一种实现车辆编队的方法及设备与流程

本发明涉及驾驶控制技术领域，特别是指一种实现车辆编队的方法及设备。

背景技术：

车辆编队是指一组车辆协同行驶，对于提高道路的通行能力、缓解拥堵、提高车辆行驶安全性、降低油耗具有重要意义。为了维持编队车辆之间的距离，车辆之间通过某种通信方式共享速度、加速度、方向等信息。车辆编队可用于高速路车辆编队自动驾驶、车辆巡航等技术领域。

编队头车是位于整个编队最前面的一辆车，头车具有管理编队成员并向相关编队成员发送自身车辆状态信息的功能。图1所示为传统acc和cacc编队控制技术的示意图。传统的acc(自适应巡航控制，adaptivecruisecontrol)编队技术是车辆通过车载传感器获得前车的状态信息，然后通过车载计算机计算自身的最佳加速度和速度，从而形成一个编队。传统的cacc(协作自适应巡航控制，cooperativeadaptivecruisecontrol)编队技术是对acc技术的扩展，增加了编队成员应用无线通信(如ieee802.11p或c-v2x)方式获得头车的状态信息，然后通过车载计算机计算自身最佳加速度和速度，从而形成一个编队。

编队技术的目的是为了提高交通效率，减少人为因素造成的安全问题，降低事故中的二次伤害。在高速公路场景下，采用一个由头车控制的扩展性强的编队，能够极大地提高交通运输效率，减少司机的数量。

编队车辆之间的间距是影响整个车队速度和燃油效率的关键因素。根据气动原理，车辆之间的距离越近，后车获得的风阻越小，车辆编队行驶时越节省燃料。通常情况下，为了得到更小的车间距，编队采用固定车间距的车辆控制方式。

acc和cacc是现有研究中常见的编队控制方式。但是acc级联(图1中的信息流逐级向后传播的方式)编队控制方式得到的编队稳定性欠佳，主要是由于acc车辆采用传感器方式获取前车的状态信息然后通过车载计算系统计算前车的运动状况，这一过程产生的延迟远远大于无线通信的延迟。因此造成acc级联编队中车间距过大、编队一致性差等问题。cacc的编队方式采用无线通信手段，头车把自身的运动状况发送到其他所有本编队成员车辆，同时前车也把车辆本身的运动状况发送到后车，除头车外的后续成员车辆根据这些信息计算一个该车最优的加速度。该方式能够得到比acc更短车间距的编队，但是由于车辆本身的通信范围有限，所以造成了编队长度受到了限制即扩展性差。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种实现车辆编队的方法及设备。

基于上述目的，本发明提供了：

一种实现车辆编队的方法，将车队划分为编队粒，包括：

在车队包括的编队粒中，由每一个编队粒中的控制车辆控制其所在编队粒中的其它车辆实现车辆编队，和/或由上一个的编队粒中的车辆控制下一个编队粒中的车辆实现车辆编队。

进一步地，所述由上一个的编队粒中的车辆控制下一个编队粒中的车辆实现车辆编队，包括：

由所述上一个的编队粒中的所述控制车辆向所述下一个编队粒中的所述控制车辆发送控制信息。

进一步地，方法包括：

所述车队中的车辆根据其相邻前方车辆的控制信息以及其所在编队粒的所述控制车辆的控制信息控制自身行驶。

进一步地，所述将车队划分为编队粒的方式为：

将与所述控制车辆的距离在预定距离内的车辆划分到同一编队粒中。

进一步地，所述将与所述控制车辆的距离在预定距离内的车辆划分到同一编队粒中包括：

计算参考车辆与其后方车辆的距离，将满足所述距离不大于所述预定距离的车辆纳入所述参考车辆所在编队粒。

进一步地，在计算参考车辆与其后方车辆的距离前，还包括：将预定车辆作为参考车辆和/或将所述编队粒中距离所述参考车辆距离最大的车辆作为下一个计算用参考车辆。

进一步地，所述根据其相邻前方车辆的控制信息以及其所在编队粒的所述控制车辆的控制信息控制自身行驶，包括：

根据所述相邻前方车辆的加速度信息、所述控制车辆的加速度信息、预定时间、相邻车辆之间的预订距离计算自身行驶的加速度。

进一步地，所述计算自身行驶参数包括通过以下方式计算自身加速度：

t＝t-delay_time

a＝1-w

b＝w

其中，是第i辆车的理想加速度，是第i辆车的前方车辆加速度，为车辆i所在编队粒的头车加速度；t为所述预定时间，delay_time预定控制模式下的延迟时间；gapdes为所述相邻两车之间的间隔距离；n是车队的车辆数；w是所述车辆i所在编队粒的头车的权重系数，a为所述前方车辆的权重系数；ξ是风阻系数，bw是信息流发送的频率。

