CN1876461A - 车辆跟驰驾驶的速度差－间距控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于车辆工程技术领域的车辆跟驰驾驶的速度差－间距控制方法。具体步骤如下：(1)交通情形设定；(2)选取参数值；(3)获取所有车辆的初始状态，(4)考察t＞0时车辆队列的运动状态，所述的加速度控制方法，其运动方程：a_n(t)＝k[V(Δx_n(t))－v_n]+λΘ(Δv)Δv(1+tanh(C₁(Δx_n(t)－l_c)－C₂))³+λΘ(－Δv)Δv(1－tanh(C₁(Δx_n(t)－l_c)－C₂))³，其中：n＝1，…，N；V(x)为优化速度函数；λ为正常数，表示驾驶员为适应当前交通状况而进行的调节系数。k为驾驶员敏感系数，l_c为车辆的平均长度，本发明设定l_c为5m，k＝0.85s^－1，V₁＝6.75m/s，V₂＝7.91m/s，C₁＝0.13m^－1，和C₂＝1.57。本发明避免运动过程中出现车速度为负(车辆碰撞)的现象，因此在取到符合实际的车辆延迟时间和启动波速值同时不会出现车速为负的现象。

Description

车辆跟驰驾驶的速度差-间距控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种自动化控制技术领域的方法，具体是一种车辆跟驰驾驶的速度差-间距控制方法，可广泛应用于单车道车辆模拟运行、无人车辆的自主驾驶等领域。

背景技术

一直以来，车辆跟驰行驶与模拟实现的研究就是以研究车辆队列中个体车辆的驾驶行为为主的。通常，当一个驾驶员发现其相邻前车比他快时，总是希望加快自己的速度，并且两车间的距离越大，对加速度(或减速度)的调整越大；反之当驾驶员发现其前车速度比他慢时，会减慢速度以避免碰撞，这时，两车间的距离越小，对加速度(或减速度)的调整越大。假定属性一致的车辆在一条封闭且足够长的单行车道上列队行驶，相互间不能超车，传统的车辆跟驰理论认为：每个驾驶员以某种方式对来自于其前方车辆的刺激进行反应，这种反应往往被描述成车辆加速度的形式；其他的，如前方车辆的刺激等，则被描述为是两车间的速度差，或车头间距(车辆队列中相邻两车头之间的距离)等变量的函数。通常，这种后车跟随前车的运动由一个描述后车加速度变化的运动方程来决定。

1995年M.Bando等提出“交通拥塞动态模型及数值仿真”，作为描述车辆跟驰运动的一个有效方法，优化速度车辆跟驰模型OVM，用在t时刻车辆的实际速度与其优化速度之间的差来控制其在t+τ时刻的加速度变化(τ为驾驶员反应时间)，该方法不仅表达的形式简单，易于理解和处理，而且也融合了传统跟驰模型的优点。应用该模型可以模拟实际交通流的许多定性特征，如交通失稳、堵塞演化、走走停停等。1998年，Helbing和Tilch使用实测数据对优化速度模型进行了辨识，得到了符合实际的系统参数。然而在某些模拟结果中出现了过高的加速度和不切实际的减速度等现象。为解决OVM中存在的问题，他们提出了一种广义力模型(Generalized force model)，该模型认为，当引导车速度比跟驰车速度低时，在OVM的方程中需要介入一向速度差影响。经过对该模型参数辨识，结果显示该模型克服了OV模型加速度过大问题。模拟的结果显示GF模型结果比OV模型结果更为符合实测数据。Bando等人指出，实际观测到的车辆运动延迟时间在1秒左右，DEL Castillo和Benitez指出车辆启动波速的范围为17-23公里/小时，在实际的测量中发现GF模型在预测这两个参数方面是失败的。

经对现有技术文献的检索发现，我国学者姜锐提出了一种全速度差控制模型(Full velocity difference model)，该模型既保留了GF模型的优点，而且非常合理地预测了车辆延迟时间和车辆启动波速两个系统参数(Rui Jiang，Qingsong Wu，and Zuojin Zhu，Full velocity difference model for acar-following theory(全速度差车辆跟驰模型)，Physical Review E，2001，64：017101)。然而在选取合理的驾驶延时进行该模型实际模拟试验时，在走走停停现象中出现了车辆负速度现象(Zhipeng Li and Yuncai Liu，AVelocity-Difference-Separation Model for Car-Following Theory(速度差-间距车辆跟驰模型)，Chinese physics，2006，15：1570)，这在实际交通驾驶中是不可能出现的。

