一种基于信息物理网的车队编队控制装置及编队控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于车联网导航控制领域，是一种具备车载信息物理网络的车队编队控制 装置及编队控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着汽车工业的迅猛发展，人民收入的不断提高，越来越多的人拥有了自己的汽 车。与此同时，组队自驾游、商务出巡等多车辆组队行驶的情况越来越多。我们将这类行驶 方式统称之为编队行驶。编队行驶可以有效的整合资源，最大限度利用编队中的车辆。随 着计算机技术和无线通信技术的飞速发展，多辆智能车组成的群体系统通过协调、合作来 完成原本由单个智能车无法或难以完成的工作已经成为可能。智能车编队控制主要是指多 个智能车在群体运动过程中，能够在克服环境限制的同时还保持着期望队形，最终全体都 能够顺利到达指定目的地的控制技术。由若干辆车组成的一列线性车队以较小车间距保持 某种队形行驶，能够很好的扩充现有道路容量，降低车辆拥堵情况，提高实际交通道路利用 率，增强交通的畅通性及安全性。
[0003] 中国专利CN1975802公开了一种机动车辆编队行驶系统的控制方法，在两个以上 成员组成的车队中，各成员的车载导航系统通过GPRS技术相互通讯构成一个网络，该网络 的软件控制由以下四个机制组成：编队创建机制：以某一成员为队长，当有另一成员向队 长发送加入编队的申请时，队长可做出接受、拒绝两种选择，如队长做出接受选择，则创建 编队并取得对编队的管理权限；编队成员位置报告机制：编队成员周期性向队长报告自己 的位置信息，并由队长组织后发送到下一个编队成员；编队消息发送机制：编队成员可以 选择发送公告消息或者与某一个成员私语；编队终止机制：当队长设定的编队时间到时终 止或者由队长主动终止。该专利实现编队成员之间的通讯联络，编队成员可以选择公告方 式或者私语方式，方便地将某一消息发送给全体队员或者与某一特定队员进行点对点通 讯。但该专利并不能智能地控制车队编队的行进。
[0004] 中国专利CN101408433公开了一种车队导航系统、领航导航装置、从导航装置及 其导航方法。队导航系统包括领航导航装置，用于接收始发地和目的地信息，生成并发出导 航路径；接收卫星导航信号，计算并发出当前位置坐标；从导航装置用于接收并显示所述 领航导航装置发出的导航路径；接收所述领航导航装置发出的当前位置坐标，据此显示领 航导航装置的当前位置。本发明还提供了一种领航导航装置、从导航装置及其导航方法。领 航导航装置将最佳路径发往从导航装置，使得从导航装置只需配置移动通信功能和显示功 能便可实现导航功能，无需为车队中的每台车辆都配置全功能的导航装置，降低了车队整 体的导航成本。但该专利需要驾驶人员人工控制车速等车辆行进因素，无法智能地进行整 个车队编队的智能行进。
[0005] 中国专利CN102256207公开了一种车队导航方法。主车导航设备和各从车导航设 备分别在后台服务器上以具有唯一性的标识相区别；主车导航设备以无线方式向后台服务 器发送包括当前位置、目标位置和所属标识的信息；后台服务器根据接收的主车导航设备 的当前位置和目标位置信息，制定导航路线并将通过无线方式发送至主车导航设备；从车 导航设备以无线方式向后台服务器发送包括当前位置和所属标识的信息；后台服务器将各 从车的当前位置信息以无线方式发送至主车导航设备；后台服务器以无线方式发送包括主 车导航设备位置和与唯一性的标识相对应的从车导航设备的位置信息至从车导航设备。但 该专利需要驾驶人员人工控制车速等车辆行进因素，无法智能地进行整个车队编队的智能 行进。
[0006] 国内外学者对编队控制作了大量前沿的研究，并取得了一定的研究成果主要包 括：基于行为法、人工势场法、虚拟结构法、领航跟随法等。
[0007] 基于行为的控制方法主要是通过对车辆基本行为以及局部控制规则的设计使得 车辆群体产生所需的整体行为，这些行为包括碰撞避免、障碍物回避、驶向目标、形成队形、 保持队形和变换队形等。这种方法很容易根据当前具体情况选择合适的控制器，但是无法 明确地指出达到整体行为的局部控制规则，队形控制的稳定性很难得到保证。