一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器执行上述实现车辆编队的方法。

一种实现车辆编队的方法，包括：

确定一个第一车辆作为计算用参考车辆，按照车队行驶方向的反方向，依次计算所述参考车辆后方车辆与所述参考车辆的距离，将最后一辆满足所述距离不大于预定距离的第二车辆作为下一个计算用参考车辆；

将所述第一车辆、所述第二车辆以及所述第一车辆与所述第二车辆之间的车辆纳入一个编队粒，实现编队。

进一步地，方法包括：使用所述编队粒中处于前方的编队粒控制处于其后方的编队粒行驶。

进一步地，所述使用所述编队粒中处于前方的编队粒控制处于其后方的编队粒行驶，包括：

控制所述处于前方的编队粒中的最前方车辆向所述处于其后方的编队粒中的最前方车辆发送控制信息。

本发明提供的粒化的车辆编队的方式，既克服了acc编队方式下稳定性差的问题，又克服了cacc的扩展性不足的问题。该编队方式具有更稳定的行驶状态和更强的扩展性。

为了得到一个扩展性强的编队，本发明根据头车的有效通信距离设置一些代理头车，这些车辆的作用是向该车辆有效通信范围内的编队成员广播该车的运动状况(如：速度、加速度、刹车系数、方向等)。车辆根据收到的前车和代理头车信息计算自身的最优加速度，从而整个编队表现为运动行为一致。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统acc和cacc编队控制技术的示意图；

图2为本发明实施例中一种粒化的巡航车辆编队示意图；

图3为本发明实施例中计算编队粒头车数组的流程图；

图4为本发明实施例中一种电子设备结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

本发明设计了一种粒化的方法来解决编队的扩展性问题。图2所示为一种粒化的巡航车辆编队示意图。其中车辆向右行驶，编队的第一辆车表示头车(头车位于编队的首部)，黑色虚线框内的车辆表示一个编队粒。编队粒指的是一个编队经过粒化后的子集。本实施例中，将车队划分为多个编队粒(在车辆数目较少能够通过一个控制车辆控制整个车队时，允许只有一个编队粒，即整个车队为一个编队粒)，在每一个编队粒中选择一个控制车辆来控制当前编队粒中的其它车辆，同时由上一个(处于前方的)的编队粒中的车辆控制下一个(处于后方的)编队粒中的车辆。本实施例中相邻两个编队粒之间通过其控制车辆之间的通信完成。在其他的实施中，也可以通过上一个编队粒中的非控车车辆将控制信息发送到下一级编队粒的车辆中。本实施例中，根据车队行驶方向，选择编队粒中最前方的车辆为控制车辆，即头车(整个车队最前方车辆)或者代理头车。

本实施例中，实现车辆编队粒化是根据头车的通信范围对编队进行划分。代理头车是在超出头车的通信范围后能够带领编队粒成员车辆组成编队的头车。图2中信息流的方向表示车辆之间通过无线通信方式(例如ieee802.11p或c-v2x)传递的控制信息，本实施例中，控制信息为车辆行驶状态信息(即行驶参数)。头车的信息传递到第一个代理头车和它们之间的车辆，代理头车1根据信息流的方向发送自身的状态信息，包括行驶参数信息中的加速度信息。图2所示的示例中，车队包含8辆车，被划分为3个编队粒，按照运行方向从前向后：第一编队粒包括车辆1(头车)、车辆2、车辆3、车辆4；第二编队粒包括车辆4(代理头车)、车辆5、车辆6、车辆7；第三编队粒包括车辆7(代理头车)、车辆8。每个编队粒中的头车(车辆1、车辆4、车辆7)向其所在编队粒成员发送自身行驶参数信息。同时编队粒头车还向其后方编队粒头车(也是当前编队粒的尾车)发送行驶参数消息：车辆1发送信息到车辆4，车辆4发送消息到车辆7。车队中每个车辆(除尾部车辆)还向其后方紧邻车辆发送自身行驶参数信息，如：车辆2发送信息到车辆3，车辆3发送消息到车辆4。编队中的车辆(除最前方的头车)根据接收到的前方相邻车辆和所在编队粒的头车或代理头车的行驶参数信息，计算自身行驶参数信息，并据此自动行驶。下面对车队的粒化方法做进一步描述。

