CN114516328B - 一种智能网联环境下基于规则的车队跟驰模型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能网联环境下基于规则的车队跟驰模型方法，包括：构建基于规则的网联车队框架模型；采用二分之一斜率法对舒适度与行车时间加以平衡，计算出最佳加减速方案；基于框架模型以及加减速方案构建基于规则的车队跟驰模型。本发明的方法为形成较小间距、速度一致的自动驾驶车队，将速度一致、避免碰撞、尽量靠近三条原则作为智能网联汽车的交互规则，借鉴安全距离类模型的形式，结合车辆运动学，达到所构建的模型可以在安全的前提下使得后车以较小的间距、一致的速度进行稳定跟驰的效果。
Description
技术领域
本发明涉及车辆驾驶技术，具体涉及一种智能网联环境下基于规则的车队跟驰模型方法。
背景技术
目前，智能网联汽车的出现改变了车辆驾驶行为模式，实现了车与车、车与路之间的交互，为缓解交通问题带来了曙光，智能网联时代即将来临。在智能网联环境下车辆以队列行驶，车辆可以通过车-车通信紧密配合缩短两车行驶间距，并避免碰撞，有效提高道路通行能力以及交通安全性，从而在一定程度上缓解交通问题。而车队之间车与车之间的相互作用即为跟驰行为，因此，研究智能网联汽车跟驰模型势在必行。
跟驰模型的分类比较多，常用的经典模型有以下几类：刺激-反应模型、优化速度模型、智能驾驶模型以及安全距离类模型，这些模型各有其优缺点以及适用性。刺激-反应模型：模型简单，物理意义直白，是许多跟驰模型研究的基础，但是较难进行准确的参数标定。优化速度模型：可重现交通流多种宏观现象，但是考虑因素单一，无法保证跟驰安全间距。智能驾驶模型：可较好地拟合实际数据，可同时描述自由流与非自由流交通状态，但是待标定参数较多。相比较而言安全距离类模型考虑行车间距直接反馈，物理意义明确，能够很好的描述跟驰行为，仿真应用广，因此，比较适合用来研究智能网联汽车跟驰模型。
在安全距离跟驰模型方面，有对制动过程进行了分析，在原来的车辆运动安全距离公式的基础上，重新定义了跟驰安全距离。有通过测量前后车之间的距离，计算出安全距离，并提出了用来判断前后车的安全距离是否安全的算法。有基于安全距离模型，对汽车制动过程进行了运动学分析，建立了一种改进后的安全距离数学模型。有通过分析期望的跟驰车速以及安全间距对驾驶行为的影响，把安全间距作为直接反馈控制项，以此建立了协同跟驰模型。在智能网联汽车跟驰模型方面，有通过分析智能网联汽车的跟驰特性，构建了考虑3辆前导车信息的CAV跟驰模型。有在车车通信环境下，通过分析在跟驰状态下的车辆的运动特性，提出了临界安全距离模型。有在车联网环境下，对原有自动驾驶交通流跟驰模型进行改进，构建新的自动驾驶跟驰模型。有基于V2V条件在Newell模型和FVD模型的基础上进行改进，构建了车辆队列跟驰模型，并对V2V技术提高交通流运行安全性和稳定性的机理进行了分析。有考虑车辆跟驰存在的延时性与传递性,基于网联车的智能感知与协同交互，提出一种基于多前车最优速度与加速度的网联车跟驰模型。有为了进一步提高交通流的稳定性，在经典基于驾驶员记忆的最优速度(OVCM)模型的基础上，提出了一种基于多前车最优速度与紧邻加速度(MHOVA)的智能网联车辆跟驰模型。
上述对安全距离类跟驰模型的研究多以避撞为目标，少有人考虑让车辆尽量靠近的状态，且跟驰车距偏大，跟驰中前后车速度大多不一致，这就导致前车在状态不变的情况下，后车需要根据本车速度、前后车距离进行多次微调。而在智能网联汽车跟驰模型方面，虽有部分学者研究智能网联汽车模型，但大多都是在经典模型的基础上进行改进，而已有的经典跟驰模型基本都是对传统交通环境的描述，所以无法准确描述智能网联汽车的跟驰行为。所以，针对以上问题，根据智能网联汽车特性制定车辆交互规则，构建跟驰模型，使车辆迅速形成一列间距一致、速度一致的队列，探索基于规则的车队行驶模型的可行性。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种智能网联环境下基于规则的车队跟驰模型方法，达到所构建的模型可以在安全的前提下使得后车以较小的间距、一致的速度进行稳定跟驰的效果。
本发明采用的技术方案是：一种智能网联环境下基于规则的车队跟驰模型方法，包括：
构建基于规则的网联车队框架模型；
采用二分之一斜率法对舒适度与行车时间加以平衡，计算出最佳加减速方案；
基于框架模型以及加减速方案构建基于规则的车队跟驰模型。
进一步地，所述构建基于规则的网联车队框架模型包括两车间距较小时构建模型和两车间距较大时构建模型；
