加速度，可控制车辆协同行驶，形成车辆队列，协同行驶的车队可以提高道路通行能力，缩短行程时间，增强交通流的稳定性，也使得行驶过程中的车速变化更加平稳，有效避免频繁剧烈的加减速，驾驶的舒适性显著提高。

附图说明

图1是本发明的车辆协同式自适应巡航控制方法的流程图。

图2是CACC车辆纵向运动过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

如图1所示，本发明提供了一种基于可变时距(Variable Time Gap,VTG)间距策略的车辆协同式自适应巡航控制方法。具体包括以下步骤：

当前CACC车辆n利用雷达和车载传感器探测相邻前车n+1的位置，如图2所示。若两车间距Δx_n,n+1小于V2V通讯范围，与车辆n+1进行通讯，若能通讯，则车辆n+1为CACC车辆，获得车辆n+1的位置、速度和加速度信息，否则，车辆n+1为非CACC车辆或视为非CACC车辆。

若前车不在通讯范围内或若前车为非CACC车辆，则CACC车辆n的期望加速度为：

其中，t表示当前时刻，a_n表示当前车辆n的期望加速度，Δx_n,n+1表示车辆n与车辆n+1之间的间距，车辆n+1表示车辆n道路前方距离最近的相邻的车辆；

表示车辆n与车辆n+1之间的期望间距，v_n表示车辆n的速度，v_n+1表示车辆n+1的速度，K_s是间距增益，K_v是速度差增益，均为正值，K_s的取值范围(0,6]，K_v的取值范围(0,5]；

公式(10)中Δx_n,n+1、

的计算方法分别为：

Δx_n,n+1＝(x_n+1(t)-x_n(t)-l_n+1) (11)

其中，x_n+1表示车辆n+1的位置，x_n表示车辆n的位置，l_n+1表示车辆n+1的长度；t_s,n,n+1表示车辆n与车辆n+1之间的期望时距，

表示车辆n与车辆n+1完全停止时的间距；

由于此时无法获得前车的加速度信息，所以，公式(12)中期望时距t_s,n,n+1按下式计算：

t_s,n,n+1＝c₀+c₁v_n(t)-c₂(v_n+1(t)-v_n(t)) (13)

其中，c₀为常系数一，c₁为常系数二，c₂为常系数三，c₀的取值范围[0,2]，c₁的取值范围[0,1]，c₂的取值范围[0,1]。公式(13)是仅考虑当前车辆速度和速度差情况下的可变时距(VTG)策略。

若前车为CACC车辆，则记m＝1，并继续判断当前车辆n的前前车，即车辆n是否能与车辆n+2进行通讯，如果不能，则认为车辆n+2不在通讯范围内或不是CACC车辆，则m值保持不变，停止判断；否则，m值加1，并继续采用前述方法对再前方车辆n+3进行判断，如果是，m值加1，重复该过程，直到所判断车辆不在通讯范围内或不是CACC车辆，得到此时的m值。

上述情况下，m≥1，按下式计算CACC车辆n的期望加速度为：

其中，Δx_n,n+j表示车辆n与车辆n+j之间的间距，车辆n+j表示车辆n道路前方检测到的第j辆与其距离最近的CACC车辆，m表示当前CACC车辆n前面连续的且在其通讯范围的CACC车辆的数目。

表示车辆n与车辆n+j之间的期望间距，v_n+j表示车辆n+j的速度，a_n+j表示车辆n+j的加速度。τ表示通信时延，由于存在通信时延，所以n+j辆车的速度和加速度均取t-τ时刻的值。K_a是加速度增益，为正值，K_a的取值范围[0,2]。α_j为权系数一，β_j为权系数二，γ_j为权系数三，α_j∈[0,1]，β_j∈[0,1]，γ_j∈[0,1]。在实际交通中，与第n辆车相距越远的前车，它的信息对第n辆车的影响越小，因此权值α_j、β_j和γ_j关于j递减，可取α_j＝β_j＝γ_j，且：

其中，参数l为大于1的正整数。

公式(14)中Δx_n,n+j按下式计算得到：

Δx_n,n+j＝(x_n+j(t-τ)-x_n(t)-l_n+j) (16)

