本发明属于车辆行驶控制技术领域，具体涉及一种基于通信的协同式队列行驶系统及基于该系统的组队和退出方法。
背景技术
随着车辆保有量的不断增加，高速公路行驶车辆增多，独立行驶的车辆需保持安全的车间距以保证行车安全，造成高速公路的载运额易达到饱和，通行效率提升困难。而车辆组队行驶，因组队车辆的行驶路线一致，可缩短车辆间距行驶，有利于提高行车效率，目前队列行驶系统是基于雷达、摄像头主动式传感器实现，车辆只能在固定地点且排列成一条队伍才能实现组队，组队灵活性差。同时，主动式队列行驶系统中车辆退出队列时的安全性较差，后车无法预知前车的退出行动，具有较大的追尾可能。
因此，有必要开发一种基于通信的协同式队列行驶系统及基于该系统的组队和退出方法。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于通信的协同式队列行驶系统及基于该系统的组队和退出方法，能保证组队和退出的行驶安全，以及提高道路行车效率和行车安全。
本发明所述的基于通信的协同式队列行驶系统，包括：分别接入can总线的转向灯开关、队列头车申请开关、队列跟车申请开关、接管队列头车开关、退出队列头车开关、退出队列跟车开关、车速传感器、横摆角速度传感器、自动驾驶车速及转向控制模块和ecu计算模块，ecu计算模块从can总线中获取队列行驶各开关信号、车速及横摆角速度信号，并将车速和转向控制信号通过can总线发送给自动驾驶速度及转向控制模块；以及与ecu计算模块连接的高精度定位模块，高精度定位模块将车辆的定位信息发动给ecu计算模块；以及与ecu计算模块连接的无线通信模块，用于接收并广播队列行驶信息；以及与ecu计算模块连接到hmi提示模块，ecu计算模块将队列状态信息发送给hmi提示模块，以提示当前队列行驶状态。
本发明所述的基于通信的协同式队列行驶系统的组队和退出方法，队列中的每一车辆均配置有本发明所述的队列行驶系统；其方法包括以下步骤：
（1）队列行驶头车、跟随车组队机制：
申请头车：响应于头车发出组队并作为队列行驶的头车的请求时，该头车以广播的形式发送队列行驶信息，其包括头车id，头车当前经纬度海拔信息、速度、横摆角速度和航向角，队列编号，队列速度区间，队列起止地址，队列车辆数，队列长度，以及头车在队列中的编号；
申请跟车：响应于车辆接收到头车发送的队列信息后，该车辆通过hmi提示模块显示周围已有的队列信息，其包括队列编号、队列起止地址、当前头车位置和队列车辆数；并响应于车辆发出跟车请求时，且车辆在队列的本车道或相邻车道后方，则以广播的形式发送队列跟车请求信息，其包括本车id、本车当前经纬度海拔信息、申请队列跟车和所申请的队列编号；并使本车辆行驶至队列的末端；并响应于本车辆的ecu计算模块根据本车与头车的相对位置判断出本车已完成组队动作时，发送已组队的队列行驶信息，其包括头车id，本车当前经纬度海拔信息、速度、横摆角速度和航向角，队列编号，队列速度区间，队列起止地址，队列车辆数，队列长度，本车在队列中的编号；
申请插入：当已有多辆车组成队列后，若在队列相邻车道的车辆打开转向灯并打开队列跟车的开关，申请车辆判断本车在队列长度中，则申请车将发送队列插入请求信息，其包括本车id、本车当前经纬度海拔信息、申请插入队列和所申请的队列编号；队列中车辆接收到队列插入请求信息后，比较申请车辆与本车的横向和纵向距离，若申请车为相邻车道车辆且自车在申请车辆纵向距离的后方，则队列中后车进行减速以实现与前车的距离达到换道所需距离；插入申请车辆实时判断本车与相邻队列车辆的纵向距离，若达到换道距离，则本车换道至队列队伍中；当申请车行驶至与头车同一车道后，则表示车辆完成组队动作，并发送已组队的队列行驶信息；
