一种控制汽车以簇形式编队行驶的方法与流程

本发明涉及车联网技术领域，具体涉及一种控制汽车以簇形式编队行驶的方法。

背景技术：

传统的车联网定义是指装载在车辆上的电子标签通过无线射频等识别技术，实现在信息网络平台上对所有车辆的属性信息和静、动态信息进行提取和有效利用，并根据不同的功能需求对所有车辆的运行状态进行有效的监管和提供综合服务的系统。从技术的角度来说，分为两个技术部分，即以车载应用为主的RFID感知系统技术，以及交通管理的ITS智能交通管理技术。实现车路协同技术效用，关键在于开展智能车路系统中车队协同驾驶研究，其研究领域主要涉及车队协同驾驶系统架构，车车通信技术，车队协同驾驶策略设计与实现以及交通仿真与实验技术等方面。

目前国际上车队协同驾驶系统架构主要借鉴智能车路系统体系结构和复杂大系统理论两方面。在智能车路系统体系结构方面，美国加州大学分校课题组提出分层的智能车路系统体系结构。目前具有代表性的车路协同计划有：美国车辆和道路设施系统协调计划 IntelliDrive,日本Smart way，欧盟车路协同计划CVIS,SAFESPOT。

1)基于行为的控制方法

在队形保持方面，Balch和Arch提出了一种基于行为的控制方法。该方法采用自下而上构造系统的方式，基于行为控制方法主要思想是将队形控制任务分解为一系列的基本行为，通过行为的综合来实现运动控制，对于一般的队形控制系统，其基本行为主要包括躲避障碍物、驶向目标以及队形保持等。

2)基于虚拟结构的方法

虚拟结构的基本思想是将团队的队形作为刚性结构，实际单位个体在虚拟结构中对应该结构中相对固定的一点，根据个体之间相对位置建立参考系，当队形移动时，随着参考系在空间的移动,编队的虚拟结构中与编队里每个实际个体相对应的虚拟个体也随之移动，虚拟个体的状态即为实际个体的期望状态，实际个体只需跟踪参考系上与之对应的虚拟点，这样个体之间依然保持彼此稳定的相对位置。

3)跟随领航者一方法

跟随领航者的方法的基本思想是在整个编队中指定一个或多个领航者，其余成员作为跟随者，这样就可以将队形控制问题转化为跟随者对领航者的跟踪问题，在给定领航者的行为或轨迹的情况下，设计跟随者的控制器，使跟随者能够保持与领航者的期望位姿，从而控制整个群体编队按照期望的轨迹并保持期望的队形运行。

4)模型预测法

模型预测控制考虑了动态环境的变化和过程的不确定性，用反复进行有限优化的方法，使预测控制在过程中实现优化与反馈的理想结合在个体之间通信不完整情况下，与总体队形性能相结合,这种不准确的信息被建模成白噪声，在这种框架下研究队形性能交互信息的质量。模型预测法具有较强的理论基础,但计算量较大，在实时计算、可扩展以及分布实现等方面还有待进一步的研究。

目前汽车控制主要存在如下技术难点和瓶颈：

1)安全

汽车的安全措施可以大略地分为主动安全措施(防止事故发生) 和被动安全措施(减小事故后果)。无论是主动安全还是被动安全，对于车主而言都非常重要，但国内的车主对被动安全的需求(如软防护的碰撞测试、硬防护的车身结构)要远高于主动安全的需求，并且表现地淋漓尽致。

2)稳定与效率

在动力控制、底盘控制及车身等方面做研究，受国内汽车工业水平的影响，后装市场显然在这方面不具备优势。保持车队系统的稳定性，效率直接体现在燃油的损耗上，目前大多研究都停留在理论层面，并没有给出具体的架构模型。在建模过程中主要根据群体中个体之间的几何位置建立模型,对于个体的运动学及动力学控制因素,考虑的很少。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种控制汽车以簇形式编队行驶的方法，通过建立车队纵横向动力学模型，考虑了“簇”换道和超车与车道保持策略，采用车队换道和超车策略，来衡量稳定性的指标，有效、实用、安全、稳定且高效。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种控制汽车以簇形式编队行驶的方法，包括如下步骤：