网络环境为5G通信，非5G情况下也可使用，仅通信时延不同，但整个车队处于同一种网络环境，后车在同时满足三条规则进行匀速行驶时的距离为停车距离加通信延迟阶段匀速行驶的距离，借鉴最小行车安全距离数学模型框架，可以得出以下关系式：
（1）
式中，为车辆停止后，与前方车辆之间的安全距离，取2m；/>为前车的速度，也是两车匀速时的速度，km/h；T为通信延迟时间，理想情况下，5G通信时延一般取0.001s；D为两车之间的实际距离，m；/>为前车的制动距离，m；/>为后车的制动距离，m；
两车间距较小时构建模型
后车车速大于前车
由于前车匀速运动，故当后车先经过延迟阶段匀速后减速到与前车速度相等，且刚好保持的距离时两车行驶时间相等，则可实现三条规则；于是有：
(2)
(3)
(4)
根据式(1)(2)(3)，可得到以下关系式：
(5)
(6)
式中，为后车的初始速度，/>；/>为后车加速度，/>；/>为后车减速时间，；/>为第一种情况两车之间的实际距离，m；
取加速度，当/>时，由于/>，所以此种情况忽略；当两车距离大于/>为加速度为0.5/>时两车的间距时，后车在减至前车速度时两车间距大于/>不能满足尽量靠近原则，将此归为两车间距较大，后车车速大于前车的行车情况，所以当/>，为两车间距较小时的第一种情况，此时后车经过延迟匀速后直接减速；则/>时，
(7)
后车车速小于等于前车
当后车速度小于等于前车时，此时车辆不仅不会发生碰撞，两车间距还会越来越大，此种情况较为特殊，所以将此种情况归为两车间距较大，后车车速小于等于前车的行车情况；
两车间距较大时构建模型
在满足规则的前提下，有：
(8)
(9)
(10)
(11)
根据式(1)，可得到以下关系式：
(12)
(13)
当
(14)
(15)
式中，分别为后车加速时间、匀速时间以及减速时间，/>；/>为后车匀速阶段的速度，/>；/>分别为后车在加速阶段以及减速阶段的加速度，/>；
后车车速大于前车
为了使后车在任何加减速方案下都有匀速阶段，取所有加减速方案中的最小值，当/>时，/>可以取到最小值，即/>，/>为时，所求得的匀速阶段速度，其中右上标括号内左边的数值为加速阶段的加速度/>，右边的数值为减速阶段的加速度/>；由于在快速路上，车辆限速为77km/h，所以两车距离小于/>所对应间距，又因/>不符合考虑场景，所以/>时，为两车间距较大时后车车速大于前车的第一种情况，后车以最小/>匀速，即后车经过通信延迟匀速阶段后，加速至/>，然后进行匀速，最后再在/>的距离时刚好减至与前车速度一致；
两车间距较大时后车车速大于前车的第二种情况为以匀速，即后车经过通信延迟匀速阶段后，加速至77km/h，然后进行匀速，最后再在/>的距离时刚好减至与前车速度一致；于是此种情况为第一种情况的特殊情况，此时/>，；
后车速度小于等于前车
当后车速度小于等于前车时，此时车辆不会发生碰撞且两车距离越来越远，所以若要满足三条规则，后车需要以大于前车的速度进行追赶后，再进行匀速行驶，最后再在的距离时刚好减至与前车速度一致，此种情况与后车车速大于前车车速中的第一种情况一致，仅/>及/>取值有所不同；此时在所有加减速方案中，仅在/>或/>中可以取到最小值，所以最小/>为两种方案中的最小值，即/>；当/>时，为了保证安全/>取两种方案中的最大值，即/>；所以/>，即时，为第一种情况，此时以最小/>匀速；
当时，由于/>，所以此种情况不做考虑；又因两车间距大于/>时，所以此种情况下的最小/>均大于等于77/>，超出限速范围，于是此为第二种情况为以/>匀速，即后车经过通信延迟匀速阶段后，加速至77km/h，然后进行匀速，最后再在/>的距离时刚好减至与前车速度一致；同时结合第一种情况，可以得出第二种情况：
时，/>。
更进一步地，所述采用二分之一斜率法对舒适度与行车时间加以平衡，计算出最佳加减速方案包括：
单轴向加权加速度均方根值
采用单轴向加权加速度均方根值来进行评价，舒适性指标为：
(16)
(17)
式中，为舒适度指标，/>；/>为加速度统计总量；/>为统计获取的第/>个加速度值，/>；/>为统计时间，s；/>为统计时间间隔，取0.2s；加速度的统计分为三个部分：加速、匀速、减速；/>；于是有：
（18）
式中，为后车加速、匀速、减速阶段的行驶总时间，s；
舒适度与行车时间平衡方法
式(12)中，，/>和/>皆可获得，根据前后车速度大小关系以及实际距离可以确定后车以哪种方式行驶，也可确定/>；然后根据EXCEL表格计算出所有加减速方案的行车时间以及舒适度，得出不同加减速方案下的行车时间与舒适度关系的散点图，最终拟合相应的公式；
以为例，/>，/>，/>则后车经过通信延迟匀速阶段后，加速至77km/h，然后进行匀速，最后再在/>的距离时刚好减至与前车速度一致；
