专利名称：车辆跟驰运动的加速度控制方法
技术领域：
本发明涉及的是一种用于车辆工程技术领域的车辆跟驰运动的控制方法，特别是一种车辆跟驰运动的加速度控制方法。
背景技术：
一直以来，车辆跟驰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。
经对现有技术文献的检索发现，M.Bando，K.Hasebe，A.Nakayama，Dynamicalmodel of traffic congestion and numerical simulation(“交通拥塞动态模型及数值仿真”)，Physical ReviewE，1995，511035-1042。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。然而OVM在模拟一些特殊的交通情形(例如匀速行驶的车辆队列前方出现一辆慢车)，当τ大于一定值时，会出现车速急剧震荡甚至车辆碰撞的现象。根据调查，驾驶员实际的反应时间至少为0.75s，而OVM中所能取到的驾驶员反应时间(小于0.3s)远小于这个取值。OVM的这一不足之处在Davis提出的MOV模型中得到了改善(LC.Davis，Modifications of the optimal velocity traffic model to include delaydue to driver reaction time(“考虑了驾驶员反应时间的优化速度交通模型的改进”)。Physica A，2003，319557-567)。在描述相同的交通情形时，MOV可以取到符合实际的驾驶员反应时间值(1s左右)，但是仍会出现十分严重的车速震荡现象。
发明内容
针对以上技术中的不足，我们给出了一种改良的车辆跟驰运动加速度控制方法。使其避免运动过程中出现车速振荡甚至车辆碰撞的现象，因此主要的考察对象是车速vn(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反应时间值同时不会出现车速震荡的现象。
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，通过运动可控的干扰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描述加速度控制方法的运动方程中未知参数的取值，包括参数速度松弛时间的倒数α、调节系数β、驾驶员反应时间τ、加速度调节时间τ1以及优化速度函数V和加速度调节函数G的表达形式；(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xn(t)、速度vn(t)以及加速度an(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xn(0)、vn(0)和an(0)，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本发明中提出的加速度控制方法进行跟驰运动，考察t＞0时所有车辆的运动状态车辆的速度与位置xn(t)、vn(t)和an(t)，n＝1，…，N。
所述的加速度控制方法，其运动方程an(t)＝α(V(xn-1(t-τ)-xn(t-τ))-vn(t-τ))+βG(vn-1(t-τ1)-vn(t-τ1)，xn-1(t-τ1)-xn(t-τ1))其中n＝2，…，N；α为速度松弛时间—指驾驶员将速度变化到某个确定的速度所用的时间，Tr的倒数；V为优化速度函数；β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；G加速度调节函数；τ1为加速度调节时间。
所述的所有车辆的速度与位置，其计算公式速度vn(t)＝vn(t-Δt)+an(t-Δt)×Δt，n＝1，…，N；位置xn(t)＝xn(t-Δt)+vn(t-Δt)×Δt+1/2×an(t-Δt)×(Δt)2，n＝1，…，N。
相较于OVM，本发明中车辆跟驰运动加速度控制方法的运动方程加入了调节项(即运动方程右面第二项)，并引入了加速度调节时间的概念。
调节函数G(x，y)满足与x具有相同的正负且分别关于x和y是单调递增的，G的加入表示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，G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，G的值越小以获得较小的加速度(或较大的减速度)。
加速度调节时间τ1的加入表示驾驶员根据t-τ时刻的刺激和t-τ1时刻的调节来决定时刻t的行为。实际上，在时刻t-τ1，若前车速度大于跟车速度，则函数G的取值在时刻t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-τ1的车头间距越大，G值也应该越大；反之，在时刻t-τ1，若前车速度小于跟车速度，则G值在时刻t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-τ1的车头间距越大，G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反应时间值同时不会出现车速震荡甚至车辆碰撞的现象，并且易于理解和处理。
图1.本发明中车辆队列跟驰运动示意2.本发明实施例1中应用反应时间为1s时部分跟车的速度曲线图其中β＝3.5s-1，Tr＝40s。
图3.实施例1中应用反应时间为1s时本发明方法与OVM部分跟车的速度曲线比较图其中β＝3.5s-1，Tr＝10s。
图4.本发明实施例2中应用反应时间为1s时部分跟车的速度曲线图其中β＝1.5s-1，Tr＝10s。
图5.实施例2中应用反应时间为1s时本发明方法与OVM部分跟车的速度曲线比较图其中β＝1.5s-1，Tr＝10s。
具体实施例方式
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、5与实施例作进一步详细的叙述。
实施例1匀速行驶的车辆队列前方出现一辆慢车。