（2）队列行驶的头车、跟随车退出机制：
头车退出：响应于头车发出退出队列头车请求时，头车以广播形式发送头车退出申请信息，其包括本车id、本车当前经纬度海拔信息、申请退出队列头车和所申请的队列编号；并在队列中的第二号车接管队列头车角色后，原头车确认并退出队列头车功能；
跟随车退出：响应于跟车发出退出列队请求时，该跟随车以广播的形式发送退出队列跟车的申请信息，其包括本车id、本车当前经纬度海拔信息、申请退出队列跟车和所申请的队列编号，并在申请车的后车减速以增加退出车的换道距离达到能换道距离后，申请车驶出队列并退出该队列。
进一步，申请头车的具体步骤包括：
第a1步：启动车辆的队列行驶系统；
第a2步：车辆的队列行驶系统接收周围车辆发送的队列行驶信息；
第a3步：打开本车辆的队列头车申请开关，申请作为队列行驶的头车；
第a4步：队列行驶系统判断本车当前是否未处于任何队列中，若是，则进入第a5步，若否，则返回第a2步；
第a5步：队列头车功能激活；
第a6步：设置头车所带队列的起止地址；
第a7步：队列头车根据队列的起止地址及头车id进行队列的编号，队列编号为头车id编码、队列地址编码、队列标记值的组合；
第a8步：队列行驶系统给本车分配队列中的序号；
第a9步：本车完成组队并广播发送所组的队列信息，其包括头车id，本车当前经纬度海拔信息、速度、横摆角速度、航向角，队列编号，队列速度区间，队列起点地址，队列目的地址，队列车辆数，队列长度和本车在队列中的编号。
进一步，申请跟车或插入的具体步骤包括：
第b1步：启动车辆的队列行驶系统；
第b2步：车辆的队列行驶系统接收周围车辆发送的队列行驶信息；
第b3步：发出跟车或插入请求。
第b4步：队列行驶系统判断本车当前是否未处于任何队列中，若是，则进入第b5步，若否，则进入第b15步；
第b5步：判断本车是否处于所选队列的相邻车道，若是，则进入第b6步，若否，则进入第b8步；
第b6步：判断本车是否打开所选队列所对应侧的转向灯，若是，则进入第b7步，若否，则返回第b2步；
第b7步：队列行驶插入状态功能激活，并广播发送队列跟车申请信息，其包括本车id、本车当前经纬度海拔信息、申请队列跟车和申请的队列编号，并进入第b10步；
第b8步：判断本车是否处于队列的同一车道，若处于同一车道，则进入第b9步，否则返回第b2步；
第b9步：队列行驶跟车状态功能激活，并广播发送队列跟车申请信息，其包括本车id、本车当前经纬度海拔信息、申请插入队列和所申请的队列编号；
第b10步：判断本车与队列相邻车的纵向间距是否小于等于队列扩充长度限值，队列扩充的长度限值=车辆长度×队列车辆限制数+队列车辆平均速度×队列跟车时距，若小于等于队列扩充长度限值，则进入第b11步，否则返回第b2步；
第b11步：判断本车与队列相邻车的纵向间距是否满足换道所需的距离，换道所需距离=队列的车辆平均速度×换道所需时间；若满足换道所需距离，则进入第b12步；否则返回第b2步；
第b12步：队列行驶系统发送车速及转向角控制信号给本车的自动驾驶控制系统，控制车辆换道至队列中并保持与前侧的队列跟车距离；
第b13步：队列行驶系统给车辆分配队列中的序号，序号依据本车与头车距离由近到远进行序号分配；
第b14步：车组队完成并发送队列信息，其包括头车id，本车当前经纬度海拔信息、速度、横摆角速度、航向角，队列编号，队列速度区间，队列起点地址，队列目的地址，队列车辆数，队列长度和本车在队列中的编号，此流程结束；
第b15步：判断本车的队列编号是否与接收到的对象车的申请队列的编号相同；若相同，则进入第b16步；若不同，则退回到第b2步；