加减速方案计算
拟合曲线形式为:
(19)
(20)
斜率绝对值为最大斜率最小时：
(21)
平均斜率：
(22)
则所对应的行车时间为：
(23)
式中，e，f，g均为常数；
对范围的点进行筛选，选取舒适度和行车时间均相比较较小的点。
更进一步地，所述基于框架模型以及加减速方案构建基于规则的车队跟驰模型包括：
后车行驶过程大致分为两大类别，第一类经过通信延迟后直接减速，可以直接算出加速度，车辆在通信延迟之后直接根据相应的加速度减速即可；第二类通信延迟之后开始加速至，然后开始匀速，最后再在/>的距离时刚好减速至与前车速度一致，共有四个阶段；在EXCEL数值计算中，以初始两车间隔/>开始，每隔/>或状态发生变化时，根据此刻状态计算当前车辆的速度，位置，根据颗粒粗细/>取1m，此时1m所对应的时间为0.05s；于是有：
延迟阶段：
前后车速度不变，保持匀速
(24)
(25)
式中，分别表示前车与后车的位置，m，此时状态发生改变计算一次位置，所以/>；
加速阶段：
前车速度不变，保持匀速；后车在位置为/>时开始加速；两车在某个间距间隔的距离等于原始距离加上前车的制动距离减去后车的制动距离：
(26)
(27)
(28)
(29)
所以，两车间距为时，后车的速度为：
(30)
(31)
(32)
当后车加速至时，车辆开始匀速，此时两车间距为：
(33)
式中，为两车在某个间距间隔的距离，m，由于在延迟阶段计算过一次，所以下标为/>；/>分别为前车，后车在加速阶段的制动距离，m；/>为两车在某个间距间隔的速度，km/h；/>为车辆加速完毕开始匀速时刻两车的间距，m；
匀速阶段：
前车速度不变，保持匀速；后车速度为/>，开始匀速；此时车辆在某个间隔行驶的时间为：
(34)
由此可以算出两车的位置：
(35)
(36)
式中，为某个间隔两车行驶的时间，s，由于在延迟阶段，加速阶段各计算过一次，所以下标为/>
减速阶段：
前车速度不变，保持匀速；后车初始速度为/>；后车开始减速时，两车间距等于后车制动距离加上/>减去前车制动距离：
(37)
所以，两车间距为时，后车的速度为:
(38)
(39)
(40)
式中，为车辆结束匀速开始减速时两车的间距，s；
综上，结合推荐加速度方案，可以得出后车跟驰模型：
两车间距较小，后车车速大于前车
两车间距较大
在行驶中，加速时加速度或速度会有波动情况，若要在减速阶段加速度不变的情况下保持安全行驶，则此时的速度应满足以下关系式：且/>。
本发明的优点：
本发明的方法为形成较小间距、速度一致的自动驾驶车队，将速度一致、避免碰撞、尽量靠近三条原则作为智能网联汽车的交互规则，借鉴安全距离类模型的形式，结合车辆运动学，达到所构建的模型可以在安全的前提下使得后车以较小的间距、一致的速度进行稳定跟驰的效果。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明 跟驰状态下前后两车安全距离模型示意图；
图2是本发明的车队形成框架模型框架图；
图3是本发明的不同加减速方案下的行车时间与舒适度关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
车队形成框架模型的建立
交互规则描述
研究中，集群的智能网联汽车已经具备了涌现的条件，如果设计科学合理的交互规则，那么就可以实现交通系统的自组织涌现控制。在路段宏观层面，集群的智能网联汽车可以形成自治车队。由此参考鱼群三规则，以智能网联汽车作为智能个体，根据智能网联汽车特性制定了以下规则：
避免碰撞：车辆在行驶中，保持一定的车间距，使前后车辆不发生碰撞行为。
尽量靠近：当车辆在行驶时，车间距大于安全间距，予以车辆一定的加速度，使车间距减少至安全间距，尽量靠近前车。
速度一致：使前后车辆具有一致的速度，使其形成稳定的车队。
为了涌现形成宏观的自治车队并以此来检测三条规则，同时以较小间距作为目标来达到车队行驶过程中减小空气阻力，提高通行能力的目的。将以此三条原则作为智能网联汽车的交互规则，构建基于规则的跟驰模型从而满足以上要求。
车队形成过程主要分为两大类情况：
一类是两车间距较小；另一类是两车间距较大，则在车队形成过程中车辆的交互规则实现流程如下：
(1)两车间距较小，后车速度大于前车速度时，如果前车一直保持匀速行驶，且后车也保持原速度行驶，则两车一定会发生碰撞，为了满足避免碰撞原则，后车需立即减速，同时为了实现尽量靠近原则，后车应在安全的前提下与前车保持更小的安全距离，若要实现速度一致原则，则车辆在停止减速时刻速度应减至与前车一致；两车间距较小，后车速度小于前车速度时，如果前车一直保持匀速行驶，且后车也保持原速度行驶，则两车一定不会发生碰撞，且两车间距将会越来越大，因此，将此种情况归为两车间距较大，后车车速小于等于前车的行车情况。