(1)交通情形设定选取一列正匀速行驶的车辆队列，车间距均为h0＝25m；设定零时刻(初始时刻)时在车辆队列的前方距离为25m处出现慢车，慢车将一直保持较低速的匀速运动状态。车辆总数为N＝500，慢车编号为1，按行驶方向依次为车辆编号。
(2)选取参数值根据以上设定，选取α＝1/40s-1、β＝3.5s-1、τ＝1s、τ1＝0.1s以及V(Δxn(t-τ))＝16.8(tanh(0.0860(Δxn(t-τ)-25))+0.913)G(Δvn(t-τ1),Δxn(t-τ1))=Δvn(t-τ1)(1+(tanh(Δxn(t-τ1)-25))3),Δvn(t-τ1)≥0;Δvn(t-τ1)(1-(tanh(Δxn(t-τ1)-25))3),Δvn(t-τ1)<0.]]>其中，Δxn(·)＝xn-1(·)-xn(·)，Δvn(·)＝vn-1(·)-vn(·)，n＝2，...，N。
(3)获取所有车辆的初始状态根据步骤(1)和(2)，令x1(0)＝0m，v1(0)＝14m/s，a1(0)＝0m/s2；xn(0)＝-(n-1)×25m，vn(0)＝V(h0)＝15.34m/s，an(0)＝0m/s2，n＝2，…，N。
(4)考察t＞0时车辆队列的运动状态根据步骤(1)，头车(慢车)以匀速14m/s行进。车辆队列中的车(第2到第N辆车)按照本发明中提出的加速度控制方法进行跟驰运动，图2即为通过计算得到的相当时间内部分跟车的速度曲线，从图中可以看出没有出现振荡和负值(即车辆发生碰撞)的现象，并且即使对很大的车辆数(第500辆车)，车速也是在可以接受的范围之内的。
图3为通过计算得到的相当时间内本发明方法和OVM实施例1部分跟车的速度比较曲线，从中可以看出本发明方法消除了OVM中的车辆速度为负的这一不合实际的现象。
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＝7m；设定零时刻(初始时刻)时停在车辆队列的前方距离为7m处的干扰车以加速度5m/s2一直加速到15m/s，然后一直保持匀速运动状态，同时车辆队列启动。车辆总数为N＝500，同样干扰车编号为1，按行驶方向依次为车辆编号。
(2)选取参数值根据以上设定，选取α＝1/10s-1、β＝1.5s-1、τ＝1s、τ1＝0.1s以及V(Δxn(t-τ))＝16.8(tanh(0.0860(Δxn(t-τ)-25))+0.913)
G(Δvn(t-τ1),Δxn(t-τ1))=Δvn(t-τ1)(1+(tanh(Δxn(t-τ1)-25))3),Δvn(t-τ1)≥0;Δvn(t-τ1)(1-(tanh(Δxn(t-τ1)-25))3),Δvn(t-τ1)<0.]]>其中，Δxn(·)＝xn-1(·)-xn(·)，Δvn(·)＝vn-1(·)-vn(·)，n＝2，...，N。
(3)获取所有车辆的初始状态根据步骤(1)和(2)，令x1(0)＝0m，v1(0)＝0m/s，a1(0)＝0m/s2；xn(0)＝-(n-1)×7m，vn(0)＝0m/s，an(0)＝0m/s2，n＝2，…，N。
(4)考察t＞0时车辆队列的运动状态根据步骤(1)，头车先以加速度5m/s2加速到15m/s，然后匀速行进。车辆队列中的车(第2到第N辆车)按照本发明中提出的加速度控制方法进行跟驰运动，图4即为通过计算得到的相当时间内部分跟车的速度曲线，同样在图中没有看到振荡和负值的现象。
图5为通过计算得到的相当时间内本发明方法和OVM实施例2部分跟车的速度比较曲线，同样得出有益的效果。
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驾驶员反应时间值，避免了车辆间的碰撞和车速的振荡。
权利要求
1.一种车辆跟驰运动的加速度控制方法，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(t≥0)的状态由其所在位置xn(t)、速度vn(t)以及加速度an(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xn(0)、vn(0)和an(0)，n＝1，…，N；(4)考察t＞0时车辆队列的运动状态，设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本发明中提出的加速度控制方法进行跟驰运动，考察t＞0时所有车辆的运动状态车辆的速度与位置xn(t)、vn(t)和an(t)，n＝1，…，N；所述的加速度控制方法，其运动方程an(t)＝α(V(xn-1(t-τ)-xn(t-τ))-vn(t-τ))+βG(vn-1(t-τ1)-vn(t-τ1)，xn-1(t-τ1)-xn(t-τ1))其中n＝2，…，N；α为速度松弛时间—指驾驶员将速度变化到某个确定的速度所用的时间，Tr的倒数；V为优化速度函数；β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；G加速度调节函数；τ1为加速度调节时间。
2.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(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描述加速度控制方法的运动方程中未知参数的取值，包括参数速度松弛时间的倒数α、调节系数β、驾驶员反应时间τ、加速度调节时间τ1以及优化速度函数V和加速度调节函数G的表达形式选取参数值。
4.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，所述的所有车辆的速度与位置，其计算公式速度vn(t)＝vn(t-Δt)+an(t-Δt)×Δt，n＝1，…，N；位置xn(t)＝xn(t-Δt)+vn(t-Δt)×Δt+1/2×an(t-Δt)×(Δt)2，n＝1，…，N。
全文摘要
一种用于车辆工程技术领域的车辆跟驰运动的加速度控制方法。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
文档编号G05B13/04GK1719354SQ20051002566
公开日2006年1月11日 申请日期2005年5月8日 优先权日2005年5月8日
发明者李莉, 施鹏飞 申请人:上海交通大学