一种自动驾驶车辆编组方法与流程

本发明属于自动控制与车载自组织网络技术应用领域，涉及一种自动驾驶车辆编组方法。

背景技术：

自动驾驶车辆，又称作无人驾驶车或智能车。依靠雷达、激光雷达、全球定位系统、里程计和视觉计算等多种技术，自动驾驶汽车可对道路环境进行检测，并利用车内先进的控制系统来对感知到的道路信息进行分析，从而实现路径规划和自动避障等自动驾驶行为。车载自组织网络作为智能交通系统的重要基础之一，能够在车辆之间、车辆与固定接入点之间及车辆与行人之间形成开放式移动adhoc网络，其目标是在道路上构建一个自组织的、部署方便、费用低廉、结构开放的车辆间通信网络，提供无中心、自组织、支持多跳转发的数据传输能力，以实现事故预警、辅助驾驶、道路交通信息查询和internet接入服务等应用。车载自组织网络的出现使智能车辆能够通过通信网络即时获取车辆控制所需的相关信息，使车辆具备协同合作的能力，也为自动驾驶车辆编组提供了支持。

自动驾驶车辆编组是指若干智能车辆按照指定间距策略形成的高速稳定队列，车辆能够在行驶过程中保持很小的车间距，跟随车辆采用自动控制技术代替人为驾驶。其主要特点是将在同一车道上的智能车辆组成一个队列，并使所有的车辆都以相同的速度行驶，同时与前车保持固定间距。相比于单个智能车辆的独立驾驶而言，车队协同驾驶的潜在优势主要表现在以下几个方面：(a)增大交通容量，同时减少交通拥堵。这是因为在智能车队协同驾驶过程中，相邻车辆间的间距可以保持很小，甚至可以低至几米，同时不影响车辆的运行速度。这也就意味着，智能车队协同驾驶也能大大缩短通勤者在上下班高峰期时的时间浪费。(b)增加燃油效率并减少尾气排放。在智能车队协同驾驶过程中，车辆间流线型的行驶方式可以减小车辆运行过程中的空气阻力。(c)减少交通事故并提高行车的舒适度。智能车辆的行为可预测，反应速度快，感知准确，以及不知疲倦的特性，都是人类驾驶员所无法越级的优势，这使得智能车辆的无人驾驶在安全性上得以提高。而另一方面，在将智能车辆组成车队的过程中，更多先进技术将用于车队的控制，从而进一步提高智能车辆的安全。(d)有助于车辆间信息共享。同一车队内的智能车辆间具有相对固定的间距，这可能会显著提高车辆自组织网络的性能，从而更好的实现车辆间的数据共享或信息传播。

目前，针对自动驾驶车辆的编组问题还没有完善的解决方案，这也是车辆编组应用与使用的重大瓶颈之一。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种自动驾驶车辆编组方法，可实现若干智能车辆按照指定间距策略形成的高速稳定队列，实现安全、稳定的车辆编组。

本发明提供一种自动驾驶车辆编组方法，包括：

车辆编组中的头车定期向尾车和跟随车辆广播道路信息和自身行驶信息，并实时接收尾车和跟随车辆的行驶信息，以及尾车转发的源自其他编组的头车发出的道路信息；

车辆编组中的头车接收尾车和跟随车辆的离开请求，对道路状况进行判断后，若同意该请求，则头车向离开车辆的后车发送自身行驶信息和离开车辆的前车的行驶信息；

车辆编组中的头车接收道路上的自由车辆发出的加入请求，判断该车辆是否具备加入编组的条件，若同意该请求，头车将车辆加入位置、编组速度以及编组所在车道信息发送给待加入车辆。

在本发明的自动驾驶车辆编组方法中，所述头车、尾车和跟随车辆都设有无线射频收发器和车载控制器；车辆编组中的车辆通过dscr专用短程通信技术，使用ieee802.11p协议实现编组内车辆的互联；车辆通过车载控制器完成编组控制与管理。