(2)两车间距较大，后车速度大于前车速度时，此时后车若直接减速仅能满足避撞原则；而两车间距较大，后车速度小于前车速度时，两车状态不发生改变，车辆不会发生碰撞且两车距离越来越远。所以，两种情况下后车都要先进行适当加速以满足尽量靠近原则，同时为了实现避免碰撞原则，车辆在适当的距离开始减速在最小安全距离处停止减速，若要实现速度一致原则，则车辆在停止减速时刻速度应减至与前车一致。
基本假定
所建立的模型基于以下假定：
(1)智能网联汽车行驶情况为单一车道的连续交通流，不存在变道或者超车情况。
(2)仅考虑纵向速度、加速度，不考虑横向变化。
(3)通信良好，信息传输不存在阻碍或者干扰。
(4)为纯网联环境，不考虑混行。
(5)不考虑车辆加减速性能指标。
车队形成框架模型构建
考虑的场景是：武汉市二环线的单车道上，根据标准可知：车辆行驶速度范围为60-70km/h，最大速度为77km/h（交规处罚规定最大时速不得超过限定时速的10%），一列车队以同等速度，同等间距匀速行驶，后面车辆处于跟驰状态则可加入车队进行跟驰。在现有研究中，对跟驰状态的判定也存在多种观点。有认为跟驰行为发生在两车车头间距为0～100米或者0～125米的范围内；Weidman的研究则认为车头间距小于等于150米时，车辆处于跟驰状态。由于车辆时速较大，且后面在研究过程中发现6m以内的加减速方案没有规律可循，此种情况可能需要另一种跟驰方式，所以认定的跟驰状态为：两车车头间距为6～150m即为进入跟驰状态，后面车辆距车队尾车的距离在6~150m则可加入车队进行跟驰。
由于安全距离类模型考虑行车间距直接反馈，物理意义明确，能够很好的描述跟驰行为，因此，决定借鉴安全距离类模型来研究智能网联汽车跟驰模型。
为了保证跟驰状态下前后两车在正常行驶时保持速度一致、避免碰撞、尽量靠近三条规则，如图1所示。
采用反推思想：当后车速度与前车速度一致并保持匀速时，车辆不会发生碰撞，此时只需满足尽量靠近即可。国标规定，车辆停止后，与前方车辆之间的安全距离，一般取值为2～5 m，为了满足尽量靠近原则，取2m。
由于通信延迟，在前车状态发生改变后，后车经过延迟才做出相应的改变，
考虑的网络环境为5G通信，非5G情况下也可使用，仅通信时延不同，但要求整个车队处于同一种网络环境，所以后车在同时满足三条规则进行匀速行驶时的距离为停车距离加通信延迟阶段匀速行驶的距离，借鉴最小行车安全距离数学模型框架，可以得出以下关系式：
(1)
式中，为车辆停止后，与前方车辆之间的安全距离，取2m；/>为前车的速度，也是两车匀速时的速度，km/h；T为通信延迟时间，理想情况下，5G通信时延一般取0.001s；D为两车之间的实际距离，m；/>为前车的制动距离，m；/>为后车的制动距离，m。
(1)两车间距较小
a.后车车速大于前车
由于前车匀速运动，故当后车先经过延迟阶段匀速后减速到与前车速度相等，且刚好保持的距离时两车行驶时间相等，则可实现三条规则。于是有：
(2)
(3)
(4)
根据式(1)(2)(3)，可得到以下关系式：
(5)
(6)
式中，为后车的初始速度，/>；/>为后车加速度，/>；/>为后车减速时间，；/>为第一种情况两车之间的实际距离，m。
取加速度，当/>时，由于/>，所以此种情况忽略；当两车距离大于/>为加速度为0.5/>时两车的间距时，后车在减至前车速度时两车间距大于/>不能满足尽量靠近原则，将此归为两车间距较大，后车车速大于前车的行车情况，所以当/>，为两车间距较小时的第一种情况，此时后车经过延迟匀速后直接减速；则/>时，
(7)
b.后车车速小于等于前车
当后车速度小于等于前车时，此时车辆不仅不会发生碰撞，两车间距还会越来越大，此种情况较为特殊，所以将此种情况归为两车间距较大，后车车速小于等于前车的行车情况。
(2)两车间距较大
在满足规则的前提下，同时为了提高行车效率，后车需要追赶一段路程，再进行减速，所以后车在行驶过程中将经历延迟阶段、匀速阶段、加速阶段、减速阶段，由于加速阶段直接变为减速阶段在主观上舒适性可能比较差，所以在加速阶段加至一定的值时进行匀速再进入减速阶段加以缓和(下文将会进行验证）此时前车匀速行驶。于是有：
(8)/>
(9)
(10)
(11)
根据式(1)，可得到以下关系式：
(12)
(13)
当
(14)
(15)
式中，分别为后车加速时间、匀速时间以及减速时间，/>；/>为后车匀速阶段的速度，/>；/>分别为后车在加速阶段以及减速阶段的加速度，/>；
