高速公路交织区协同自适应巡航优化控制方法

1.本发明涉及车联网与智能驾驶领域，主要涉及车联网与车辆自动控制领域的关键技术，公开高速公路交织区协同自适应巡航优化控制方法，属于计算、推算或计数的技术领域。

背景技术：

2.高速公路交织区是限制高速公路通行能力的关键路段，也是高速公路中碰撞事故发生频率较高的路段。如何提升高速公路交织区中的车辆通行能力，提升交织区中车辆的驾驶稳定性与安全性，越来越受到研究者的关注。近年来，随着无线通信技术的不断进步，车联网领域也在不断地完善，其中，车车通信和车路协同通信技术的发展，给协同自适应巡航控制(cooperative adaptive cruise control，cacc)技术带来了新的发展机遇，车联网技术是实现车辆之间协同行驶的基础，是实现车辆间信息传递的有效方式之一。
3.协同自适应巡航自动驾驶技术作为自适应巡航术(adaptive cruise control，acc)的延伸。acc车辆主要依靠车载雷达和视屏处理设备来感知自身所处的交通环境；而cacc车辆不仅利用雷达和视屏设备来感知环境，还通过车载网络通信设备来组建自组织局部通信网络，并且形成的局部v2v和v2i网络实时传递交通上游的车辆行驶信息，各辆车在行驶状态信息共享的基础上，就可以实现协同行驶。协同行驶不仅可以提升道路的交通通行能力，还可以提升车辆行驶的安全性，降低车辆追尾的风险。
4.高速公路交织区通常是高速公路中的瓶颈区域，它不仅影响着高速公路整体的通行效率，也是交通安全管理的关键性区域。目前，对自动驾驶车辆协同编队控制的研究基本处于试验阶段，所考虑的交通场景较为简单，并不能充分满足自动驾驶车队在高速公路交织区中实现稳定的协同自动行驶的要求。目前的研究对cacc车队在高速公路交织区中广泛存在的切入-切出车辆干扰的关注还比较缺乏。现有的自适应巡航控制算法主要考虑高速公路常规路段的车队协同行驶，而随着车联网技术和协同控制编组行驶技术的发展，满足cacc车队在高速公路各个区段都能实现协同行驶的控制系统将成为科技发展的必然要求。本发明旨在提出高速公路交织区协同自适应巡航优化控制方法，融入了针对交织区中非网联车辆切入切出干扰的前馈控制模块(内嵌加速度控制算法)与传统的自适应巡航控制系统相比，本文提出的网联协同巡航控制算法其主要优势在于通过前馈模块及其内置算法减小了因为不确定切入-切出干扰带来的负面影响，提升了网联协同车队在高速公路交织区中行驶的稳定性和驾驶舒适度。