粒化方法来源于物理学，它是一种可逆的过程，能够把大的物体分成小的粒，且粒与粒之间存在内在联系，也能由这些粒组合成一个大的物体。车辆编队可以看作一个长度无限的车辆纵向队列，车辆之间通过无线通信的方式传递信息，从而形成一个紧密联系的编队。当用户想要得到一个较长的编队来运输货物或者巡航，在cacc方法中，头车的通信能力限制了车辆编队中车辆的数量，而粒化方式能够在无信号区域通过头车及代理头车的级联耦合方式，解决头车通信距离的限制。

一般性的粒化建模描述如下：

设u是一集合，其中的元素称为数据，称u为数据集。

粒化方法就是对u中的数据按照某种规则进行合并数据的操作。设x1,x2,···,xt(t≥1)是数据集u中的一部分数据，即xi∈u(i＝1,2,···,t)。如果按照某种规则，x1,x2,···,xt(t≥1)被划分为u的一个子集，就称对x1,x2,···,xt进行了合并数据的操作。合并x1,x2,···,xt后，合并数据表示为{x1,x2,···,xt}。{x1}是t＝1的情况，意味着x1不与其他数据进行合并，{x1}与x1视为相同。

定义1设u是数据集，e＝{e1,e2,···,ek}是u的子集构成的集合，即对于ew∈e，有(w＝1,2,···,k)。如果满足下述三条：

(1)

(2)(w≠j且1≤w,j≤k)；

(3)e1∪e2∪···∪ek＝u。

则称e＝{e1,e2,···,ek}是数据集u的合并粒化集，其中的元素ew(i＝1,2,···,k)称为粒。令ew＝{x1,x2,···,xt}，当t>1时，粒ew称为数据x1,x2,···,xt的合并数据或粒化表示；当t＝1时，ew＝{x1}，此时称粒ew为x1的保留数据。

上述(1)(2)(3)表明，合并粒化集e＝{e1,e2,···,ek}就是数据集u的一种划分，它确定了u中数据合并或保留的一种方案，是合并数据和保留数据的粒化表示，这与粒计算的数据处理方式相一致。

实际上，按照粒计算研究者的数据处理思想，数据集u的划分e＝{e1,e2,···,ek}是对u的粒化，是u中数据分类组合的一种方案。因为(i＝1,2,···,k)，所以若把u看做整体，则ei是整体的部分，可看做从数据集中选定数据的聚类，该类被视为粒。粒的定义就是对直观认识的形式化表示。合并数据的粒化表示正是利用了粒的分类组合特性，此处的粒既代表了其中数据的合并方案，也用作了合并数据的表示形式。

所以，如果数据集u的合并粒化集e＝{e1,e2,···,ek}有目的给定，那么粒e1,e2,···,ek将提供数据集u中数据合并或保留的一种情况，并以粒e1,e2,···,ek的形式给予了合并数据的表示，形成了数据合并的粒化表示方法。

参考上述一般性的粒化方法，本实施例中车队粒化采用相近的思路。u表示编队车辆集合。e为u的合并粒化集，即为编队粒的集合，由u到e的过程是粒化的过程。车辆编队的粒化，是将车队集合u划分为多个子集，即多个编队粒：e1,e2,···,ek。车队集合u中的车辆按照行驶方向线性排列。粒化后的每个子集是彼此相邻的一组车辆，其中一组车辆中最前方的车辆为代理头车(或头车)，该代理头车(或头车)向其所在编队粒的成员车辆发送自身行驶状态信息。划分后的多个编队粒子集的并集为u，即没有车辆被遗漏在粒化编队之外。与一般性的粒化方法不同，本实施例中，车队划分后的多个编队粒彼此之间存在交集：每个编队粒的代理头车(不包括整个车队的头车)同时也是前方(上一个)编队粒的车尾。