a.后车车速大于前车
为了使后车在任何加减速方案(即可以任意组合)下都有匀速阶段，/>取所有加减速方案中的最小值，当/>时，/>可以取到最小值，即（/>为/>时，所求得的匀速阶段速度，其中右上标括号内左边的数值为加速阶段的加速度/>，右边的数值为减速阶段的加速度/>）。由于在快速路上，车辆限速为77km/h，所以两车距离小于/>所对应间距(/>（/>为/>时，所求得的两车之间的实际距离），又因/>不符合考虑场景，所以/>时，为两车间距较大时后车车速大于前车的第一种情况，后车以最小/>匀速，即后车经过通信延迟匀速阶段后，加速至/>，然后进行匀速，最后再在/>的距离时刚好减至与前车速度一致；
两车间距较大时后车车速大于前车的第二种情况为以匀速，即后车经过通信延迟匀速阶段后，加速至77km/h，然后进行匀速，最后再在/>的距离时刚好减至与前车速度一致。于是此种情况为第一种情况的特殊情况，此时/>，。
b.后车速度小于等于前车
当后车速度小于等于前车时，此时车辆不会发生碰撞且两车距离越来越远，所以若要满足三条规则，后车需要以大于前车的速度进行追赶后，再进行匀速行驶，最后再在的距离时刚好减至与前车速度一致，此种情况与后车车速大于前车车速中的第一种情况一致，仅/>及/>取值有所不同。此时在所有加减速方案中，仅在/>或/>中可以取到最小值，所以最小/>为两种方案中的最小值，即/>。当/>时，为了保证安全/>取两种方案中的最大值，即/>。所以/>，即时，为第一种情况，此时以最小/>匀速。
当时，由于/>，所以此种情况不做考虑；又因两车间距大于/>时，所以此种情况下的最小/>均大于等于77/>，超出限速范围，于是此为第二种情况为以/>匀速，即后车经过通信延迟匀速阶段后，加速至77km/h，然后进行匀速，最后再在/>的距离时刚好减至与前车速度一致。同时结合第一种情况，可以得出第二种情况：
时，/>
综上，可得以下框架图：
舒适度与行车时间的平衡方法
行车舒适性是指汽车在一般行驶速度范围内行驶时，能保证乘员不会因为车身振动而引起不舒适和疲劳的感觉，又称乘坐舒适性。在后车进行跟驰至稳定状态时，大致需要经历通信延迟匀速阶段，加速阶段，匀速阶段，减速阶段等几个过程，车辆在加速过程中，若纵向加速度过大，则会产生推背感，引起极度不适；在减速过程中，若纵向加速度过大，则身体会猛然前倾，同样会引起极度不适，所以若想获得舒适的体验，纵向加速度要尽量小一些。
然而，纵向加速度过小的话，行车时间会变长，行车效率降低。舒适性与行车时间存在对立关系，所以，在安全的前提下，需要找到平衡去同时兼顾舒适性与行车时间。
单轴向加权加速度均方根值
ISO2631标准规定，可用加权加速度均方根值法来评价汽车的舒适性。加权加速度均方根值法以频率加权函数对竖向水平向加速度进行加权，再计算总加速度加权均方根值。由于仅考虑轴向加速度，所以采用单轴向加权加速度均方根值来进行评价。舒适性指标为：
(16)
(17)
式中，为舒适度指标，/>；/>为加速度统计总量；/>为统计获取的第/>个加速度值，/>；/>为统计时间，s；/>为统计时间间隔，取0.2s。下表1为舒适性等级：
表1舒适性等级
所涉及的变速运动均为匀变速运动，即加速阶段与减速阶段的加速度都不变，所以加速度的统计分为三个部分(通信延迟忽略不计)：加速、匀速(匀速阶段等于0)、减速；。于是有：
（18）
式中，为后车加速、匀速、减速阶段的行驶总时间，s。
舒适度与行车时间平衡方法
式(12)中，，/>和/>皆可获得，根据前后车速度大小关系以及实际距离可以确定后车以哪种方式行驶，也可确定/>。然后根据EXCEL表格计算出所有加减速方案(即的任意组合)的行车时间以及舒适度，得出不同加减速方案下的行车时间与舒适度关系的散点图，最终拟合相应的公式。以/>为例，/>，/>，/>则后车经过通信延迟匀速阶段后，加速至77km/h，然后进行匀速，最后再在/>的距离时刚好减至与前车速度一致。计算所有加减速方案得出图3以及拟合曲线。
图中一个点代表一组加减速方案下的行车时间以及舒适度，从图中可以看出，拟合曲线斜率为零之后的点较前面略显稀疏，且虽比较舒适，但行车时间较长，不能同时兼顾舒适度及行车效率；而拟合曲线斜率最大值与斜率为零中间地方的点可以满足要求，由于并不是曲线上的点都存在，所以可以取平均斜率所对应的行车时间上下0.05s范围内，舒适度和行车时间均相比较较小的某个点作为后车行驶的加减速方案。经过大量的数值计算、分析及验证，根据此种方法得出的加减速方案可以同时兼顾舒适性与行车时间，因此，此种方法可行。另外，乘客若对舒适度或行车时间有别的需求，则可通过交互接口直接对加减速进行个性化设定：若想要更好的舒适度，则可将加减速设定偏小一点；若想要更短的行车时间，则可将加减速设定偏大一点，以此来达到个性化调整。
