CN115798186A - 面向高速公路的可拓展式车辆队列行为管理框架 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种面向高速公路的可拓展式车辆队列行为管理框架，该框架从队列行为和车辆角色两个维度对队列管理策略进行解耦，并将队列行为和车辆角色的选择与队列管理策略具体的执行分隔开，如需添加新的队列功能，可以在行为选择状态机中补充该行为，而不需要修改已有的行为管理策略；加入故障‑降级机制，在队列车辆的硬件发生故障时，行为选择状态机会进入到容错行为，向L2级的驾驶辅助功能降级，执行故障‑降级策略。
Description
技术领域
本申请涉及智能网联汽车协同控制技术领域，特别涉及一种面向高速公路的可拓展式车辆队列行为管理框架。
背景技术
从20世纪80年代，美国PATH项目首次开展对于车辆队列的研究以来，对于车辆队列的研究受到国内外研究者的广泛关注，车辆队列是指由驾驶员驾驶的头车以及由智能系统自动驾驶的跟随车所组成的复杂系统，现有研究从理论上证明了队列对于通行能力、安全性和能耗的改善。
随着车辆辅助驾驶技术和通信技术的不断成熟，为车辆队列的实际应用提供了基本条件，通过车路云协同一体化控制系统还可以为车辆队列控制引入更多可利用的信息。高速公路是车辆队列实际应用的典型场景。现有技术对于单一车辆的纵横向控制、车辆队列稳定行驶控制的研究已经较为成熟，现有技术也会关注单一队列行为的管理策略并探究不同的策略对于交通效率和能耗的影响。然而现有技术方案较少考虑队列行为管理策略的可拓展性。
发明内容
本申请提供一种面向高速公路的可拓展式车辆队列行为管理框架，以解决实际应用中队列行为管理策略可拓展性差的问题。
本申请实施例提供一种面向高速公路的可拓展式车辆队列行为管理框架，包括：在队列管理中，从队列行为和车辆角色两个维度对队列管理策略进行解耦，并将所述队列行为和所述车辆角色的选择与队列管理策略的执行分隔开；通过加入故障-降级机制，在队列车辆的硬件发生故障时，触发队列的容错行为，作为驾驶员接管前的安全过渡。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述队列行为包括：常规行为、紧急行为和容错行为；所述车辆角色包括：头车、跟随车和自由车；所述队列行为管理框架为n行3列的二维框架，行维度为n种队列行为，其中，n的数值随着队列行为的拓展而增加，列维度是三种车辆角色。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述队列行为管理框架包括行为选择状态机和角色选择状态机，所述选择状态机和所述角色选择状态机结合传感器信息、云端信息和车间通讯信息选择所述队列行为和所述车辆角色；并在确定队列行为和车辆角色后，从n行和3列中选定唯一对应的队列管理策略，每种队列管理策略由消息收发、更新队列信息、等待特定事件、控制代理选择和切换车辆角色排序得到，队列管理策略通过调用控制层的纵向控制代理和横向控制代理生成控制命令；在需要实现新的队列功能时，通过在所述行为选择状态机中补充该队列功能，并添加三种角色下该队列功能的管理策略。
可选地，在本申请的一个实施例中，通过加入所述故障-降级机制，在队列车辆的硬件发生故障时，所述行为选择状态机进入到容错行为，向L2级的驾驶辅助功能降级，执行故障-降级策略，在发生故障到驾驶员接管的时间内，降级的控制代理作为有效的安全过渡。
本申请实施例的面向高速公路的可拓展式车辆队列行为管理框架，利用分层式的队列控制系统架构，提出一种面向高速公路的可拓展式车辆队列行为管理框架，从队列行为和车辆角色两个维度对队列管理策略进行解耦，并将队列行为和车辆角色的选择与队列管理策略具体的执行分隔开；加入故障-降级机制，在队列车辆的硬件发生故障时，触发队列的容错行为，作为驾驶员接管前的安全过渡，可以应对实际应用中队列行为管理策略可拓展性差的问题。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本申请实施例提供的一种可拓展式队列控制系统示意图；
图2为根据本申请实施例提供的一种面向高速公路的可拓展式车辆队列行为管理框架结构示意图；
图3为根据本申请实施例提供的一种尾部入队行为示意图；
图4为根据本申请实施例提供的一种头部AEB行为示意图；
图5为根据本申请实施例提供的一种角色选择状态机；
图6为根据本申请实施例提供的一种行为选择状态机。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
如图1和图2所示，展示了本申请的实施例所提出的可拓展式分层队列控制系统及行为管理层的具体结构。
