CN113928314B - 一种冰雪路面条件下考虑前后车的自动驾驶车辆跟驰控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冰雪路面条件下考虑前后车的自动驾驶车辆跟驰控制方法。具体方法包括三个主要步骤，即一、冰雪路面条件下安全跟车间距计算，具体分为冰雪路面条件下车辆最大加速度和冰雪路面条件下安全跟车间距；二、冰雪路面条件下车辆最优速度计算，具体分为冰雪路面条件下车辆最大速度与期望速度、冰雪路面条件下车辆最优速度；三、冰雪路面条件下自动驾驶车辆跟驰控制计算。本发明专利通过量化不同冰雪路面条件下对于自动驾驶车辆的影响并考虑前、后方车辆行驶参数，提出冰雪路面条件下的自动驾驶车辆跟驰控制方法，拓宽了自动驾驶车辆应用场景，保障冰雪路面条件下自动驾驶车辆行车安全。

Description

一种冰雪路面条件下考虑前后车的自动驾驶车辆跟驰控制 方法

技术领域

本发明属于自动驾驶车辆跟驰控制和交通仿真领域，具体涉及冰雪路面条件 下考虑前后车的自动驾驶车辆跟驰控制方法。

背景技术

随着近年来自动驾驶车辆控制执行相关技术的不断成熟，如何使自动驾驶车 辆能够安全行驶于各种复杂交通场景成为其技术难点之一。降雪是中国北方常见 气候，相较于正常天气条件，由于冰雪路面条件下道路摩擦系数减小，使得保障 自动驾驶车辆在冰雪路面条件下的行车安全和行驶效率变得更为困难。跟驰控制 作为自动驾驶车辆的关键控制技术之一，有必要对冰雪路面条件下自动驾驶车辆 的跟驰控制进行针对性研究，从而丰富自动驾驶车辆跟驰控制的适用场景，保障 冬季自动驾驶车辆的行车安全。

现有关于冰雪路面条件下的自动驾驶车辆跟驰控制研究较少，主要是在传统 跟驰模型的基础上，进行冰雪路面条件下人工驾驶车辆跟驰仿真模型的优化研究。 刘亚帝考虑冰雪条件、驾驶员特性和机动车特性，对最小安全距离跟驰模型进行 修正使其符合冰雪条件下的车辆行驶规则；魏增超构建了冰雪路面形态下的城市 快速路期望车速模型，根据运动学公式构建了最小安全距离模型，并在此基础上 修正了优化速度函数及全速度差模型(FVD)；唐榛综合降雪天气高速公路车辆 行驶特点，改进敏感系数并新增车头间距加速度影响项，对FVD模型进行了优 化；张春分析了冰雪条件下驾驶员行为特性，采用任务难度均衡理论构建任务难 度模块并引入改进后的智能驾驶员模型(IDM)；张诗悦在修正冰雪路面优化速 度函数的基础上，基于线性跟驰模型和FVD模型构建了冰雪路面城市快速路跟驰模型。然而，上述针对冰雪路面条件下跟驰模型的优化研究仅适用于人工驾驶 车辆，而冰雪路面条件对于自动驾驶车辆的影响与人工驾驶车辆相比有所不同。 例如，自动驾驶车辆可以精准感知前、后方车辆的速度和距离，则可以在考虑前、 后方车辆行驶参数的情况下进行更精准、安全的控制。因此，有必要在传统跟驰 模型的基础上，进行冰雪路面条件下自动驾驶车辆跟驰控制模型的适用性研究， 从而使其能够行驶于道路环境更为危险的冰雪路面，提高自动驾驶车辆的行车安 全。

基于上述背景，亟需针对自动驾驶车辆在冰雪路面条件下的行驶特性，对传 统跟驰模型进行改进，从而提出一种冰雪路面条件下自动驾驶车辆跟驰行为控制 方法。本发明通过量化冰雪路面条件下的特殊道路环境并考虑前、后方车辆行驶 参数，对FVD模型进行冰雪路面条件下的适用性优化，从而丰富自动驾驶车辆 行驶场景。经查找，暂未有自动驾驶车辆冰雪路面条件下跟驰控制方法的相关报 道。

发明内容

1.一种冰雪路面条件下考虑前后车的自动驾驶车辆跟驰控制方法，包括如下 步骤：

步骤一、冰雪路面条件下安全跟车间距计算：

步骤1.1冰雪路面条件下车辆最大加速度：

车辆在冰雪路面条件下最大加速度a_max与路面摩擦系数f以及重力加速度g 有关，具体公式为：

a_max＝f·g

其中冰雪条件下的路面摩擦系数f，根据常见冰雪条件下的路面形态分为四 种类型，具体包括：

S1降雪开始后路面薄积雪被车辆碾压后形成的粗糙冰膜，摩擦系数为 f_粗糙冰膜＝0.20；

S2路面积雪形成的轻度压实雪，摩擦系数为f_{轻度压实雪}＝0.30；

S3人工清雪后形成的覆雪冰膜，薄雪下有冰板，摩擦系数为f_{薄雪下有冰板}＝ 0.15；

S4人工清雪后形成的覆雪冰膜，厚雪下有冰板，摩擦系数为f_{厚雪下有冰板}＝ 0.25；

步骤1.2冰雪路面条件下安全跟车间距：

跟驰过程中前后车需保持的安全跟车间距为h_安全(t)，单位为m，它与被控制 车辆，以下简称主体车，的自身速度v_主体车(t)、自动驾驶车辆制动迟滞时间t_迟滞、 车辆在冰雪路面条件下最大加速度a_max以及前后车静止时应保持的安全距离d 有关，取t_迟滞＝0.43s，d＝3.5m，具体公式如下：