加减速方案计算
拟合曲线形式为:
(19)
(20)
斜率绝对值为最大斜率最小时：
(21)
平均斜率：
(22)
则所对应的行车时间为：
(23)
式中，e，f，g均为常数。
对范围的点进行筛选，选取舒适度和行车时间均相比较较小的点。选取，以最小/>匀速行驶情况进行计算，得出以下数据：
以为例，根据不同的车间距计算出最佳加减速方案，如下表：
表2时，不同车间距的推荐加减速方案
由表2可以看出，最佳加减速方案与两车间距无关，并且由与/>所计算出的行车时间与舒适度差距不大，所以当时，推荐的最佳加减速方案为：/>。
由此可以得出速度差为1m/s的最佳加减速方案：
表3速度差为1m/s的推荐加减速方案
根据表3可以得出：速度差为1m/s时，推荐的最佳加减速方案为：。
由此可以得出不同速度差的最佳加减速方案：
表4不同速度差的推荐加减速方案
根据表4可以得出：，以最小/>匀速行驶时，此种情况推荐的最佳加减速方案为：/>。
由此可以得出四种情况的最佳加减速方案：
表5四种情况的推荐加减速方案
根据表5可以得出：四种情况推荐的最佳加减速方案均为：。
后车跟驰模型构建
由上可知，后车行驶过程大致分为两大类别，第一类经过通信延迟后直接减速，可以直接算出加速度，车辆在通信延迟之后直接根据相应的加速度减速即可；第二类通信延迟之后开始加速至，然后开始匀速，最后再在/>的距离时刚好减速至与前车速度一致，共有四个阶段。在EXCEL数值计算中，以初始两车间隔/>开始，每隔/>或状态发生变化时，根据此刻状态计算当前车辆的速度，位置(以前车的初始位置为参照，则前车的初始位置为0，后车的初始位置为-D)，根据颗粒粗细/>取1m，此时1m所对应的时间为0.05s。于是有：
(1)延迟阶段：
前后车速度不变，保持匀速
(24)
(25)
式中，分别表示前车与后车的位置，m，此时状态发生改变计算一次位置，所以/>；
加速阶段：
前车速度不变，保持匀速；后车在位置为/>时开始加速；两车在某个间距间隔的距离等于原始距离加上前车的制动距离减去后车的制动距离：
(26)
(27)
(28)
(29)
所以，两车间距为时，后车的速度为：
(30)
(31)
(32)
当后车加速至时，车辆开始匀速，此时两车间距为：
(33)
式中，为两车在某个间距间隔的距离，m，由于在延迟阶段计算过一次，所以下标为/>；/>分别为前车，后车在加速阶段的制动距离，m；/>为两车在某个间距间隔的速度，km/h；/>为车辆加速完毕开始匀速时刻两车的间距，m；
匀速阶段：
前车速度不变，保持匀速；后车速度为/>，开始匀速；此时车辆在某个间隔行驶的时间为：
(34)
由此可以算出两车的位置：
(35)
(36)
式中，为某个间隔两车行驶的时间，s，由于在延迟阶段，加速阶段各计算过一次，所以下标为/>
减速阶段：
前车速度不变，保持匀速；后车初始速度为/>；后车开始减速时，两车间距等于后车制动距离加上/>减去前车制动距离：
(37)
所以，两车间距为时，后车的速度为:
(38)
(39)
(40)
式中，为车辆结束匀速开始减速时两车的间距，s。
综上，结合推荐加速度方案，可以得出后车跟驰模型：
a)两车间距较小，后车车速大于前车
b)两车间距较大
在行驶中，加速时加速度或速度可能会有波动情况，若要在减速阶段加速度不变的情况下保持安全行驶，则此时的速度应满足以下关系式：
且/>
由于匀速时的速度采用的是最小速度，即：当或所计算出来的最小速度，而根据此时的实际加速度计算出来的速度刚好可以保证车辆行驶安全但前提是速度不超过77/>，此时的车辆运动状态为：车辆经过通信延迟阶段后开始加速，加速至/>后直接减速至/>。如：，/>，此时以行驶，车辆可安全行驶且有匀速阶段，此时/>；若速度加至/>=67.18/>，则车辆刚好可以安全行驶但没有匀速阶段。此时/>，也恰好验证了前面的车辆先加速再匀速最后减速的舒适性比先加速再直接减速的舒适性要好。
本发明的方法为形成较小间距、速度一致的自动驾驶车队，将速度一致、避免碰撞、尽量靠近三条原则作为智能网联汽车的交互规则，借鉴安全距离类模型的形式，结合车辆运动学，达到所构建的模型可以在安全的前提下使得后车以较小的间距、一致的速度进行稳定跟驰的效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种智能网联环境下基于规则的车队跟驰模型方法，其特征在于，包括：
构建基于规则的网联车队框架模型；
采用二分之一斜率法对舒适度与行车时间加以平衡，计算出最佳加减速方案；