本申请的面向高速公路的可拓展式车辆队列行为管理框架在队列管理中，从队列行为和车辆角色两个维度对队列管理策略进行解耦，并将队列行为和车辆角色的选择与队列管理策略的执行分隔开；通过加入故障-降级机制，在队列车辆的硬件发生故障时，触发队列的容错行为，作为驾驶员接管前的安全过渡。
通过加入故障-降级机制，在队列车辆的硬件发生故障时，行为选择状态机进入到容错行为，向L2级的驾驶辅助功能降级，执行故障-降级策略，在发生故障到驾驶员接管的时间内，降级的控制代理作为有效的安全过渡。
如图1所示，详细展示了本申请实施例的分层式队列控制系统架构，队列行为管理系统框架依托分层式的队列控制系统架构，可以利用已有的驾驶辅助技术开发队列系统，所采用的分层式队列控制系统架构，从上至下依次是云控决策层，通讯层，队列管理层，控制层以及物理层。
队列控制系统由云平台支持，称为云控决策层，该层可以通过队列车辆和路边基础设施上的传感器感知特定区域周围的交通信息，云控决策层还可以接收车辆的加入或离开请求，并决定队列车辆是否以及何时应该加入或离开，利用无线通信发送控制信息。通信层处理来自三个来源的信息：从云层接收的消息、来自其他队列车辆的车车通讯消息以及来自车载传感器的信息实现，并在V2V通信范围内发送或接收必要的消息。队列管理层就是所提出的行为管理框架，包含队列行为选择和车辆角色确定的逻辑，并执行相应的行为管理策略。在管理策略执行过程中，会选择需要使用的控制器，并将控制器设置信息发送给控制层。此外，该层考虑了容错机制，当检测到硬件故障时，执行相应的管理策略。控制层中的纵横向控制代理均使用L2级(SAE Level2)驾驶辅助技术，负责计算期望速度和横向轨迹。物理层的主要作用是根据车辆执行机构的特点执行控制层输出的纵横向控制命令，以上四层在队列控制系统中是完全相同的，但是物理层的特性由车辆动力学决定，因此每辆车会有不同的物理层。
可选地，云控决策层还进一步用于接收车辆的加入或离开请求信息，决定队列车辆是否以及何时应该加入或离开，并利用无线通信发送控制信息。
在本申请的实施例中，队列行为包括常规行为、紧急行为和容错行为，其中，常规行为包括入队行为和离队行为，紧急行为包括受到非队列车辆干扰下的队列行为，容错行为包括队列硬件故障时的队列行为；车辆角色包括头车、跟随车和自由车辆，其中，头车为队列中有人驾驶的领航车，跟随车为队列中的无人驾驶车辆，自由车辆为与队列车辆通讯的非队列车辆。
可以理解的是，队列行为管理系统框架从行为和车辆角色两个维度对队列管理策略进行解耦。队列行为可分为三类：常规行为、紧急行为以及容错行为。其中常规行为包括入队、离队等无干扰下的队列行为，紧急行为是指受到非队列车辆干扰下的队列行为，容错行为是指队列中传感器和通讯设备发生故障时的队列行为。车辆角色包括头车、跟随车及自由车辆，其中头车是指人类驾驶员驾驶的领航车辆，跟随车是已经成为队列车辆的车，自由车辆是指可以和队列车辆通讯但暂时没有成为队列车辆的车。
如图2所示，其中纵向为高速公路典型队列行为，横向为队列中的车辆角色。将队列行为管理框架划分为n行3列的二维框架，行维度是n种队列行为，其中n的数值会随着队列行为的拓展而增加，列维度是3种车辆角色。队列行为管理框架中含有行为选择状态机以及角色选择状态机，会结合传感器信息、云端信息和车间通讯信息选择队列行为和车辆角色。确定队列行为和车辆角色以后，会从n行和3列中选定唯一对应的队列管理策略，每种队列管理策略是由消息收发、更新队列信息、等待特定事件、控制代理选择和切换车辆角色等元指令排序得到。队列管理策略会调用控制层的纵向控制代理和横向控制代理进一步生成具体的控制命令。如果需要实现新的队列功能，可以在行为选择状态机中补充该行为，并添加三种角色下该行为的管理策略。
可选地，控制层中的纵横向控制器均采用L2级(SAE Level2)驾驶辅助技术中已经成熟的控制器。
图3展示了尾部入队行为示意图，待入队的自由车辆接收到云端入队信息后，调整到队列所在的车道后，加速缩小和前车的车间距，当间距达到期望值后，自由车辆停止加速，并向队列头车发送入队完成信号；队列头车接收到信号后，会更新队列长度等相关信息，更新完成后将消息下发给自由车，自由车变成跟随车，至此尾部入队行为完成。
图4展示了头部AEB行为示意图，当有非队列车辆紧急换道到队列头车的前方，头车与非队列车辆距离很近，且碰撞时间小于给定的阈值，会触发头车的AutonomousEmergency Braking(AEB)，队列跟随车会收到头车的AEB信息，同时进行紧急制动，直到危险解除，之后头车后方车辆会向云端发送入队请求，云端会依次安排其入队。
队列控制系统中含有角色选择状态机如图5所示，经过特定行为后，车辆会从一种角色切换到另外一种角色。所有可通讯车辆开始时都是自由车，初始化后头车被选定并一直保持是头车，除非其离队或者整个队列从尾部加入一个已有队列。自由车通过入队行为可以变成跟随车，跟随车通过紧急制动、离队或者硬件故障行为均会返回到自由车。此外，跟随车通过队列拆分行为可以变成头车。