S1汽车以簇形式编队行驶，所述簇包括多个汽车队列和一个头车，汽车队列中又包括若干汽车，所有汽车都能与头车之间进行信号交换和传输；头车当中设置有信号控制系统和计算机系统，并设有 V2V通信设备；另外，所有汽车均设有V2V通信设备；

在簇中的汽车有着相同的或者部分相同的驾驶路线，汽车随着头车可以任意地变换队列；

汽车在簇的左侧区或者右侧区，或者簇的底部，比较容易离开簇，所有的汽车都能和头车交换信号，包括车的质量尺寸和预期的目的地；汽车在簇的左侧或者右侧，或者底部车能够减少插入车队的过程；簇表示如下：

其中，CH代表簇的头车，Pa1，Pb1、Pc1，…，Pk-m1，…，Pk1，…分别表示所在队列的第一辆汽车，每列的其它字母则表示该列汽车队列的其它汽车，其中Pa1所在列代表第一列车队，Pk1所在列表示最后一列车队；

S2每辆汽车通过V2V通信设备将自身实时的纵向位移、纵向速度、纵向加速度、横向位移、横向速度、横向加速度传输至头车，头车通过计算机系统根据下列各式计算每辆汽车的纵向位移、纵向速度、纵向加速度、横向位移、横向速度、横向加速度的实时调整值，并通过信号控制系统生成控制信号利用V2V通信设备向各辆汽车发送，各辆汽车根据控制信号进行调整，从而实现头车对簇中每辆汽车的横向控制和纵向控制：

1)纵向位移函数:

其中，Dnm(t)l为汽车队列中第n行第m列的汽车在t时刻的纵向位移，Dn(m-1)(t)l、Dn(m+1)(t)l、D(n-1)m(t)l、D(n+1)m(t)l则分别表示该汽车的左边、右边、前边和后面的汽车在t时刻的纵向位移；EDlt表示第n 行第m列的汽车在t时刻的纵向位移的误差；

2)横向位移函数：

Dnm(t)r为汽车队列中第n行第m列的汽车在t时刻的横向位移， Dn(m-1)(t)r、Dn(m+1)(t)r、D(n-1)m(t)r、D(n+1)m(t)r则分别表示该汽车的左边、右边、前边和后面的汽车在t时刻的横向位移；EDrt表示第n行第m 列的汽车在t时刻的横向位移的误差；

3)纵向速度函数：

其中，Vnm(t)l为汽车队列中第n行第m列的汽车在t时刻的纵向速度，Vn(m-1)(t)l、Vn(m+1)(t)l、V(n-1)m(t)l、V(n+1)m(t)l则分别表示该汽车的左边、右边、前边和后面的汽车在t时刻的纵向速度；EVlt表示第n行第m列的汽车在t时刻的纵向速度的误差；

4)横向速度函数：

Vnm(t)r为汽车队列中第n行第m列的汽车在t时刻的横向速度， Vn(m-1)(t)r、Vn(m+1)(t)r、V(n-1)m(t)r、V(n+1)m(t)r则分别表示该汽车的左边、右边、前边和后面的汽车在t时刻的横向速度；EVrt表示第n行第m列的汽车在t时刻的横向速度的误差；

5)纵向加速度函数：

其中，Anm(t)l为汽车队列中第n行第m列的汽车在t时刻的纵向加速度，An(m-1)(t)l、An(m+1)(t)l、A(n-1)m(t)l、A(n+1)m(t)l则分别表示该汽车的左边、右边、前边和后面的汽车在t时刻的纵向加速度；EAlt表示第n行第m列的汽车在t时刻的纵向加速度的误差；

6)横向加速度函数:

Anm(t)r为汽车队列中第n行第m列的汽车在t时刻的横向加速度， An(m-1)(t)r、An(m+1)(t)r、A(n-1)m(t)r、A(n+1)m(t)r则分别表示该汽车的左边、右边、前边和后面的汽车在t时刻的横向速度；EArt表示第n行第m 列的汽车在t时刻的横向加速度的误差。