基于框架模型以及加减速方案构建基于规则的车队跟驰模型；
所述构建基于规则的网联车队框架模型包括两车间距较小时构建模型和两车间距较大时构建模型；
网络环境为5G通信，非5G情况下也可使用，仅通信时延不同，但整个车队处于同一种网络环境，后车在同时满足速度一致、避免碰撞、尽量靠近三条规则进行匀速行驶时的距离为停车距离加通信延迟阶段匀速行驶的距离，借鉴最小行车安全距离数学模型框架，可以得出以下关系式：
（1）
式中，为车辆停止后，与前方车辆之间的安全距离，取2m；/>为前车的速度，也是两车匀速时的速度，km/h；T为通信延迟时间，理想情况下，5G通信时延一般取0.001s；D为两车之间的实际距离，m；/>为前车的制动距离，m；/>为后车的制动距离，m；
两车间距较小时构建模型
后车车速大于前车
由于前车匀速运动，故当后车先经过延迟阶段匀速后减速到与前车速度相等，且刚好保持的距离时两车行驶时间相等，则可实现速度一致、避免碰撞、尽量靠近三条规则；于是有：
(2)
(3)
(4)
根据式(1)(2)(3)，可得到以下关系式：
(5)
(6)
式中，为后车的初始速度，/>；/>为后车加速度，/>；/>为后车减速时间，/>；/>为第一种情况两车之间的实际距离，m；
取加速度，当/>时，由于/>，所以此种情况忽略；当两车距离大于/>为加速度为0.5/>时两车的间距时，后车在减至前车速度时两车间距大于/>不能满足尽量靠近原则，将此归为两车间距较大，后车车速大于前车的行车情况，所以当/>，为两车间距较小时的第一种情况，此时后车经过延迟匀速后直接减速；则/>时，
(7)
后车车速小于等于前车
当后车速度小于等于前车时，此时车辆不仅不会发生碰撞，两车间距还会越来越大，此种情况较为特殊，所以将此种情况归为两车间距较大，后车车速小于等于前车的行车情况；
两车间距较大时构建模型
在满足规则的前提下，有：
(8)
(9)
(10)
(11)
根据式(1)，可得到以下关系式：
(12)
(13)
当，
(14)
(15)
式中，分别为后车加速时间、匀速时间以及减速时间，/>；/>为后车匀速阶段的速度，/>；/>分别为后车在加速阶段以及减速阶段的加速度，/>；
后车车速大于前车
为了使后车在任何加减速方案下都有匀速阶段，取所有加减速方案中的最小值，当时，/>可以取到最小值，即/>，/>为/>时，所求得的匀速阶段速度，其中右上标括号内左边的数值为加速阶段的加速度/>，右边的数值为减速阶段的加速度/>；由于在快速路上，车辆限速为77km/h，所以两车距离小于所对应间距，又因/>不符合考虑场景，所以时，为两车间距较大时后车车速大于前车的第一种情况，后车以最小/>匀速，即后车经过通信延迟匀速阶段后，加速至/>，然后进行匀速，最后再在/>的距离时刚好减至与前车速度一致；
两车间距较大时后车车速大于前车的第二种情况为以匀速，即后车经过通信延迟匀速阶段后，加速至77km/h，然后进行匀速，最后再在/>的距离时刚好减至与前车速度一致；于是此种情况为第一种情况的特殊情况，此时/>，；
后车速度小于等于前车
当后车速度小于等于前车时，此时车辆不会发生碰撞且两车距离越来越远，所以若要满足三条规则，后车需要以大于前车的速度进行追赶后，再进行匀速行驶，最后再在的距离时刚好减至与前车速度一致，此种情况与后车车速大于前车车速中的第一种情况一致，仅/>及/>取值有所不同；此时在所有加减速方案中，仅在/>或/>中可以取到最小值，所以最小/>为两种方案中的最小值，即/>；当/>时，为了保证安全/>取两种方案中的最大值，即/>；所以/>，即时，为第一种情况，此时以最小/>匀速；
当时，由于/>，所以此种情况不做考虑；又因两车间距大于/>时，所以此种情况下的最小/>均大于等于77，超出限速范围，于是此为第二种情况为以/>匀速，即后车经过通信延迟匀速阶段后，加速至77km/h，然后进行匀速，最后再在/>的距离时刚好减至与前车速度一致；同时结合第一种情况，可以得出第二种情况：
时，/>。
2.根据权利要求1所述的智能网联环境下基于规则的车队跟驰模型方法，其特征在于，所述采用二分之一斜率法对舒适度与行车时间加以平衡，计算出最佳加减速方案包括：
单轴向加权加速度均方根值
采用单轴向加权加速度均方根值来进行评价，舒适性指标为：
(16)
(17)
式中，为舒适度指标，/>；/>为加速度统计总量；/>为统计获取的第/>个加速度值，；/>为统计时间，s；/>为统计时间间隔，取0.2s；加速度的统计分为三个部分：加速、匀速、减速；/>；于是有：
（18）
式中，为后车加速、匀速、减速阶段的行驶总时间，s；
舒适度与行车时间平衡方法