行为选择状态机如图6所示，控制系统会结合传感器信息、云端信息和通讯信息选择车辆行为。当接收到云端入队或者离队信息后，根据云端所发送的入队或者离队位置，判断是中部还是尾部行为；当传感器检测到前方障碍车时，会根据碰撞时间进行判断，当碰撞时间小于给定阈值会判断为紧急制动行为，否则为他车切入行为。当检测到硬件发生故障时，会进入到硬件故障行为。除了硬件故障行为外，其他行为管理策略执行完成后，车辆均会返回到稳定行驶状态。
可选地，本申请的实施例在队列管理层中加入故障-降级策略，能够在人类驾驶员接管前保证安全行驶。故障-降级策略包括：在通讯设备发生故障时，故障车仅利用毫米波雷达信息控制车辆，队列中的其他车辆对检测到发生故障的车辆信息进行广播；在毫米波雷达发生故障时，故障车仅利用车间通讯和预设期望速度控制车辆，并广播自车故障信息。
可以理解的是，如果是通讯设备发生故障，故障车通过车间通讯获取的队列头车和队列前车信息不再准确，向仅利用毫米波雷达信息的控制代理降级，同时此时故障车无法向周围车辆广播自己的故障信息，需要队列中的其他车检测到发生故障的车辆并进行广播。如果是毫米波雷达发生故障，故障车通过毫米波雷达获得的车间距和相对速度不再准确，需要向仅利用车间通讯和预设期望速度的控制代理降级，并广播自车故障信息。在发生故障到驾驶员接管的时间内，降级的控制代理会作为有效的安全过渡。
具体地，在车载传感器或者通讯设备发生硬件故障时，队列控制系统在检测到故障发生后会通过人机交互的方式立即通知驾驶员进行接管，并利用车间通讯向队列车辆广播故障消息，在驾驶员开始接管之前，故障车根据发生故障的硬件排除不可靠的信息，使用可靠信息来进行控制。行为选择状态机会进入到容错行为，执行故障-降级策略。本申请的实施例根据不用的故障类型，确定不同的降级策略，如果是通讯设备发生故障，故障车采用降级的Adaptive Cruise Control(ACC)控制代理；如果是毫米波雷达发生故障，故障车采用采用降级的Cruise Control(CC)控制代理。除故障车进行降级处理以外，故障车之后的队列车辆也会采用降级的ACC控制代理，目的是增大与前车的距离，尽可能保障行驶安全，直到驾驶员接管。
根据本申请实施例提出的面向高速公路的可拓展式车辆队列行为管理系统，利用分层式的队列控制系统架构，提出一种面向高速公路的可拓展式车辆队列行为管理框架，从队列行为和车辆角色两个维度对队列管理策略进行解耦，并将队列行为和车辆角色的选择与队列管理策略具体的执行分隔开；加入故障-降级机制，在队列车辆的硬件发生故障时，触发队列的容错行为，作为驾驶员接管前的安全过渡，可以应对实际应用中队列行为管理策略可拓展性差的问题。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
Claims (4)
1.一种面向高速公路的可拓展式车辆队列行为管理框架，其特征在于，包括：
在队列管理中，从队列行为和车辆角色两个维度对队列管理策略进行解耦，并将所述队列行为和所述车辆角色的选择与队列管理策略的执行分隔开；通过加入故障-降级机制，在队列车辆的硬件发生故障时，触发队列的容错行为，作为驾驶员接管前的安全过渡。
2.根据权利要求1所述的框架，其特征在于，
所述队列行为包括：常规行为、紧急行为和容错行为；
所述车辆角色包括：头车、跟随车和自由车；
所述队列行为管理框架为n行3列的二维框架，行维度为n种队列行为，其中，n的数值随着队列行为的拓展而增加，列维度是三种车辆角色。
3.根据权利要求2所述的框架，其特征在于，
所述队列行为管理框架包括行为选择状态机和角色选择状态机，所述选择状态机和所述角色选择状态机结合传感器信息、云端信息和车间通讯信息选择所述队列行为和所述车辆角色；并在确定队列行为和车辆角色后，从n行和3列中选定唯一对应的队列管理策略，每种队列管理策略由消息收发、更新队列信息、等待特定事件、控制代理选择和切换车辆角色排序得到，队列管理策略通过调用控制层的纵向控制代理和横向控制代理生成控制命令；在需要实现新的队列功能时，通过在所述行为选择状态机中补充该队列功能，并添加三种角色下该队列功能的管理策略。
4.根据权利要求3所述的框架，其特征在于，
通过加入所述故障-降级机制，在队列车辆的硬件发生故障时，所述行为选择状态机进入到容错行为，向L2级的驾驶辅助功能降级，执行故障-降级策略，在发生故障到驾驶员接管的时间内，降级的控制代理作为有效的安全过渡。
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