发明内容

针对以上技术中的不足，本发明给出了一种车辆跟驰驾驶的速度差-间距控制方法。使其避免在对实际进行模拟运动过程中出现负车速现象，因此主要的考察对象是车速v_n(t)，要保证运动过程车速不会出现负值，在模拟类似交通情形时可以取到符合实际的车辆延迟时间和车辆启动波速两个系统参数同时不会出现负车速的现象。

本发明通过以下技术方案实现，本发明的方法步骤如下：

(1)交通情形设定，通过运动可控的引导车来设定需要模拟的交通情形；

(2)选取参数值，根据设定的交通情形选取参数的取值，包括参数速度驾驶员反应时间的倒数k、调节系数λ，和经过标定的最优速度函数；

(3)获取所有车辆的初始状态，车辆n在时刻t(t≥0)的状态由其所在位置x_n(t)、速度v_n(t)以及加速度a_n(t)共同定义，n＝1，…，N，N为所有车辆的总数，在这一步骤中t＝0，即确定x_n(t)、v_n(t)和a_n(t)，n＝1，…，N；

(4)考察t＞0时车辆队列的运动状态，假定干扰车按照预先指定的方案运动，而车辆队列中的车辆按照速度差-间距控制方法进行跟驰运行，考察t＞0时所有车辆的运动状态车辆的速度与位置：x_n(t)、v_n(t)和a_n(t)，n＝1，…，N。

所述的速度差-间距控制方法，其运动方程：

a_n(t)＝k[V(Δx_n(t))-v_n]+λΘ(Δv)Δv(1+tanh(C₁(Δx_n(t)-l_c)-C₂))³

+λΘ(-Δv)Δv(1-tanh(C₁(Δx_n(t)-l_c)-C₂))³

其中：n＝1，…，N；V(x)为优化速度函数；λ为本发明中驾驶员为适应当前交通状况而对速度-间距项的调节系数(采集数据为：0.35~0.63，使用时可以通过实测抽取采样进行标定得到)，k为驾驶员敏感系数(采集数据为：0.17~0.74，选取时请参阅Chandler R E，Herman R，Montrlll E W，Trafficdynamics：studies in car following(车辆跟驰动态研究)，OperationResearch，6：165-184.)，l_c为车辆的平均长度，l_c设定为5m，k＝0.85s^-1，V₁＝6.75m/s，V₂＝7.91m/s，C₁＝0.13m^-1，和C₂＝1.57

所有车辆的速度与位置，按照一定的规则更新，其计算公式：

速度：v_n(t+Δt)＝v_n(t)+a_n(t)×Δt，n＝1，…，N；

位置： $x_n(t+\mathrm{\Δt})=x_n\left(t\right)+v_n\left(t\right)\×\mathrm{\Δt}+\frac{1}{2}\×a_n\left(t\right)\×{\left(\mathrm{\Δt}\right)}^2,n=1,...,N.$

其中Δt为加速度调节时间。

相较于FVDM，本发明中车辆跟驰(去除速度差-间距控制方法)的运动方程中对速度差项进行了速度差-间距修正(即运动方程右面第二、三项)。

速度差-间距控制方法具体含义是：当驾驶员发现其相邻前车比他快时，他总是希望加快自己的速度，并且车头间距越大，获得刺激的值越大以获得较大的加速度(或较小的减速度)；反之当驾驶员发现其前车速度比他慢时，他会减慢速度以避免碰撞，这时，车头间距越小，获得刺激的值越小以获得较小的加速度(或较大的减速度)。