步骤二、冰雪路面条件下车辆最优速度计算：

步骤2.1冰雪路面条件下车辆的最大速度与期望速度：

取非冰雪路面条件下主体车在行驶路段上的最高限速为V′_max，期望速度为 V^′ _期，则在不同冰雪路面条件下，车辆最大速度V_max与期望速度V_期分别为：

V_max＝(1-β)·V′_max

其中，K为路段的车流密度，K_阻塞为路段的阻塞密度，取K_阻塞＝124辆/km， β为冰雪路面条件下V′_max和V′_期的衰减率，在不同冰雪路面条件下分别取值为： β_小雪＝20％，β_中雪＝25％，β_大雪＝35％，β_暴雪＝45％；

步骤2.2冰雪路面条件下车辆最优速度：

冰雪路面条件下，主体车对于前车和后车的最优速度分别为V_前(·)和V_后(·)， 主体车对于前车的最优速度V_前(·)随着与前车距离Δx_前(t)的增加而增大，在超出 一定距离后趋于主体车的期望速度V_期；而主体车对于后车的最优速度V_后(·)随着 与后车距离Δx_后(t)的减小而增大，且趋于其所能达到的最大速度V_max，当与后车 距离大于安全跟车间距h_安全(t)时，主体车保持其期望速度V_期；V_前(·)、V_后(·)以 及V_最优(·)的具体公式为：

V_最优(Δx_前(t),Δx_后(t))＝P·V_前(Δx_前(t))+(1-P)·V_后(Δx_后(t))

其中，P为前车对主体车的影响程度，量纲为1，冰雪路面条件下P＝0.8； Δx_前和Δx_后分别为主体车与前车距离和主体车与后车距离，单位为m；

步骤三、冰雪路面条件下自动驾驶车辆跟驰控制计算：

冰雪路面条件下自动驾驶车辆跟驰控制方法对自动驾驶车辆在冰雪路面条 件行驶进行加速度控制，将主体车与前车距离、主体车与后车距离、主体车速度、 主体车与前车速度差以及主体车与前车加速度差作为输入变量，将主体车加速度 作为输出变量，具体公式如下：

a_主体车(t)＝α[P·V_前(Δx_前(t))+(1-P)·V_后(Δx_后(t))-v_主体车(t)]+ λΔv_前(t)+κΔa_前(t)

其中，α、λ、κ为主体车加速度对于主体车与前车和后车距离、主体车与前 车速度差及主体车与前车加速度差的敏感系数，α、λ单位为s^-1，κ量纲为1，分 别取值α＝0.7、λ＝0.2.、κ＝0.1；Δv_前和Δa_前分别为主体车与前车的速度差和 加速度差，单位为m·s^-1和m·s^-2。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所述的一种冰雪路面条件下考虑前后车的自动驾驶车辆跟驰控制方 法，通过考虑前、后方车辆行驶参数以及冰雪路面条件下对于自动驾驶车辆的影 响，实现冰雪路面条件下自动驾驶车辆跟驰行为控制，拓宽自动驾驶车辆应用场 景，保障冰雪路面条件下自动驾驶车辆行车安全。

附图说明

图1是本发明的总体流程图

图2是本发明的自动驾驶车辆跟驰行为示意图

图3是本发明实施例的控制效果图

具体实施方式

一、计算方法和步骤

参阅图1，本发明所述的一种冰雪路面条件下考虑前后车的自动驾驶车辆跟 驰控制方法有以下几个步骤：

步骤一、冰雪路面条件下安全跟车间距计算，量化不同冰雪路面条件下对于 自动驾驶车辆最大加速度的影响，计算冰雪路面条件下跟驰过程前后车需保持的 安全跟车间距；

步骤二、冰雪路面条件下车辆最优速度计算，量化冰雪路面条件对于自动驾 驶车辆最大速度和期望速度的影响，计算自动驾驶车辆受前后车辆影响下的最优 速度；

步骤三、冰雪路面条件下自动驾驶车辆跟驰控制计算，参阅图2，将主体车 与前车距离、主体车与后车距离、主体车速度、主体车与前车速度差以及主体车 与前车加速度差作为输入变量，将主体车加速度作为输出变量，确定自动驾驶车 辆在冰雪路面条件下的跟驰控制模型。