式(12)中，，/>和/>皆可获得，根据前后车速度大小关系以及实际距离可以确定后车以哪种方式行驶，也可确定/>；然后根据EXCEL表格计算出所有加减速方案的行车时间以及舒适度，得出不同加减速方案下的行车时间与舒适度关系的散点图，最终拟合相应的公式；
以为例，/>，/>，/>则后车经过通信延迟匀速阶段后，加速至77km/h，然后进行匀速，最后再在/>的距离时刚好减至与前车速度一致；
加减速方案计算
拟合曲线形式为:
(19)
(20)
斜率绝对值为最大斜率最小时：
(21)
平均斜率：
(22)
则所对应的行车时间为：
(23)
式中，e，f，g均为常数；
对范围的点进行筛选，选取舒适度和行车时间均相比较较小的点。
3.根据权利要求1所述的智能网联环境下基于规则的车队跟驰模型方法，其特征在于，所述基于框架模型以及加减速方案构建基于规则的车队跟驰模型包括：
后车行驶过程大致分为两大类别，第一类经过通信延迟后直接减速，可以直接算出加速度，车辆在通信延迟之后直接根据相应的加速度减速即可；第二类通信延迟之后开始加速至，然后开始匀速，最后再在/>的距离时刚好减速至与前车速度一致，共有四个阶段；在EXCEL数值计算中，以初始两车间隔/>开始，每隔/>或状态发生变化时，根据此刻状态计算当前车辆的速度，位置，根据颗粒粗细/>取1m，此时1m所对应的时间为0.05s；于是有：
延迟阶段：
前后车速度不变，保持匀速
(24)
(25)
式中，分别表示前车与后车的位置，m，此时状态发生改变计算一次位置，所以；
加速阶段：
前车速度不变，保持匀速；后车在位置为/>时开始加速；两车在某个间距间隔的距离等于原始距离加上前车的制动距离减去后车的制动距离：
(26)
(27)
(28)
(29)
所以，两车间距为时，后车的速度为：
(30)
(31)
(32)
当后车加速至时，车辆开始匀速，此时两车间距为：
(33)
式中，为两车在某个间距间隔的距离，m，由于在延迟阶段计算过一次，所以下标为；/>分别为前车，后车在加速阶段的制动距离，m；/>为两车在某个间距间隔的速度，km/h；/>为车辆加速完毕开始匀速时刻两车的间距，m；
匀速阶段：
前车速度不变，保持匀速；后车速度为/>，开始匀速；此时车辆在某个间隔行驶的时间为：
(34)
由此可以算出两车的位置：
(35)
(36)
式中，为某个间隔两车行驶的时间，s，由于在延迟阶段，加速阶段各计算过一次，所以下标为/>；
减速阶段：
前车速度不变，保持匀速；后车初始速度为/>；后车开始减速时，两车间距等于后车制动距离加上/>减去前车制动距离：
(37)
所以，两车间距为时，后车的速度为:
(38)
(39)
(40)
式中，为车辆结束匀速开始减速时两车的间距，s；
综上，结合推荐加速度方案，可以得出后车跟驰模型：
两车间距较小，后车车速大于前车
；
两车间距较大
；
在行驶中，加速时加速度或速度会有波动情况，若要在减速阶段加速度不变的情况下保持安全行驶，则此时的速度应满足以下关系式：
且/>。
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| CN202210218865.XA CN114516328B (zh) | 2022-03-08 | 2022-03-08 | 一种智能网联环境下基于规则的车队跟驰模型方法 |
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|---|---|---|---|
| CN202210218865.XA CN114516328B (zh) | 2022-03-08 | 2022-03-08 | 一种智能网联环境下基于规则的车队跟驰模型方法 |
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| CN114516328A CN114516328A (zh) | 2022-05-20 |
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Family
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| 王威.考虑多车间距的跟驰模型及混合交通流的数值模拟.华东交通大学学报.2018,第35卷(第6期),第72-80页. * |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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