在本发明的自动驾驶车辆编组方法中，所述车辆编组中的车辆通过dscr专用短程通信技术，使用ieee802.11p协议实现编组内车辆的互联具体为：

所有信息的传输均在控制信道中进行，并使用时分多址令牌传递接入信道；在一个信标循环tc中，所有车辆在其相应的时隙ts中传输数据；tc与ts的关系为tc＝10×ts；

头车在时隙ts1向编组内其他车辆广播信息，对于编组中的车辆j，在相应的时隙tsj向其后方的车辆传输数据；在所有车辆接收到数据以后，各车辆的车载控制器根据得到的信息计算出期望加速度，并且在每个信息更新周期tc结束时通过车辆控制器执行这一期望加速度指令。

在本发明的自动驾驶车辆编组方法中，判断该车辆是否具备加入编组的条件具体包括：判断编组中车辆数目是否超出上限、判断待加入车辆与编组之间的距离是否接近、判断车辆加入是否会引起交通事故。

在本发明的自动驾驶车辆编组方法中，所述车辆编组中的车辆在同一车道组成一条队列，所有的车辆都以相同的速度行驶，同时与前车保持固定间距，编组期望车间距表示为：

dres,i(t)＝ds+hvi(t)(1)

式中，dres,i(t)是期望车间距；ds是静止时车辆间的距离，即最小的安全车间距；h代表车间时间间距，对于同类型车辆组成的编组该值不变；vi(t)表示车辆i在t时刻的速度；

编组的成员数量随着车辆动态加入和退出车队不断发生变化，为了保证编组内单跳通信连通性和队列稳定性，编组的成员数的上限满足下列条件：

其中，nmax是编组的成员数的上限，dcon是车载通信网络中车辆的最大通信范围，l是车身长度。

在本发明的自动驾驶车辆编组方法中，编组中车辆i的动力学简化线性模型表示如下：

其中，di(t)是车辆i和前车i-1的间距函数，di1(t)是车辆i和头车的间距函数，v1(t)是头车的速度函数，vi(t)是车辆i的速度函数，vi-1(t)是前车i-1的速度函数，ai(t)是车辆i的加速度函数，是车辆i的车载动力学装置的固有滞后量，ui(t)是车辆i的期望加速度函数；

在t时刻车辆i和其前车i-1分别处于qi(t),qi-1(t)位置，车辆之间实际间距和期望间距的误差函数可以表示为：

ei(t)＝[qi-1(t)-qi(t)-l]-dres,i(t)(4)

车辆i的车载控制器的简化线性模型为：

其中，zi(t)是输入信息经过车载控制器处理后的加权信息，u1(t)是头车的期望加速度函数、ui-1(t)为车辆i-1的期望加速度函数、θ是车辆间传递信息的通信延时；k1(t)、k2(t)、k3(t)分别表示车辆i和前车i-1的间距误差的时域控制增益、速度误差的时域控制增益和加速度误差的时域控制增益，k4(t)表示前车的加速度的时域控制增益，k5(t)表示头车的加速度的时域控制增益；

根据恒定时间间距策略有：

恒定时间间距策略的传递函数为：

车载控制器的输出期望加速度和车辆位置信号拉氏变换的关系为：

采用h∞优化控制理论分析包含被控子系统和控制子系统的车载控制器的闭环线性模型，可得车载控制器的输出信号和头车以及前车加权输入信号之间关系的频域表达式：

其中，车间通信时延的频域表达为t(s)＝e^-τs。

在本发明的自动驾驶车辆编组方法中，h代表车间时间间距；为定值表示车载动力学装置的固有滞后量，φ代表制动装置时间延时；t(s)＝e^-τs，τ是车辆间传递信息的通信延时，假设同时接收到来自相邻前车和头车的信息，且所有车辆的车载收发设备相同，τ恒定。