第b16步：判断申请加入队列的车辆是否在相邻车道及在本车的前方，申请加入队列的车辆是否在本车的相邻车道且申请加入队列的车辆与本车的纵向距离小于队列的最小间距；若满足，则进入第b17步；若不满足，则退回到第b2步；
第b17步：本车的队列行驶系统通过自动驾驶车速控制模块控制本车减速，为申请车提供进入队列的距离；
第b18步：判断申请车是否已经进入队列，若已经进入队列，则进入第b19步，若未进入则退回到第b2步；
第b19步：本车的自动驾驶模块调整本车与前车的纵向距离等于队列要求的跟车距离。
进一步，队列行驶的头车退出的具体步骤包括：
第c1步：响应于头车的退出队列头车开关被按下，头车发出退出头车申请信息，其包括本车id、本车当前经纬度海拔信息、申请退出队列头车和所申请的队列编号；
第c2步：判断是否接收到二号车确认接管队列头车功能的确认信息，若接收到二号车接管头车的确认信息，则进入第c3步，否则返回第c1步；
第c3步：头车确认退出队列头车功能，并控制车辆退出队列。
进一步，队列行驶的跟随车退出的具体步骤包括：
第d1步：响应于跟随车的退出队列跟车开关被按下，跟随车发送退出跟车申请信息，其包括本车id、本车当前经纬度海拔信息、申请退出队列跟车和所申请的队列编号；
第d2步：判断本车与后车的距离是否大于换道所需距离，若满足换道距离，则进入第d3步；若不满足，则返回第d1步；
第d3步：跟随车退出队列队伍。
进一步，车辆收到周围车辆退出申请后的具体操作步骤如下：
第e1步：接收到周围车辆发送的退出队列请求信号；
第e2步：判断是否为头车发出的退出队列请求信号，若是，则进入第e3步，若不是，则进入第e8步；
第e3步：比较申请头车所在队列是否与本车属于同一队列，若相同，则进入第e4步，若否，则退回到第e1步；
第e4步：判断该头车是否是本车的直接前车，若是，则进入第e5步，否则，则进入第e6步；
第e5步：驾驶员接管该队列的头车角色，车辆队列系统根据本车id重新配置队列编号及车辆在队列中的序号，接管后的队列编号为替换原头车id进行编号，队列行驶系统并广播发送更新的队列信息，其包含头车id，本车当前经纬度海拔信息、速度、横摆角速度、航向角，队列编号，队列速度区间，队列起点地址，队列目的地址，队列车辆数，队列长度和本车在队列中的编号，此流程结束；
第e6步：判断队列二号车是否接管队列行驶的头车功能，若队列中的二号车已接管头车功能，则进入第e7步，否则退回到第e1步；
第e7步：更新本车的队列信息，更新本车的队列编号，并根据本车与新头车的距离由近及远，重新分配车辆在队列中的序号，闭关广播发送更新后的队列信息，其包含头车id，本车当前经纬度海拔信息、速度、横摆角速度、航向角，队列编号，队列速度区间，队列起点地址，队列目的地址，队列车辆数，队列长度和本车在队列中的编号，此流程结束；
第e8步：比较申请退出跟车车辆所在队列是否与本车属于同一队列，若是，则进入第e9步，否则退回到第e1步；
第e9步：判断该跟随车是否为车的直接前车，若是，则进入第e10步，否则退回第e1步；
第e10步：本车控制车辆减速，以增加车间距至换道所需距离，此流程结束。
进一步，所述换道所需距离=队列行驶速度×换道所需时间。
本发明具有以下优点：采用基于通信的协同式队列行驶系统，通过车辆间交互组队申请、跟队申请、退出队列等信息，能够接受同车道及相邻车道车辆的加入，且跟随车辆可为加入车和退出车提供足够的换道距离，保证了组队和退出的行驶安全。一套协同式队列行驶系统的组队和退出信号协议，能够实现车辆间灵活的组队及退出，能够在主动式队列行驶系统的基础上扩大组队车流范围，提高了道路行车效率和行车安全。
附图说明
图1为本发明的队列行驶系统的原理框图；
图2为本发明中申请跟车的场景示意图；
图3为本发明中申请插入的场景示意图；