本发明，加速度调节时间Δt的加入表示：驾驶员根据t时刻的刺激和t时刻的调节来决定时刻t+Δt的行为。实际上，在时刻t，若前车速度大于跟车速度，则进行了速度-间距调节的速度差项的取值在时刻t+Δt应该为正以得到更大的加速度或更小的减速度，并且在时刻t的车头间距越大，取值也应该越大；反之，在时刻t，若前车速度小于跟车速度，则速度-间距调节的速度差项在时刻t+Δt应该为负以得到更小的加速度或更大的减速度，同样在时刻t的车头间距越大，取值也应该越大。

本发明方法使得在模拟类似交通情形时可以取到符合实际的车辆延迟时间和车辆启动波速同时不会出现车速为负(车辆碰撞)的现象，并且易于理解和处理。

附图说明

图1.(a)运用FVDM控制方法实施例1交通试验所有车辆在t＝200s和10000s时刻速度图。(b)达到稳定状态后车辆在不同的λ取值时速度-车头时距形成的回滞环。其中：k＝0.41s^-1，Δt＝0.1s。

图2.(a)运用本发明中的控制方法实施例1交通试验所有车辆在t＝200s和10000s时刻速度图。(b)达到稳定状态后车辆在不同的λ取值时速度-车头时距形成的回滞环。其中：k＝0.41s^-1，Δt＝0.1s。

图3.本发明中实施例2中车辆队列跟驰运动图示

图4.本发明实施例2中车辆在十字路口信号灯变绿时车辆消散的速度-时间演化图，其中：k＝0.41s^-1，Δt＝0.1s。

具体实施方式

为了更好地理解本发明提出的方法，选取两种典型的交通状况来进行模拟，结合附图1、2、3、4与实施例作进一步详细的叙述。

实施例1：在环形车道上匀速行驶的车辆队列，其中一辆车出现扰动。

(2)交通情形设定：在一条长度为1500米的环形道路上选取100辆正匀速行驶的车辆队列，车间距均为h₀＝15m；设定零时刻(初始时刻)时在车辆队列队列中其中引导车辆出现了小的扰动，车辆总数为N＝100，引导车编号为1，按行驶方向依次为车辆编号。

(2)选取参数值：按照Helbing和Tilch使用实测数据对优化速度模型进行了辨识，本发明采用Helbing和Tilch标定好的最优速度函数如下：

V(Δx_n(t))＝V₁+V₂tanh[C₁(Δx_n(t)-l_c)-C₂]

其中l_c为车辆的平均长度，本发明设定为5m，其他参数分别被标定为：k＝0.85s^-1，V₁＝6.75m/s，V₂＝7.91m/s，C₁＝0.13m^-1，和C₂＝1.57。此外，采用本发明的控制方法时，设定的k＝0.41s^-1，Δt＝0.1s。

(3)获取所有车辆的初始状态：根据步骤(1)和(2)，令：

x₁(0)＝1m；x_n(0)＝(n-1)L/N，n＝2，…，N

${\stackrel{\·}{x}}_n\left(0\right)=V(L/N),n=1,...,N$

(4)首先，本发明选取FVDM模型控制所有车辆的运行方式。实际标定的λ介于0.3~0.7，因此本发明选取λ＝0.4，图1(a)为车辆运行200秒和10000秒后各车辆速度分布图，从图中可知，当车辆经过足够长时间后，因车辆密度落在不稳定区域而形成了走走停停交通，但是同时发现某些车辆出险了负速度，这在现实中是不可能发生的。图1(b)是在不同的λ值情况下车辆在稳定的走走停停后形成的迟滞环，在这里依然可以清晰地发现当λ≤0.5，负速度现象就会出现。

(5)下面运用本发明中改进的速度差-间距控制方式来控制所有车辆的运行方式。依然选取λ＝0.4，图2(a)显示了经过足够长时间后车辆速腐分布图。从图中可以看出没有出现负值(即车辆发生碰撞)的现象。合理变换λ值，不同尺寸的回滞环显示在图2(b)，可以看出在合理变换的范围内消除了车辆速度为负这一不合理现象。

实施例2：交通灯前等待的车辆队列在红灯变绿后的运动

(1)交通情形设定：选取一列等待的车辆队列，车间距均为h₀＝7.4m(按照最优速度函数，此时所有车辆车速为零)；设定零时刻(初始时刻)时交叉路口信号灯由红变绿，同时车辆队列启动。车辆总数为N＝12，同样引导车编号为0，按行驶方向依次为车辆编号(如图3)。