需要说明的是，在实际驾驶中，还需要设定安全距离Sd，并引入缓冲区间δi，以表示距离误差；

δi＝xi-1-xi-li-1；

其中，xi代表i车的位移，xi-1代表i-1车的位移，li代表i车的长度；

设定汽车队列的转换函数是i＝1,2,3...，并且设定||Hi(s)||∞≤||Hi-1(s)∞||，i＝1,2,3,...，H∞≤1是簇稳定的必要条件。

本发明的有益效果在于：通过设计汽车以簇形式编队形式，并实现水平和纵向的控制，可以实现汽车编队形式中控制速度、加速度、位移，并可以减少时间信号的延迟。

附图说明

图1为簇的物理形式示意图；

图2为基于图1中的簇的物理形式的表达，给出“簇”中某车辆变换位置时，头车与其他相关车辆的通讯方式示意。

图3为描述车辆位移的几个参数，xi代表第i辆车的位移，Sd代表安全距离，δi代表缓冲区间，即考虑距离误差。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

如图1-3所示，一种控制汽车以簇形式编队行驶的方法，包括如下步骤：

S1如图1所示，汽车以簇形式编队行驶，所述簇包括多个汽车队列2和一个头车1，汽车队列2中又包括若干汽车，所有汽车都能与头车之间进行信号交换和传输；头车当中设置有信号控制系统和计算机系统，并设有V2V通信设备；另外，所有汽车均设有V2V通信设备；

在簇中的汽车有着相同的或者部分相同的驾驶路线，汽车随着头车可以任意地变换队列；

汽车在簇的左侧区或者右侧区，或者簇的底部，比较容易离开簇，所有的汽车都能和头车交换信号，包括车的质量尺寸和预期的目的地；汽车在簇的左侧或者右侧，或者底部车能够减少插入车队的过程；簇表示如下：

其中，CH代表簇的头车，Pa1，Pb1、Pc1，…，Pk-m1，…，Pk1，…分别表示所在队列的第一辆汽车，每列的其它字母则表示该列汽车队列的其它汽车，其中Pa1所在列代表第一列车队，Pk1所在列表示最后一列车队；

拿Pa2来说，当它准备换到Pb2，Pb3位置上时，Pb列车队改变速度和加速度，重新编队，簇的头车CH保持不变。

图2所示是基于图1中的簇的物理形式的表达，给出簇中某辆汽车变换位置时，头车与其他相关汽车的通讯方式示意。其中，横线填充的汽车为位置变换的汽车。

S2每辆汽车通过V2V通信设备将自身实时的纵向位移、纵向速度、纵向加速度、横向位移、横向速度、横向加速度传输至头车，头车通过计算机系统根据下列各式计算每辆汽车的纵向位移、纵向速度、纵向加速度、横向位移、横向速度、横向加速度的实时调整值，并通过信号控制系统生成控制信号利用V2V通信设备向各辆汽车发送，各辆汽车根据控制信号进行调整，从而实现头车对簇中每辆汽车的横向控制和纵向控制：

1)纵向位移函数:

其中，Dnm(t)l为汽车队列中第n行第m列的汽车在t时刻的纵向位移，Dn(m-1)(t)l、Dn(m+1)(t)l、D(n-1)m(t)l、D(n+1)m(t)l则分别表示该汽车的左边、右边、前边和后面的汽车在t时刻的纵向位移；EDlt表示第n 行第m列的汽车在t时刻的纵向位移的误差；

2)横向位移函数：

Dnm(t)r为汽车队列中第n行第m列的汽车在t时刻的横向位移， Dn(m-1)(t)r、Dn(m+1)(t)r、D(n-1)m(t)r、D(n+1)m(t)r则分别表示该汽车的左边、右边、前边和后面的汽车在t时刻的横向位移；EDrt表示第n行第m 列的汽车在t时刻的横向位移的误差；

3)纵向速度函数：

其中，Vnm(t)l为汽车队列中第n行第m列的汽车在t时刻的纵向速度，Vn(m-1)(t)l、Vn(m+1)(t)l、V(n-1)m(t)l、V(n+1)m(t)l则分别表示该汽车的左边、右边、前边和后面的汽车在t时刻的纵向速度；EVlt表示第n行第m列的汽车在t时刻的纵向速度的误差；