其中，x_n+j(t-τ)表示车辆n+j在(t-τ)时刻的位置，l_n+j表示车辆n+j的车长。

公式(14)中

的计算方法为：

上式中

的计算方法，以

进行说明，按下式计算：

t_s,n,n+1＝c₀+c₁v_n(t)-c₂(v_n+1(t-τ)-v_n(t))-c₃a_n+1(t-τ) (19)

其中，t_s,n,n+1表示车辆n与车辆n+1之间的期望时距，v_n表示车辆n的速度，

表示车辆n与车辆n+1完全停止时的间距；v_n+1表示车辆n+1的速度，a_n+1表示车辆n+1的加速度，c₃为常系数四，c₃的取值范围[0,1]。公式(19)是综合考虑当前车辆速度、速度差和前车加速度的可变时距(VTG)策略，并考虑了通讯时延，与恒定车头时距(CTH)相比，在车速较低时，公式(18)基于VTG确定的期望间距(即安全跟车间距)显著降低，车辆形成的队列更紧凑，能在保证交通安全的同时大幅提高交通效率；而当车速较高时，公式(18)基于VTG确定的期望间距会大幅提高，能够保证驾驶安全性，有效规避追尾事故的风险。因此，基于VTG的间距计算可以有效地平衡行驶过程中的安全性、跟车性以及道路的通行能力。

对于公式(17)中的每两个相邻车辆n+k-1和n+k(k＝1,…,j)之间的期望间距都采用公式(18)、(19)进行计算。这样，公式(17)计算得到的期望间距，是引入了多辆前车的位置、速度、加速度信息进行VTG及期望间距计算，从而确定当前车辆的期望加速度，如此，可控制车辆协同行驶，形成车辆队列，协同行驶的车队可以提高道路通行能力，缩短行程时间，增强交通流的稳定性，也使得行驶过程中的车速变化更加平稳，有效避免频繁剧烈的加减速，驾驶的舒适性显著提高。

考虑到当速度较大时，按照公式(13)或(19)计算得到的期望时距值可能较大，而当速度接近于0时，期望时距值可能会非常小甚至变为负值。因此，对期望时距进行一定的限制，以保证跟车安全性和一定的交通效率：

其中，t′_s表示进一步限制后的期望时距，t_s表示分别按照公式(13)或(19)计算得到的原期望时距，t_{s_max}＞0是期望时距的取值上限，t_{s_min}＞0是期望时距的取值下限，可取取t_{s_max}＝2.2s，t_{s_min}＝0.2s。具体计算过程中将进一步限制后的期望时距代替按照公式(13)或(19)计算的原期望时距，代入公式(12)和公式(18)进行期望间距计算。

为了进一步考虑CACC车辆中驾驶员的舒适性，期望的减速和加速分别由车辆的最小减速度a_min和最大加速度a_max进行限制，最终CACC车辆n的期望加速度由下式给出：

a′_n＝max(a_min,min(a_n,a_max)) (21)

其中，a_n表示按照公式(10)或(14)计算得到的原期望加速度，a′_n表示限制后的期望加速度。

对当前CACC车辆n进行油门大小或制动刹车控制，使其加速度达到最终计算得到的期望加速度，完成车辆控制。

Claims (4)

1.一种基于可变时距间距策略的车辆协同式自适应巡航控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：记当前CACC车辆为n，前车数初值m＝0，利用雷达和车载传感器测量在车辆n道路前方相邻车辆的位置，并与其进行V2V通讯，若两车能够通讯，则认为前方车辆为CACC车辆，m值加1，并继续采用前述方法判断当前车辆n道路前方的下一辆最近邻车辆，每检测到一辆CACC车辆，m值加1，直至再无法检测到CACC车辆时给出m的值；否则，视前方车辆不在通讯范围内或为非CACC车辆，m值不变；

步骤2：如果m＝0，按下式计算得到当前CACC车辆n的期望加速度：

其中，t表示当前时刻，a_n表示当前车辆n的期望加速度，Δx_n,n+1表示车辆n与车辆n+1之间的间距，按照Δx_n,n+1＝(x_n+1(t)-x_n(t)-l_n+1)计算得到，车辆n+1表示车辆n道路前方相邻的车辆，x_n+1表示车辆n+1的位置，x_n表示车辆n的位置，l_n+1表示车辆n+1的长度；