图4为本发明中队列行驶系统的信息发送及接收示意图；
图5为本发明中头车功能激活的流程图；
图6为本发明中跟随车组队的流程图；
图7为本发明中头车退出的流程图；
图8为本发明中跟车退出的流程图；
图9为本发明中退出机制中其他车辆的控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明所述的基于通信的协同式队列行驶系统，包括：分别接入can总线的队列头车申请开关7、队列跟车申请开关8、接管队列头车开关9、退出队列头车开关10、退出队列跟车开关11、车速传感器12、横摆角速度传感器13、自动驾驶车速及转向控制模块5和ecu计算模块1，ecu计算模块从can总线中获取队列行驶各开关信号、车速及横摆角速度信号，并将车速和转向控制信号通过can总线发送给自动驾驶速度及转向控制模块；以及与ecu计算模块连接的高精度定位模块2，高精度定位模块将车辆的定位信息发动给ecu计算模块；以及与ecu计算模块连接的无线通信模块3，用于接收并广播队列行驶信息；以及与ecu计算模块连接到hmi提示模块4，ecu计算模块将队列状态信息发送给hmi提示模块，以提示当前队列行驶状态。
所述的基于通信的协同式队列行驶系统的组队和退出方法，队列中的每一车辆均配置有本发明所述的队列行驶系统；其方法包括以下步骤：
（1）队列行驶头车、跟随车组队机制：
申请头车：响应于头车发出组队并作为队列行驶的头车的请求时（具体为:驾驶员开启列队头车申请开关，并输入队列行驶起止地址、速度区间进行组队申请并作为队列行驶的头车），车辆的ecu计算模块确认并激活队列行驶头车功能后，以广播的形式发送队列行驶信息（包括头车id，头车当前经纬度海拔信息、速度、横摆角速度和航向角，队列编号，队列速度区间，队列起止地址，队列车辆数，队列长度和头车在队列中的编号）。
如图2和图4所示，申请跟车：响应于车辆接收到头车发送的队列信息后（具体为：车辆接收到头车发送的队列信息后，车辆内的hmi提示模块会显示周围已有的队列信息（包括队列编号，队列起止地址，当前头车位置和队列车辆数)，驾驶员手动选择需加入的队列并打开队列跟车申请开关，本车队列行驶系统自检无故障且其ecu计算模块判断本车在队列的本车道或相邻车道后方，则广播发送队列跟车请求信息（包括本车id、本车当前经纬度海拔信息、申请队列跟车和所申请的队列编号）；并使本车辆行驶至队列的末端；并响应于本车辆的ecu计算模块根据本车与头车的相对位置判断出本车已完成组队动作时，发送已组队的队列行驶信息（包括头车id，本车当前经纬度海拔信息、速度、横摆角速度和航向角，队列编号，队列速度区间，队列起止地址，队列车辆数，队列长度和本车在队列中的编号）。
如图3和图4所示，申请插入：当已有多辆车组成队列后，若在队列相邻车道的车辆打开转向灯并打开队列跟车的开关，申请车辆的队列行驶系统自检无故障且ecu计算模块判断本车在队列长度中，则申请车将发送队列插入请求信息（包括本车id、本车当前经纬度海拔信息、申请插入队列和所申请的队列编号）；队列中车辆接收到队列插入请求信息后，比较申请车辆与本车的横向和纵向距离，若申请车为相邻车道车辆且自车在申请车辆纵向距离的后方，则队列中后车进行减速以实现与前车的距离达到换道所需距离，换道所需距离=队列行驶速度×换道所需时间。插入申请车辆实时判断本车与相邻队列车辆的纵向距离，若达到换道距离，则本车换道至队列队伍中；当申请车行驶至与头车同一车道后，则表示车辆完成组队动作，并发送已组队的队列行驶信息。
（2）队列行驶的头车、跟随车退出机制：