在编队中通常考虑编队拓扑的形式来分析信息流的方向。下面采用矩阵变换的方式来表示信息流拓扑的粒化变换。

例如粒化方法的矩阵表示和计算过程如下。首先一个8车的理想cacc拓扑结构表示如下：

其中0到7表示编队中的8辆车，0代表头车。设aij表示矩阵内的元素，如果aij＝0，表示车辆i与车辆j之间不存在信息流，反之，存在。信息流的方向类似如图1中cacc编队所示。

假设头车的通信距离只能到第四辆车，此时化简车辆的拓扑结构，有如下的矩阵转换：

与最初的矩阵相比，粒化后的矩阵省去了0与4、5、6和7之间的通信，类似于简化了远距离车间通信，而粒{0,1,2}，{3,4,5}，{6,7}内和粒之间都是以无线的方式通信。由于头车的通信范围只能到第四辆车，则进一步简化结构得到最终的粒化矩阵。

该矩阵等价于粒化编队图示，粒化编队的方式是把代理头车作为下个编队粒的头，同时又是上个编队粒的尾。这样嵌套编队粒不仅解决了头车有限通信范围的问题，也简化了控制拓扑的结构，使得整个结构紧密结合(如图2)。对比acc的编队间的跟随行驶组成的编队，粒化的编队控制能以更加稳定的状态行驶。对比cacc的编队形式，粒化的编队具有更强的扩展性。由于矩阵计算的方式可以很容易转换成编程，所以这种智能的粒化算法可以很容易的嵌入到车载计算机中，从而根据头车的有效通信范围实现编队粒的自动划分。至于可扩展性，由于粒化具有可逆性，所以扩展性对于粒化编队方法就是它的逆过程。

实际应用中，车队的粒化过程主要是通过选择多个编队粒的头车来实现，选择多个编队粒头车的具体步骤为：

1)确定一个编队粒车头为参考头车，按照车队行驶方向的反方向，依次计算所述参考头车后方车辆距离所述参考头车的距离，将最后一辆满足所述距离不大于预定距离的车辆作为下一个编队粒车头；

2)将所述参考头车与所述下一个编队粒车头之间的车辆纳入所述参考头车所在编队粒；

3)将所述下一个编队粒头车作为计算其后方编队粒车头用的参考头车。

循环执行上述步骤1-3，从车队最前方车辆开始知道车队最后一辆车被纳入编队粒位置，初始时，选择车队中最前面的车辆为头车，也是第一个所述参考头车。

本实施例中，根据头车的有效通信范围选择代理头车(s-head)。可以使用计算机程序，输入预设头车的通信范围等参数，计算筛选出车队中的一系列头车。下面，结合附图3，对本发明实施例中计算编队粒头车数组的流程进行说明：

1)初始化参数：输入或预设车辆间最大有效通信距离lecr；参考车辆序号j＝0(0表示实际中的第个一辆车，1表示实际中的第二辆车)；参与计算距离的车辆序号i＝1(实际中的第i辆车辆)；初始代理头车数组，用于存储后续计算出的代理头车的序号，数组下标m＝0；n为车队车辆数目。

2)判断车辆i是否为距离参考车辆j最远有效通信车辆，即dij-lecr<＝0且d(i+1)j-lecr>0：

a)若是，则说明说明第i辆车在与参考车辆通信范围内，但是下一辆车(i+1)不在通信范围内。此时执行以下操作：

i.将参考车辆j加入代理头车数组，即存储在当前下标m的位置；

ii.j＝i，即下一轮计算的参考头车设置为本次最后一辆满足通信距离的车辆i；

iii.数组下标m加1，以便存下一个代理头车。

b)若否，则不执行上述a)步骤中的任何操作。

3)i序号加1，继续按照步骤1)、2)计算下一辆车的是否为代理头车，直到所有编队车辆都已经参与计算，即不满足i+1<n。

示例性的，上述计算多个编队粒的头车的算法实现可以为：

input:dij,lecr,i,j,n

output:s_head[]