在本发明的自动驾驶车辆编组方法中，正常行驶时编组中的跟随车辆只向它相邻的后方车辆发送行驶信息。

在本发明的自动驾驶车辆编组方法中，所述道路信息包括道路中的车辆密度、道路的拥堵状况、是否发生交通事故、交通信号灯与指示牌情况。

在本发明的自动驾驶车辆编组方法中，所述行驶信息包括：车辆的加速度、速度以及位置。

本发明的一种自动驾驶车辆编组方法，基于自动驾驶技术以及车载自组织网络提出了一套完整的自动驾驶车辆编组方案。通过定义编组结构对道路中存在的车辆进行分类、明确了编组中车辆的功能与职责、从而建立了完整的编组架构；针对编组中车辆之间信息传递过程，提出了编组的信息传递方案，在避免编组内信息拥塞的同时为车载控制器输入信息的发送与接收提供了保障；考虑编组中车辆驾驶行为之间的相互影响设计了适应编组行驶要求的车载控制器，充分保证编组结构的稳定；面向编组中车辆的加入和离开操作，制定完善的编组管理策略，进一步增强编组的安全性和拓展性。使用本文设计的车辆编组方法能够保证若干行驶在道路中的自动驾驶车辆有效形成编组，进而提升交通容量、减少交通拥堵、增加燃油效率并减少尾气排放。

附图说明

图1是本发明的一种自动驾驶车辆编组控制方法的框架图；

图2是本发明的一种自动驾驶车辆编组控制方法的流程图；

图3是本发明的编组结构示意图；

图4是本发明的编组通信过程图；

图5是本发明的车载控制器的闭环线性模型图；

图6是本发明的编组管理的流程图。

具体实施方式

如图1-6所示，本发明的一种自动驾驶车辆编组方法，依附于自动驾驶车辆和车载自组织网络通信技术。该方法通过编组结构、编组通信、编组控制、编组管理四个模块实现。

如图1所示，在编组过程中四个模块协调合作。编组结构是所有模块中的核心，它主要负责编组成员的设定以及编组大小的约束，编组通信、编组控制和编组管理均为维持编组结构提供服务。编组通信与编组控制实时交互，编组中的车辆通过编组通信获取车辆的位置、速度和加速度等信息，车载控制器使用这些信息做出控制决策，完成对车辆驾驶行为的控制并实现车辆之间的跟车行驶，进而实现编组控制。编组管理是在编组控制与编组通信的基础之上建立，根据道路中车辆的不同需求，编组中的车辆可以按照自身的驾驶要求选择继续留在或者离开编组，同理，道路中的自由车辆也能够随时选择加入编组。

如图3所示编组结构示意图，道路上的车辆被划分为四个类型，分别是：头车，尾车，跟随车辆以及自由车辆。由于车辆的位置不同，导致这四类车辆在车辆编组行驶中担任不同的角色、实现不同的功能。

头车，即位于编组中的第一辆车，其在编组中主要负责完成：(1)在先进交通管理系统的帮助下形成编组，同时通过车载控制器对编组进行管理。其中包括：控制编组中的车辆数目，使之不会超过所规定的数量；定期向编组中的车辆广播编组控制信息，包括车辆的行驶行为、道路交通状况以及事故预警等信息。(2)收集源自尾车或跟随车辆的信息，包括申请加入或离开编组的信息以及各个车辆的速度或加速度信息等；同时向其他车辆发送或转发信息，包括向其所在编组的尾车或跟随车辆发送加速或减速的控制信息，以及向前一个编组的尾车发送道路信息。

尾车，即跟随在编组最后的车辆。对一个编组而言，尾车主要负责编组间的通信，即负责将源自其他编组的头车的信息转发给其所在编组的头车，或接收源自其所在编组头车发送过来的信息同时将该信息转发给后一编组的头车。由于位于不同编组内的两辆车时常超出了彼此的通信范围，所以尾车在编组与编组之间的通信过程起着至关重要的传输中继的作用。