头车退出：响应于头车发出退出队列头车请求时（具体为：队列行驶头车驾驶员按下退出队列头车开关后），头车以广播形式发送头车退出申请信息（包括本车id、本车当前经纬度海拔信息、申请退出队列头车和所申请的队列编号）；并在队列中的第二号车接管队列头车角色后，原头车确认并退出队列头车功能。
跟随车退出：响应于跟车发出退出列队请求时（具体为：队列行驶的跟随车驾驶员按下退出队列跟车开关后），该跟随车以广播的形式发送退出队列跟车的申请信息（包括本车id、本车当前经纬度海拔信息、申请退出队列跟车和所申请的队列编号）。当申请车的后车减速以增加退出车的换道距离达到能换道距离后，申请车驶出队列并退出该队列。
如图5所示，本实施例中，申请头车的具体步骤包括：
第a1步：启动车辆的队列行驶系统，即驾驶员启动队列行驶功能开关；
第a2步：车辆的队列行驶系统接收周围车辆发送的队列行驶信息；
第a3步：车辆的驾驶员打开本车辆的队列头车申请开关，申请作为队列行驶的头车；
第a4步：队列行驶系统判断本车当前是否未处于任何队列中，若是，则进入第a5步，若否，则返回第a2步，即无法激活队列头车功能；
第a5步：队列头车功能激活；
第a6步：设置头车所带队列的起止地址；
第a7步：队列头车根据队列的起止地址及头车id进行队列的编号，队列编号为头车id编码、队列地址编码、队列标记值（a、b…z）的组合，即头车id编码-队列地址编码-队列标记值；
第a8步：队列行驶系统给本车分配队列中的序号，头车的队列序号为01；
第a9步：本车完成组队并广播发送所组的队列信息（包括头车id，本车当前经纬度海拔信息、速度、横摆角速度、航向角，队列编号，队列速度区间，队列起点地址，队列目的地址，队列车辆数，队列长度和本车在队列中的编号）。
如图6所示，本实施例中，申请跟车或插入的具体步骤包括：
第b1步：驾驶员启动车辆的队列行驶系统，即驾驶员启动队列行驶功能开关；
第b2步：车辆的队列行驶系统接收周围车辆发送的队列行驶信息；
第b3步：发出跟车或插入请求；具体为：车辆的驾驶员根据hmi的队列信息提示以及与队列的相对位置进行跟车或插入的请求。
第b4步：队列行驶系统判断本车当前是否未处于任何队列中，若是，则进入第b5步，若否，则进入第b15步；
第b5步：判断本车是否处于所选队列的相邻车道，若是，则进入第b6步，若否，则进入第b8步；
第b6步：判断本车是否打开所选队列所对应侧的转向灯，若是，则进入第b7步；若否，则返回第b2步，即无法进入队列跟车激活状态。
第b7步：队列行驶插入状态功能激活，并广播发送队列跟车申请信息，其包括本车id、本车当前经纬度海拔信息、申请队列跟车、所申请的队列编号；并进入第b10步；
第b8步：判断本车是否处于队列的同一车道，若处于同一车道，则进入第b9步，否则返回第b2步；
第b9步：队列行驶跟车状态功能激活，并广播发送队列跟车申请信息：本车id、本车当前经纬度海拔信息、申请插入队列、所申请的队列编号；
第b10步：判断本车与队列相邻车的纵向间距是否小于等于队列扩充长度限值，队列扩充的长度限值=车辆长度×队列车辆限制数+队列车辆平均速度×队列跟车时距；若小于等于队列扩充长度限值，则进入第b11步，否则返回第b2步；
第b11步：判断本车与队列相邻车的纵向间距是否满足换道所需的距离，换道所需距离=队列的车辆平均速度×换道所需时间；若满足换道所需距离，则进入第b12步；否则返回第b2步；
第b12步：队列行驶系统发送车速及转向角控制信号给本车的自动驾驶控制系统，控制车辆换道至队列中并保持与前侧的队列跟车距离；
第b13步：队列行驶系统给车辆分配队列中的序号，序号依据本车与头车距离由近到远进行序号分配；
第b14步：车组队完成并发送队列信息，其包括头车id，本车当前经纬度海拔信息、速度、横摆角速度、航向角，队列编号，队列速度区间，队列起点地址，队列目的地址，队列车辆数，队列长度和本车在队列中的编号，此流程结束；