1:j＝0；m＝0；

2:for(i＝1；i+1<n；i++){

3:if(di,j-lecr<＝0&&d(i+1),j-lecr>0){

4:s_head[m]＝j；

5:j＝i；

6:m＝m+1；

7}

8:elsecontinue；

9:}

其中di,j是第i辆车到第j辆车的距离。n是编队内所有车辆数。当车辆j＝0,表示车辆头车是第0个代理头车，lecr指的是头车的有效通信范围。当上述算法程序执行完毕，可以得到整个编队代理头车(由数组s-head中的各个元素记录)的车辆编号。

上述计算只是示例性的，本领域技术人员可以根据其思想进行调整，如：步骤a)下的三个执行步骤执行顺序没有要求，可以调换；存储代理车头可以动态数组等。

本实施例中，编队粒中的车辆获取其前方车辆的行驶参数信息和其代理头车(或头车)的行驶参数信息，并根据获得的信息计算自身的加速度。具体为：

t＝t-delay_time

s-headi为车辆i所在编队粒的代理头车，是第i辆车的理想加速度，是第i辆车的前方车辆加速度，为车辆i所在编队粒的头车加速度；t为预定时间，即对于车辆调整自身行驶状态到目标状态所需要耗费的时间，delay_time预定控制模式下的延迟时间；gapdes为相邻两车之间的间隔距离；n是车队的车辆数；a,b,c,d,e是设置参数。设置如下：

a＝1-w

b＝w

其中，w(b)是所述车辆i所在编队粒的头车的权重系数(通常为0.5)，a为所述前方车辆的权重系数；ξ是风阻系数，bw是信息流发送的频率。

车队成员可以根据上述计算方式，实现自动驾驶。而在在编队中头车通常是装备有acc的车辆、自动驾驶车辆或者有经验驾驶者驾驶的车辆。编队粒类似于编队，且每一个编队粒是一个完整的cacc控制的编队。粒头(代理头车)与粒头之间通过无线通信技术交换车辆信息从而形成编队。头车把信息发送到有效通信范围内的所有车辆，通信范围内的最后一辆车不是转发头车的信息而是向后方通信范围内的车辆发送自身的车辆状态信息。由于cacc控制下的车辆具有一致性，所以粒头发送的信息与头车的信息基本相同，这样循环下去就得到了粒化的cacc控制下的编队。

本公开实施例还提供了一种电子设备，其结构如图4所示，该电子设备包括：

至少一个处理器(processor)401，图4中以一个处理器400为例；和存储器(memory)401，还可以包括通信接口(communicationinterface)402和总线403。其中，处理器400、通信接口402、存储器401可以通过总线403完成相互间的通信。通信接口402可以用于信息传输。处理器400可以调用存储器401中的逻辑指令，以执行上述实施例的实现车辆编队的方法。

此外，上述的存储器401中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

存储器401作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序，如本公开实施例中的方法对应的程序指令/模块。处理器400通过运行存储在存储器401中的软件程序、指令以及模块，从而执行功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的实现车辆编队的方法。

存储器401可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。此外，存储器401可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器。

本公开实施例还提供一种实现车辆编队的方法，包括：

确定一个第一车辆作为计算用参考车辆，按照车队行驶方向的反方向，依次计算参考车辆后方车辆与参考车辆的距离，将最后一辆满足所述距离不大于预定距离的第二车辆作为下一个计算用参考车辆；

将第一车辆、第二车辆以及第一车辆与第二车辆之间的车辆纳入一个编队粒，实现编队。

按照上述步骤循环执行，依次遍历车队中的车辆，计算出多个参考车辆，通过参考车辆，将车队划分为多个编队粒。每个编队粒包括首尾两个参考车辆和参考车辆中间的车辆。预定距离可以是根据实际需求设定的距离，优选的，为车辆间最大有效通信距离。

上述选择参考车辆实现粒化编队的方法，在具体实施中，可以通过计算机程序产品来实现。具体实现方式可以从上述实施例中计算编队粒头车数组的流程和代码示例得出，不再赘述。

对车队进行粒化编队后，使用编队粒中处于前方的编队粒控制处于其后方的编队粒行驶。具体地，使用处于前方的编队粒中的最前方车辆向处于其后方的编队粒中的最前方车辆发送控制信息。本实施例中，每个车辆(除去车队车头)还接收来自其紧邻前方车辆的控制信息控制自身行驶。

进行了粒化编队后的车辆具体控制方式可以与上述实施例中的控制方式一致，不再赘述。

所述领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(ic)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。