跟随车辆，即编组中位于头车和尾车之间的所有其他车辆。一个编组主要由头车、尾车以及跟随车辆组成。

自由车辆，正如名字所定义的那样，自由车辆是指当前不在编组中的车辆，其既可能跟编组位于同一车道，也可能行驶在不同车道上。由于此类车辆可能随时申请加入编组，因此，也将其称作编组的候选车辆。为方便编组的管理，当自由车辆申请加入某个编组时，其首先向该编组的头车发送请求加入信息，接收到该信息的头车依据当前编组中的车辆数、道路状况等来决定是否允许新到车辆的加入；若新到车辆被允许加入该编组，则该新到车辆将只允许从编组的最后加入。

如图2所示，本发明的一种自动驾驶车辆编组方法，包括：

车辆编组中的头车定期向尾车和跟随车辆广播道路信息和自身行驶信息，并实时接收尾车和跟随车辆的行驶信息，以及尾车转发的源自其他编组的头车发出的道路信息；

车辆编组中的头车接收尾车和跟随车辆的离开请求，对道路状况进行判断后，若同意该请求，则头车向离开车辆的后车发送自身行驶信息和离开车辆的前车的行驶信息；

车辆编组中的头车接收道路上的自由车辆发出的加入请求，判断该车辆是否具备加入编组的条件，若同意该请求，头车将车辆加入位置、编组速度以及编组所在车道信息发送给待加入车辆。

具体实施时，判断该车辆是否具备加入编组的条件具体包括：判断编组中车辆数目是否超出上限、判断待加入车辆与编组之间的距离是否较为接近、判断车辆加入是否会引起交通事故。

道路信息包括道路中的车辆密度、道路的拥堵状况、是否发生交通事故、交通信号灯与指示牌情况。正常行驶时编组中的跟随车辆只向它相邻的后方车辆发送行驶信息，包括：车辆的加速度、速度以及位置。

头车、尾车和跟随车辆都设有无线射频收发器和车载控制器；车辆编组中的车辆通过dscr专用短程通信技术，使用ieee802.11p协议实现编组内车辆的互联；车辆通过车载控制器完成编组控制与管理。所有信息的传输均在控制信道中进行，并使用时分多址令牌传递接入信道；在一个信标循环tc中，所有车辆在其相应的时隙ts中传输数据；tc与ts的关系为tc＝10×ts；

头车在时隙ts1向编组内其他车辆广播信息，对于编组中的车辆j，在相应的时隙tsj向其后方的车辆传输数据；在所有车辆接收到数据以后，各车辆的车载控制器根据得到的信息计算出期望加速度，并且在每个信息更新周期tc结束时通过车辆控制器执行这一期望加速度指令。

一个拥有n辆车的编组将控制信道时隙100ms划分为n个小时隙，通常每个小时隙为10ms。每一辆车在其位置对应的时隙上发送信息，包括速度、加速度和位置。即头车在第一个小时隙向编组中的所有车辆广播编组当前的信息，在该小时隙结束时头车停止信息的传输。进入到第二个小时隙编组中的第二辆车向其后方的跟随车辆发送其自身的驾驶信息，以此类推。当所有车辆都完成数据传输后，车辆的控制器根据所获得的信息计算出车辆的期望加速度并执行。编组的头车可以向编组中的任意一辆车发送信息，编组中的成员车辆只向它相邻的后方车辆发送控制信息，当邻近的两个编组之间需要进行通信时，前方的编组头车会先将信息输出给尾车，再经由尾车转发给下一个编组的头车，如图4所示。

编组中的车辆在同一车道组成一条队列，所有的车辆都以相同的速度行驶，同时与前车保持固定间距。编组协同控制的最终目的是为了达到当头车的加速度为零时，车辆速度与目标速度、车辆实际行驶时的车辆间距与稳定状态下的车辆间距的振荡误差最终能够趋于零。编组稳定运行的关键参数包括编组内部车间距、编组成员数量；编组期望车间距表示为：

dres,i(t)＝ds+hvi(t)(1)

式中，dres,i(t)是期望车间距；ds是静止时车辆间的距离，即最小的安全车间距；h代表车间时间间距，对于同类型车辆组成的编组该值不变；vi(t)表示车辆i在t时刻的速度；