第b15步：判断本车的队列编号是否与接收到的对象车的申请队列的编号相同；若相同，则进入第b16步；若不同则退回到第b2步；
第b16步：判断申请加入队列的车辆是否在相邻车道及在本车的前方，申请加入队列的车辆是否在本车的相邻车道（3.5m＜本车与申请加入队列的车辆的横向距离≤7m）且申请加入队列的车辆与本车的纵向距离小于队列的最小间距（本车与申请加入队列的车辆的纵向距离≤本车速度*队列时间距）；若满足，则进入第b17步；若不满足，则退回到第b2步；
第b17步：本车的队列行驶系统通过自动驾驶车速控制模块控制本车减速，为申请车提供进入队列的距离；
第b18步：判断申请车是否已经进入队列，本车与申请加入队列的车辆的横向距离≤单个车道宽度。若已经进入队列，则进入第b19步，若未进入则退回到第b2步；
第b19步：本车的自动驾驶模块调整本车与前车的纵向距离等于队列要求的跟车距离。
如图7所示，本实施例中，队列行驶的头车退出的具体步骤包括：
第c1步：响应于头车的退出队列头车开关被按下，头车发出退出头车申请信息：本车id、本车当前经纬度海拔信息、申请退出队列头车、所申请的队列编号。
第c2步：判断是否接收到二号车确认接管队列头车功能的确认信息，若接收到二号车接管头车的确认信息，则进入第c3步，否则返回第c1步；
第c3步：头车确认退出队列头车功能，并控制车辆退出队列。
如图8所示，本实施例中，队列行驶的跟随车退出的具体步骤包括：
第d1步：响应于跟随车的退出队列跟车开关被按下，跟随车发送退出跟车申请信息（包括本车id、本车当前经纬度海拔信息、申请退出队列跟车、所申请的队列编号）。
第d2步：判断本车与后车的距离是否大于换道所需距离，换道所需距离=队列行驶速度×换道时间，若满足换道距离，则进入第d3步；若不满足，则返回第d1步；
第d3步：跟随车退出队列队伍。
如图9所示，本实施例中，车辆收到周围车辆退出申请后的具体操作步骤如下：
第e1步：接收到周围车辆发送的退出队列请求信号；
第e2步：判断是否为头车发出的退出队列请求信号，若是，则进入第e3步，若不是，则进入第e8步；
第e3步：比较申请头车所在队列是否与本车属于同一队列，即队列编号是否相同；若相同，则进入第e4步，若否，则退回到第e1步；
第e4步：判断该头车是否是本车的直接前车，若是，则进入第e5步，否则，则进入第e6步；
第e5步：驾驶员接管该队列的头车角色，车辆队列系统根据本车id重新配置队列编号及车辆在队列中的序号，接管后的队列编号为替换原头车id进行编号，即，新头车id编码-队列地址编码-队列标记值。队列行驶系统并广播发送更新的队列信息（包括头车id，本车当前经纬度海拔信息、速度、横摆角速度、航向角，队列编号，队列速度区间，队列起点地址，队列目的地址，队列车辆数，队列长度和本车在队列中的编号，此流程结束。
第e6步：判断队列二号车是否接管队列行驶的头车功能，若队列中的二号车已接管头车功能，则进入第e7步，否则退回到第e1步；
第e7步：更新本车的队列信息，更新本车的队列编号，并根据本车与新头车的距离由近及远，重新分配车辆在队列中的序号，闭关广播发送更新后的队列信息（包括头车id；本车当前经纬度海拔信息、速度、横摆角速度、航向角，队列编号，队列速度区间，队列起点地址，队列目的地址，队列车辆数，队列长度和本车在队列中的编号），此流程结束。
第e8步：比较申请退出跟车车辆所在队列是否与本车属于同一队列，若是，则进入第e9步，否则退回到第e1步；
第e9步：判断该跟随车是否为车的直接前车，若是，则进入第e10步，否则退回第e1步；
第e10步：本车控制车辆减速，以增加车间距至换道所需距离，此流程结束。