(2)选取参数值：按照Helbing和Tilch使用实测数据对优化速度模型进行了辨识，本发明采用他们标定好的最优速度函数如下：

V(Δx_n(t))＝V₁+V₂tanh[C₁(Δx_n(t)-l_c)-C₂]

其中l_c为车辆的平均长度，本发明设定为5m，其他参数分别被标定为：k＝0.85s^-1，V₁＝6.75m/s，V₂＝7.91m/s，C₁＝0.13m^-1，和C₂＝1.57。此外，采用本发明的控制方法时，设定的k＝0.41s^-1，Δt＝0.1s。

(3)考察t＞0时车辆队列的运动状态：当引导车按照最优速度函数启动并达到最大速度14.66m/s后变成匀速运动，其它车辆依次跟随引导车进行加速，图4显示了所有车辆在这个启动阶段的速度-时间分布图。表一为分别采用不同的控制方式得到的车辆延迟时间和启动波速。从中可以看出在三种控制方式中，本发明提出的方法得到了最理想的车辆延迟时间和启动波速。

方法	T(s)	vk(km/h)
			GFM(k＝0.4ls-1)FVDM(k＝0.4ls-1)本发明(k＝0.4ls-1)	2.21.41.3	12.1119.0320.49

                             表一

从实施例中可以看出：按照本发明提供的方法来控制车辆队列跟驰运动的加速度，可以取到符合实际的车辆延迟时间和启动波速值，避免了车辆间的碰撞。

Claims (4)

1、一种车辆跟驰驾驶的速度差-间距控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)交通情形设定；

(2)选取参数值；

(3)获取所有车辆的初始状态，车辆n在时刻t的状态由其所在位置x_n(t)、速度v_n(t)以及加速度a_n(t)共同定义，n＝1，…，N，N为所有车辆的总数，其中t≥0，在这一步骤中t＝0，即确定x_n(t)、v_n(t)和a_n(t)，n＝1，…，N；

(4)考察t＞0时车辆队列的运动状态，假定干扰车按照预先指定的方案运动，而车辆队列中的车辆按照速度差-间距控制方法进行跟驰运行，考察t＞0时所有车辆的运动状态车辆的速度与位置：x_n(t)、v_n(t)和a_n(t)，n＝1，…，N；

所述的速度差-间距控制方法，其运动方程：

a_n(t)＝k[V(Δx_n(t))-v_n]+λΘ(Δv)Δv(1+tanh(C₁(Δx_n(t)-l_c)-C₂))³

          +λΘ(-Δv)Δv(1-tanh(C₁(Δx_n(t)-l_c)-C₂))³

其中：n＝1，…，N；V(x)为优化速度函数；λ为驾驶员为适应当前交通状况而对速度-间距项的调节系数，k为驾驶员敏感系数，l_c为车辆的平均长度，l_c设定为5m，k＝0.85s^-1，V₁＝6.75m/s，V₂＝7.91m/s，C₁＝0.13m^-1，C₂＝1.57。

2、根据权利要求1所述的车辆跟驰驾驶的速度差-间距控制方法，其特征是，所述的步骤(1)，是指：通过运动可控的干扰车来设定需要模拟的交通情形设定。

3、根据权利要求1所述的车辆跟驰运动的加速度控制方法，其特征是，所述的步骤(2)，根据设定的交通情形选取参数的取值，包括参数速度驾驶员反应时间的倒数k、调节系数λ，和经过标定的最优速度函数。

4、根据权利要求1所述的车辆跟驰驾驶的速度差-间距控制方法，其特征

是，所述的所有车辆的速度与位置，其计算公式：

速度：v_n(t+Δt)＝v_n(t)+a_n(t)×Δt，n＝1，…，N；位置： $x_n(t+\mathrm{\Δt})=x_n\left(t\right)+v_n\left(t\right)\×\mathrm{\Δt}+\frac{1}{2}\×a_n\left(t\right)\×{\left(\mathrm{\Δt}\right)}^2,n=1,\·\·\·,N.$

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