编组的成员数量随着车辆动态加入和退出车队不断发生变化，为了保证编组内单跳通信连通性和队列稳定性，编组的成员数的上限满足下列条件：

其中，nmax是编组的成员数的上限，dcon是车载通信网络中车辆的最大通信范围，l是车身长度。

本发明方法通过设置车载控制器控制编组内车辆的加/减速维持和前方车辆的期望间距以及期望的速度。编组中车辆i的动力学简化线性模型表示如下：

其中，di(t)是车辆i和前车i-1的间距函数，di1(t)是车辆i和头车的间距函数，v1(t)是头车的速度函数，vi(t)是车辆i的速度函数，vi-1(t)是前车i-1的速度函数，ai(t)是车辆i的加速度函数，是车辆i的车载动力学装置的固有滞后量，ui(t)是车辆i的期望加速度函数；

当编组处于不稳定状态时，车辆之间的实际间距与期望车间距存在一定的误差，在t时刻车辆i和其前车i-1分别处于qi(t),qi-1(t)位置，车辆之间实际间距和期望间距的误差函数可以表示为：

ei(t)＝[qi-1(t)-qi(t)-l]-dres,i(t)(4)

通过对ei(t)求一阶导数、二阶导数，得到和相邻前车的速度误差以及加速度误差的相关信息，求导公式如下：

车辆i的车载控制器的简化线性模型为：

其中，zi(t)是输入信息经过车载控制器处理后的加权信息，u1(t)是头车的期望加速度函数、ui-1(t)为车辆i-1的期望加速度函数、θ是车辆间传递信息的通信延时，假设同时接收到来自相邻前车和领头车辆的信息，且所有车辆的车载收发设备相同，所以θ恒定；k1(t)、k2(t)、k3(t)分别表示车辆i和前车i-1的间距误差的时域控制增益、速度误差的时域控制增益和加速度误差的时域控制增益，k4(t)表示前车的加速度的时域控制增益，k5(t)表示头车的加速度的时域控制增益；

根据恒定时间间距策略有：

联立式(3)-式(8)可以得到车载控制器的被控子系统的状态空间闭环模型，表示如下：

为了对被控车辆和相邻前车以及领头车辆的参数差异进行补偿，减少外界干扰引起的动态变化，在被控子系统中使用了经过延时后的头车期望加速度函数和经过延时后的车辆i-1期望加速度函数

如图5所示为本发明的车辆控制器闭环线性模型图。在模型图中，恒定时间间距策略的传递函数为：

车载控制器的输出期望加速度和车辆位置信号拉氏变换的关系为：

其中，h代表车间时间间距；为定值表示车载动力学装置的固有滞后量，φ代表制动装置时间延时；t(s)＝e^-τs，τ是车辆间传递信息的通信延时，假设同时接收到来自相邻前车和头车的信息，且所有车辆的车载收发设备相同，τ恒定。

采用h∞优化控制理论分析包含被控子系统和控制子系统的车载控制器的闭环线性系统，联立式(7)、(8)、(10)、(11)并求拉普拉斯变换可得车辆i的车载控制器的频域表达式为：

ui(s)＝d(s){[k1(s)+sk2(s)+s²k3(s)]ei(s)+k4(s)t(s)ui-1(s)+k5(s)t(s)u1(s)}(12)

间距误差的拉普拉斯变换为：

ei(s)＝u1(s)wi-1(s)g(s)-ui(s)g(s)d^-1(s)(13)

其中，车间通信时延的频域表达为t(s)＝e^-τs，wi-1(s)表示头车对于车辆i-1的加速度传递函数。

整理可得车载控制器的输出信号和头车以及前车加权输入信号之间关系的频域表达式：

期望加速度拉普拉斯变换ui-1(s)和u1(s)前面的系数函数即为相应的控制传递函数，运用线性系统输入输出响应计算方法，输入时域信号ui-1(t)和u1(t)即可得到车辆i的期望加速度函数。