二、实施例

本发明所述的一种冰雪路面条件下考虑前后车的自动驾驶车辆跟驰控制方 法的实施例，给出实施过程和检验结果，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

通过仿真实验进行实例论述。选取轻度压实雪条件下的某长直路段车辆排队 启动场景，该路段最高限速为60km/h，共排列11辆车，第一辆车为头车，其他 车辆在仿真中设置为自动驾驶车辆，根据本发明所述的冰雪路面条件下考虑前后 车的自动驾驶车辆跟驰控制方法对后十辆自动驾驶车辆进行仿真控制，具体控制 效果如图3

结果表明，采用本发明所述的自动驾驶车辆跟驰控制模型，队列达到稳定跟 驰状态用时较采用FVD模型用时的105.3s减小至76.1s，减小了27.7％，车辆能 够在冰雪路面条件下保持安全车距不发生碰撞，并通过平稳的加速过程最终达到 期望速度。由此可见，采用该控制模型能够在保证自动驾驶车辆在冰雪路面条件 下安全行驶的同时提升自动驾驶车辆在冰雪路面条件下的行车效率。

Claims (1)

1.一种冰雪路面条件下考虑前后车的自动驾驶车辆跟驰控制方法，包括如下步骤：

步骤一、冰雪路面条件下安全跟车间距计算：

步骤1.1冰雪路面条件下车辆最大加速度：

车辆在冰雪路面条件下最大加速度a_max与路面摩擦系数f以及重力加速度g有关，具体公式为：

a_max＝f·g

其中冰雪条件下的路面摩擦系数f，根据常见冰雪条件下的路面形态分为四种类型，具体包括：

S1降雪开始后路面薄积雪被车辆碾压后形成的粗糙冰膜，摩擦系数为f_粗糙冰膜＝0.20；

S2路面积雪形成的轻度压实雪，摩擦系数为f_{轻度压实雪}＝0.30；

S3人工清雪后形成的覆雪冰膜，薄雪下有冰板，摩擦系数为f_{薄雪下有冰板}＝0.15；

S4人工清雪后形成的覆雪冰膜，厚雪下有冰板，摩擦系数为f_{厚雪下有冰板}＝0.25；

步骤1.2冰雪路面条件下安全跟车间距：

跟驰过程中前后车需保持的安全跟车间距为h_安全(t)，单位为m，它与被控制车辆，以下简称主体车，的自身速度v_主体车(t)、自动驾驶车辆制动迟滞时间t_迟滞、车辆在冰雪路面条件下最大加速度a_max以及前后车静止时应保持的安全距离d有关，取t_迟滞＝0.43s，d＝3.5m，具体公式如下：

步骤二、冰雪路面条件下车辆最优速度计算：

步骤2.1冰雪路面条件下车辆的最大速度与期望速度：

取非冰雪路面条件下主体车在行驶路段上的最高限速为V′_max，期望速度为V′_期，则在不同冰雪路面条件下，车辆最大速度V_max与期望速度V_期分别为：

V_max＝(1-β)·V′_max

其中，K为路段的车流密度，K_阻塞为路段的阻塞密度，取K_阻塞＝124辆/km，β为冰雪路面条件下V′_max和V′_期的衰减率，在不同冰雪路面条件下分别取值为：β_小雪＝20％，β_中雪＝25％，β_大雪＝35％，β_暴雪＝45％；

步骤2.2冰雪路面条件下车辆最优速度：

冰雪路面条件下，主体车对于前车和后车的最优速度分别为V_前(·)和V_后(·)，主体车对于前车的最优速度V_前(·)随着与前车距离Δx_前(t)的增加而增大，在超出一定距离后趋于主体车的期望速度V_期；而主体车对于后车的最优速度V_后(·)随着与后车距离Δx_后(t)的减小而增大，且趋于其所能达到的最大速度V_max，当与后车距离大于安全跟车间距h_安全(t)时，主体车保持其期望速度V_期；V_前(·)、V_后(·)以及V_最优(·)的具体公式为：

其中，P为前车对主体车的影响程度，量纲为1，冰雪路面条件下P＝0.8；Δx_前和Δx_后分别为主体车与前车距离和主体车与后车距离，单位为m；

步骤三、冰雪路面条件下自动驾驶车辆跟驰控制计算：

冰雪路面条件下自动驾驶车辆跟驰控制方法对自动驾驶车辆在冰雪路面条件行驶进行加速度控制，将主体车与前车距离、主体车与后车距离、主体车速度、主体车与前车速度差以及主体车与前车加速度差作为输入变量，将主体车加速度作为输出变量，具体公式如下：

其中，α、λ、κ为主体车加速度对于主体车与前车和后车距离、主体车与前车速度差及主体车与前车加速度差的敏感系数，α、λ单位为s^-1，κ量纲为1，分别取值α＝0.7、λ＝0.2.、κ＝0.1；Δv_前和Δa_前分别为主体车与前车的速度差和加速度差，单位为m·s^-1和m·s^-2。