4)横向速度函数：

Vnm(t)r为汽车队列中第n行第m列的汽车在t时刻的横向速度， Vn(m-1)(t)r、Vn(m+1)(t)r、V(n-1)m(t)r、V(n+1)m(t)r则分别表示该汽车的左边、右边、前边和后面的汽车在t时刻的横向速度；EVrt表示第n行第m列的汽车在t时刻的横向速度的误差；

5)纵向加速度函数：

其中，Anm(t)l为汽车队列中第n行第m列的汽车在t时刻的纵向加速度，An(m-1)(t)l、An(m+1)(t)l、A(n-1)m(t)l、A(n+1)m(t)l则分别表示该汽车的左边、右边、前边和后面的汽车在t时刻的纵向加速度；EAlt表示第n行第m列的汽车在t时刻的纵向加速度的误差；

6)横向加速度函数:

Anm(t)r为汽车队列中第n行第m列的汽车在t时刻的横向加速度， An(m-1)(t)r、An(m+1)(t)r、A(n-1)m(t)r、A(n+1)m(t)r则分别表示该汽车的左边、右边、前边和后面的汽车在t时刻的横向速度；EArt表示第n行第m 列的汽车在t时刻的横向加速度的误差。

从上述各式可以看出，头车是通过每辆汽车前、后、左、右四辆汽车的对应的平均值来对每辆汽车进行调整的，这个调整是随着时间的变化不断进行的过程。

需要说明的是，由于是针对对某一时刻t的描述，以上D,V,A代表的位移，速度，加速度均代表理论值。实际V，A均可以超过周围 4辆汽车的最大值。

需要说明的是，在实际驾驶中，还需要设定安全距离Sd，并引入缓冲区间δi，以表示距离误差；

δi＝xi-1-xi-li-1；

其中，xi代表i车的位移，xi-1代表i-1车的位移，li代表i车的长度。

在实际生活与应用中，安全距离Sd是根据不同城市、不同道路等不同条件确定的。

设定汽车队列的转换函数是i＝1,2,3...，并且设定||Hi(s)||∞≤||Hi-1(s)∞||，i＝1,2,3,...，H∞≤1是簇稳定的必要条件。

簇和队列相比，簇的优势是驾驶的效率和稳定性，一个最显著的优势是，可以减少空气上的阻碍和减少燃料消耗。

如图3所示，因为随着距离的延长，信号会产生越加严重的损耗或延迟，而汽车又是根据头车的信号来决定加速或减速，因此决定车队的长度是至关重要的因素，且纵向、控制是横向控制的基础，而纵向控制可以简化成一维或者二维控制模型。基于此，本发明设计了安全距离，既可以满足最长单个车队的需要，又可以直接减少安全隐患。

由于实际背景，还可以通过定义目标车辆和跟随车辆的角速度，角度和横向的偏差，来显示水平的速度在行驶中是稳定的，簇的稳定形式可以被描述成线性的。

在实际驾驶中，还需要描述簇中车辆的质量和尺寸的信息，以便根据安全距离重新调整簇中的车辆。

为了设计模型模拟出机动驾驶系统，本发明推演和假设一个转换函数方程，在稳定系统下，整个系统在傅里叶变换后其波动是规则的、周期性的、稳定的。

首先简化模型：

假设是一个不确定系数分母和表示车状态的转化函数，可以证明，为了方便计算，n小于等于2。

于是经过变换后，等式左侧y等于稳定系统下的频率，第二项代表扰动情况下的变化。可以认为，在稳定情况下，B＝0。

在控制理论中，输入信号将转化为输出信号输出信号输入系统和输出系统相互反馈。

方程代表簇系统经过傅里叶变换。

任取一辆车辆：

同理对于系统中的每一车辆，wn均满足上式。若则稳定。

S项代表其展开式，E代表常数，在简化模型部分我们已经指出，通常情况下m小于等于2。

w1满足以下条件，可以在代数上进行处理。

其次实测模拟过程中：

绘出每辆车的傅里叶变换后的频率曲线，将左右曲线叠加，再比对稳定情况下的频率曲线，可以深度刻画簇模型的稳定性情况与变换情况。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，作出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。