表示车辆n与车辆n+1之间的期望间距，按照

计算得到，t_s,n,n+1表示车辆n与车辆n+1之间的期望时距，

表示车辆n与车辆n+1完全停止时的间距；K_s是间距增益，K_v是速度差增益，K_s的取值范围为(0,6]，K_v的取值范围为(0,5]；

所述的车辆n与车辆n+1之间的期望时距t_s,n,n+1按下式计算：

t_s,n,n+1＝c₀+c₁v_n(t)-c₂(v_n+1(t)-v_n(t)) (2)

其中，v_n表示车辆n的速度，v_n+1表示车辆n+1的速度，c₀为常系数一，c₁为常系数二，c₂为常系数三，c₀的取值范围[0,2]，c₁的取值范围[0,1]，c₂的取值范围[0,1]；

如果m≥1，则按下式计算得到当前CACC车辆n的期望加速度：

其中，Δx_n,n+j表示车辆n与车辆n+j之间的间距，按照Δx_n,n+j＝(x_n+j(t-τ)-x_n(t)-l_n+j)计算得到，车辆n+j表示车辆n道路前方检测到的第j辆最近邻的CACC车辆，x_n+j表示车辆n+j的位置，l_n+j表示车辆n+j的车长，τ表示通信时延；

表示车辆n与车辆n+j之间的期望间距，v_n+j表示车辆n+j的速度，a_n+j表示车辆n+j的加速度，K_a是加速度增益，取值范围为(0,2]；α_j为权系数一，β_j为权系数二，γ_j为权系数三，α_j∈[0,1]，β_j∈[0,1]，γ_j∈[0,1]；

所述的车辆n与车辆n+j之间的期望间距

按照下式计算得到：

其中，

表示相邻的两辆车n+k-1和n+k之间的期望间距，l_n+k表示车辆n+k的车长，车辆n+k表示车辆n道路前方检测到的第k辆最近邻的CACC车辆，车辆n+k-1表示车辆n道路前方检测到的第k-1辆最近邻的CACC车辆；

所述的相邻的两辆车n+k-1和n+k之间的期望间距

按下式计算得到：

其中，t_s,n+k-1,n+k表示车辆n+k-1与车辆n+k之间的期望时距，v_n+k-1表示车辆n+k-1的速度，

表示车辆n+k-1与车辆n+k完全停止时的间距；

所述的车辆n+k-1与车辆n+k之间的期望时距t_s,n+k-1,n+k按下式计算：

t_s,n+k-1,n+k＝c₀+c₁v_n+k-1(t)-c₂(v_n+k(t-τ)-v_n+k-1(t))-c₃a_n+k(t-τ) (6)

其中，v_n+k表示车辆n+k的速度，a_n+k表示车辆n+k的加速度，c₃为常系数四，取值范围[0,1]；

步骤3：进行当前CACC车辆n的油门大小或制动刹车控制，使其加速度达到步骤2计算得到的期望加速度。

2.如权利要求1所述的一种基于可变时距间距策略的车辆协同式自适应巡航控制方法，其特征在于：所述的权系数满足α_j＝β_j＝γ_j，且

其中，参数l为大于1的正整数。

3.如权利要求1所述的一种基于可变时距间距策略的车辆协同式自适应巡航控制方法，其特征在于：所述的期望时距进一步按下式计算：

其中，t_s表示原期望时距，t_s′表示限制后的期望时距，t_{s_max}是期望时距的取值上限，t_{s_min}是期望时距的取值下限，取t_{s_max}＝2.2s，t_{s_min}＝0.2s。

4.如权利要求1所述的一种基于可变时距间距策略的车辆协同式自适应巡航控制方法，其特征在于：所述的期望加速度进一步按下式计算：

a′_n＝max(a_min,min(a_n,a_max)) (9)

其中，a_n表示原期望加速度，a_n′表示限制后的期望加速度，a_min和a_max分别表示车辆的最小减速度和最大加速度。

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