在编组的形成过程中，通常会根据相似的驾驶员驾驶习惯和车辆一致的行驶目的地等信息来进一步规划。因此，在编组保持稳定状态行驶的过程中，可能会出现具备自动驾驶能力的自由车辆申请加入编组的情况。同时也存在编组中的车辆因为到达目的地等原因离开编组的可能性。因此需要有效的车辆的编组管理方法保证在车辆加入与车辆离开编组过程中编组的稳定性和安全性。

由于头车是整个编组的管理中心，编组内的所有操作由头车进行管理和控制，所以当编组中有车要离开或者有自由车辆要加入编组时，他们必须先向头车发出离开或加入请求。编组管理流程图如图6所示。

头车在接收到一个加入请求后，通过车间通信获取到该请求车辆的驾驶信息，如所在车道、速度、目的地等等，结合这些信息与编组信息判断该车辆是否具备加入编组的条件，判断条件通常可以是：判断编组中车辆数目是否超出上限、车辆与编组之间的距离是否接近、车辆与编组的速度是否匹配、车辆与编组的行车路线是否一致、判断车辆加入是否会引起交通事故等等，可以根据用户需求自行调整。如果头车判定该请求车辆不满足加入编组的条件，则会向该车辆发送拒绝申请的信息，该车辆在接受到此信息后中止加入编组操作。如果头车判定该请求车辆符合加入编组条件，头车向申请车辆发送同意加入请求的消息。此时头车会根据编组控制原则计算出该车辆加入位置pn+1(t),pn+1(t)＝pn(t)-dres(t)，其中pn(t)表示编组中最后一辆车的位置，dres(t)表示当前时刻编组中车辆之间的期望间距。随后头车将车辆加入位置、编组速度以及编组所在车道信息发送给车辆n+1，请求加入车辆根据这些信息改变自身的驾驶状态顺利完成加入操作，成为编组的尾车，采用与编组相同的车辆控制算法跟随前方车辆行驶。

通常一辆准备离开编组的车会提前向编组头车发送离开请求，为头车争取充足的时间作出判断与决策。头车在接收到一个离开请求后，头车根据当前的道路情况以及该车辆在编组中所处的位置判断是否批准该车辆的离开请求。如果此时道路上车辆较多，路况较为复杂，车辆离开编组可能引起交通事故，那么头车将驳回该车辆的离开请求，并将这一消息发送给申请车辆，该车辆将停车离开操作。此后，头车将定期检测道路状况，一旦路况满足车辆离开编组的需求，头车将会发送信息给申请车辆以及其后方的车辆。其后方车辆在接收到此消息之后开始减速为车辆离开提供足够的空间以免发送碰撞，申请车辆在接收到同意其离开的消息之后，重新启动离开操作驶离编组，在这之后后方车辆加速前进弥补车辆离开所造成的空缺，最终完成编组的复原。

具体实施时，在车辆i离开编组之前，车辆i+1接收来自头车与车辆i的加速度、速度与位置信息作为车辆控制器的输入。在车辆i离开编组之后，车辆i与车辆i+1之间的通信断开，车辆i+1不再直接接收车辆i所发送的任何信息。此时车辆i+1的前方车辆由车辆i转变为车辆i-1，为了弥补车辆i离开所造成车辆i-1与车辆i+1之间的空缺，头车向车辆i+1发送头车的加速度、速度、位置以及车辆i-1的加速度、速度、位置，车辆i+1将这些信息作为车辆控制器的输入引导车辆加速行驶。与此同时，由于车辆i+1后方车辆的驾驶行为是受车辆i+1影响的，所以他的后面车辆会表现出与车辆i+1相同的驾驶行为。当编组达到稳定时，即车辆i-1与车辆i+1之间的间距达到了编组规定的车间距，车辆i-1与车辆i+1之间建立通信连接，车辆i-1直接向车辆i+1发送自身的加速度、速度和位置，头车将不再向车辆i+1转发这些信息。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。