[0008] 人工势场法主要是通过设计人工势场和势场函数来表示环境以及队形中各辆车 之间的约束关系，并以此为基础进行分析和控制。基本思想是智能车在一个虚拟的力场中 运动，障碍物被斥力势场包围，其产生的排斥力随智能车与障碍物距离的减少而迅速增大； 目标点被引力势场包围，其产生的吸引力随智能车与目标点的接近而减少；在合力的作用 下智能车沿最小势能的方向运动。这种编队方法缺点是势场函数设计比较困难，而且存在 局部极值点的问题。
[0009] 虚拟结构法是将智能车编队队形想象成一个刚体的虚拟结构，该结构上固定的各 点对应各智能车的位置，智能车根据刚体上相应固定点的移动来调节自己的运动即可形成 指定队形。这种方法要求队形按照刚体的虚拟结构运动，这种集中控制方式使得多智能车 系统的运动缺乏灵活性和适应性。
[0010] 领航跟随法是将队形中的某些智能车作为领航者，其他智能车为跟随者，将队形 控制问题变换为跟随者跟踪领航者位置和方向的问题。领航跟随法的优点是队形运动完 全由领航者轨迹确定，控制简单便于实现，即使领航者受到干扰也不会影响整个队形，可以 把编队控制问题简化为独立的跟踪问题，每个智能车只需要获得它的领航机器人的状态信 息，从而大大简化了队形间的合作问题；缺点在于领航者和跟随者的控制相对独立，领航者 很难得到跟随者的跟踪误差反馈，会损失全局最优性。
[0011] 除了上述的四种编队控制方法以外，车辆编队还有MPC模型预测控制、基于图论 的队形控制，神经网络编队控制一些方法，这三种方法控制比较复杂，实现比较困难。
[0012] 目前国内的车辆编队的研究多在控制模型和控制策略等理论研究，并未提出一种 可行的应用到实际当中的车辆编队控制行驶的方法。
[0013] 因此，可以实现智能车实时自主编队行驶且可以回避障碍物的车队编队时本领域 迫切解决的技术问题。
【发明内容】
[0014] 本发明公开了一种基于信息物理网的车队编队控制装置及控制方法，可以实现避 开障碍物的智能车实时自主编队行驶。
[0015] 第一方面，本发明公开了一种基于信息物理网的车队编队控制装置，其中，所述车 队包括领航车辆（R1)和跟随车辆（R,)，设在车队中的每辆车狀、R,)上的所述车队智能避 障装置包括车外传感器模块、GPS定位模块、无线通信模块和中央处理单元模块。
[0016] 车外传感器模块包括用于检测前方障碍物的红外传感器和用于检测车行驶速度 的速度传感器。
[0017] GPS定位模块安装在每辆车（民、R,)前端中间位置用于实时采集所述车的位置信 息且同步时间。
[0018] 所述无线通信模块包括无线网卡和无线路由器用于与所述车队中的其他车辆建 立网络连接。
[0019] 用于实现通信和应用协议的所述中央处理单元模块通过所述无线通信模块接收 车辆的速度、位置信息并处理，其中，当红外传感器检测前方存在障碍物，所述中央处理单 元模块通过公式（F-I)计算获得跟随车辆（R,)的线速度（ V])和角速度（ω ])，公式（F-I) 如下：
[0020]
[0021] 为常数，I1,为领航车辆（R1)和跟随车辆（R,)之间的相对距离，d表示跟随车辆（R,)质心 到轴心的距离，其中定义虚拟车辆Rk，它以恒定线速度Vk相切于障碍物的方向Θ ,沿着障碍 物运动，即9k的运动方向Vk始终垂直于R j与虚拟车辆Rk的连线δ jk，S jk表示跟随车辆 (Rj)与障碍物间的最近距离，9k为虚拟车辆R k相切于障碍物的方向，Θ P Q j分别是领航 车辆（R1)和跟随车辆（Rj)的角度，Vp v#别是领航车辆（R1)和跟随车辆（Rj)的线速度， Φ ^和U,分别表示领航车辆（R1)和跟随车辆（R,)间相对角度和距离；跟随车辆（R,)通过 CAN总线将中央处理单元模块获得的线速度（v])和角速度（ω ])发送到车辆控制器进行调 整跟随车辆（Rj)的线速度（Vj)和角速度（W j)从而确保车队在编队的情况下进行避障。 [0022] 当红外传感器检测前方不存在障碍物，所述中央处理单元模块通过公式（F-2)计 算获得领航车辆（R1)根据参考轨迹所需控制的线速度（V1)和角速度（W1)，公式（F-2)如 下：
[0023]
其中，vr、《r分别 为参考轨迹的线速度和角速度，ε、k2、k3均为常数，0<a<l，位姿误差6 1= [xlf；，ylf；，Q1J T收敛到零，
[0024] 所述中央处理单元模块通过公式（F-3)计算获得跟随车辆（R,)根据参考轨迹所
[0025] 需控制的线速度（(V])和角速度（ω,)，公式（F-3)如下：
[0026]
[0027] 其中匕、1^5、1^6太均为正实数，11)1^和1 1^分别表示领航车辆〇?1)和跟随车辆氓） 期望的角度和车间距，<