技术实现要素：

5.本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供高速公路交织区协同自适应巡航优化控制方法，融入针对交织区中非网联车辆切入切出干扰的前馈控制，实现高速公路交织区自适应巡航优化的发明目的，解决的技术问题是现有的车辆队列在协同自适应巡航控制时不能很好得消除因为高速公路交织区中变道车辆的切入-切出等干扰对交通安全
和车队稳定性产生的消极影响。
6.本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
7.协同行驶车队中的受控车辆通过车载装置获取当前道路环境下各辆协同行驶车辆在车队中的位置。假设当前车队由n+1辆网联自动驾驶汽车组成，那么车队的第一辆车记为头车car0；队列中的除队首车辆的任意车辆记为cari,其中，下标i表示车辆在队列中的跟驰位置。
8.步骤s1：协同行驶车辆利用车载雷达和定位装置获取cacc车队中各车的实时位置、速度和加速度信息。
9.步骤s2：在cacc编组车队的内部，各被控车辆，通过v2v车联网通讯实现车辆行驶信息的共享。根据共享的各车的行驶信息车载运算系统即可以计算得到本车与前车的相对位置di＝x
i-x
i-1
,其中xi,x
i-1
分别表示本车与前车的绝对位置坐标。
10.步骤s3：根据前两个步骤得到的车间距误差和速度误差，控制器根据当前车速以及车辆当前运行状态调整控制输出，补偿当前车队中车辆间的距离误差。
11.其中c1代表被控车辆的前车与队列头车的比重值，其值一般取(0,1)之间；ξ代表系统的助理系数比，临界阻尼可以设置为1；ωn表示控制器的带宽。按照以上公式进行组织起来的cacc车队，车辆就可以以恒定间距来跟踪前车。
12.步骤s4:根据当前车辆输出的期望加速度，车辆更新本车的位置、速度和加速度信息，并将其再次传递给cacc编组车队中的其它车辆，同时计算并更新当前各车之间的距离误差。
13.步骤s5：自动驾驶控制的前馈控制控制模块监听cacc车队中的各车是否有特定的交通行为请求如：离开cacc队列或者等待加入cacc队列的请求。当监听到邻近车道的车辆有加入或者离开协同车队的请求时，前馈加速度变化限制的高速公路交织区协同自适应巡航控制模块，将会对切入切出cacc车排干扰，进行前馈控制，其模块内的加速度变化限制算法的具体的算法表达式为：
[0014][0015][0016]
其中公式(1)表示cacc控制系统接收到有车辆队要切出队列离开cacc排的信号时所启动的前馈控制模块中的内置控制算法，表示第i辆车的最大加速度；表示当前时刻的加速度值；fi(δt/t
al
)表示加速度限制的限制函数。公式(2)表示cacc控制系统接收到有相邻车道的车辆发出的加入cacc排的信号时所启动的前馈控制模块中的内置控制算法，表示第i辆车的最大减速度值。
[0017]
步骤s6：根据实际的交通状况控制系统选择是否触发前馈控制系统中的加速度变化限制模块。如果有cacc车辆离开cacc车队编组其紧邻的后一辆cacc车辆的控制系统触发前馈加速度变化限制模块，避免突然加速度变化太大，而产生的危险驾驶行为。
[0018]
进一步地，步骤s5中，采用基于mpc的滚动预测算法来对前车和相邻车道的可能出现切入-切出的交通行为进行预测，具体为：对监听车辆在未来一段时间内的横向位置进行
预测，根据预测序列中各预测值计算的横向位置函数值未超过阈值时，判断被监听车辆切入cacc车队，根据预测序列中各预测值计算的横向位置函数值超过阈值时，判断被监听车辆切出cacc车队。
[0019]
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
[0020]
(1)本发明提供的协同自适应巡航控制方法，包含车辆信息传输的信息的设计，在本发明中受控车辆在协同编组驾驶的过程中，在实时地向队列中的其它车辆发送本车位置、速度、加速度的同时，信息接收装置也不间断地接收由其它车辆发来的驾驶信息，受控车辆主要关注前车与cacc队列头车的驾驶信息，能够实现cacc车队中各车稳定跟驰前车的目的。
[0021]
(2)本发明提供的高速公路交织区车辆自适应巡航控制方法中加入前馈加速度变化限制操作，可以有效避免因为相邻车道的车辆的切入切出而导致的受控车辆突然猛烈加速或减速的行为，避免因为切入切出干扰而产生的危险驾驶行为。
附图说明
[0022]
通过阅读参照以下附图对高速公路交织区车队协同控制系统的详细描述，本发明申请的其它技术特征、发明目的和性能优点将会变得更明显。
[0023]
图1是本发明基于改进的车队协同行驶控制算法提出的针对高速公路交织区车队协同行驶的控制系统而设计的数据采集及处理过程示意图。
[0024]
图2是本发明提出的基于改进的车队协同行驶控制算法在高速公路交织区的应用实例示意图。
[0025]
图3是本发明提出的基于模型预测控制算法识别前车交通行为的示意图。
[0026]
图4是本发明提出的高速公路交织区协同自适应巡航控制算法的控制框架示意图。
具体实施方式
[0027]
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
[0028]
如图2所示，本发明提供了一种改进的val-cacc(variable acceleration limit-cacc)自适应巡航控制方法，对高速公路交织区中cacc协同行驶的车队中的自动驾驶车辆的加速度进行可变控制，避免因为外界的干扰而出现剧烈抖动性。利用车载通信设备提前感知交织区中车辆的变道请求，本发明中的val-cacc控制系统中的前馈控制模块对变道干扰进行前馈控制。本发明主要用于车辆队列在高速公路交织区中的协同行驶，并抑制因车辆变道行为而对cacc队列产生的干扰。在本发明的控制系统结构和控制算法的控制下，加速度变化得到了限制，可以提升高速公路整体的通行能力，缩短交织区中自动驾驶车队的行程时间，同时也提升了高速公路交织区中cacc自动驾驶车辆队列的稳定性和安全性。
[0029]
如图1所示，基于v2x通信的高速公路交织区加速度变化限制前馈协同自适应巡航控制方法，包括步骤s1至步骤s6。
[0030]
步骤s1：通过车载定位装置获取当前道路环境下协同行驶车队中各辆汽车的相对位置和绝对位置。如图2所示，假设当前车队由n+1辆网联自动驾驶汽车组成，那么车队的第一辆车记为头车car0；队列中除队列首车的任意车辆被记为cari,其中，下标i表示车辆在队
列中的跟驰位置。当装载了车载通信系统的车辆形成自组织局部车联网时，协同自适应巡航车队的构建才能够完成。v2x车联网系统，如图2所示，不仅包含车车通信系统(v2v)，还包含了车路协同通信系统(v2i)。其中的车载通信系统主要采用ieee 802.11p智能交通系统专用通信移动自组织组网技术。一方面通过v2v通信系统可以实时掌控前车的行驶信息；另一方面通过v2i通信，cacc车队中的所有车辆都可以获队列头车的行驶信息，这是本发明采用恒定车头间距的通信基础。受控车辆在协同编组驾驶的过程中，在实时的向队列中的其它车辆发送本车的位置、速度、加速度的同时，信息接收装置也不间断的接收由其它车辆发来的驾驶信息，受控车辆主要关注前车与cacc队列头车的驾驶信息，通过车辆id识别的方法，来实现提取重点关注车辆的驾驶信息。
[0031]
步骤s2：利用车载雷达和定位装置获取cacc车队中各车的实时位置、速度和加速度信息。在cacc编组车队的内部，各被控车辆通过v2v车联网通讯实现车辆行驶信息的共享。根据共享的各车的行驶信息车载运算系统即可以计算得到本车与前车的相对位置di＝x
i-x
i-1
，其中，xi,x
i-1
分别表示本车与前车的绝对位置坐标。
[0032]
步骤s3：根据前两个步骤得到相邻两车的位置误差以及相邻两车速度的差值，相邻两车的位置误差为εi＝x
i-x
i-1
+li,，εi为当前车辆i与前车的位置误差值，即，当前车辆与前车的车头间距误差，li为当前车辆i与前车的恒定车头间距值，控制器根据当前车速以及车辆当前运行状态调整控制输出，补偿当前车队中车辆间的距离误差。受控车辆的控制算法如下：
[0033][0034]
其中，a
i,des
表示受控车辆i的期望加速度；a0表示队列头车的加速度；a
i-1
表示受控车辆i的前一车辆的加速度；c1代表示受控车辆i的前车与队列头车的权重值，表示受控车辆对队列首车的控制信号的反应，其值一般取(0,1)；ξ代表系统的助理系数比，临界阻尼可以设置为1；ωn表示控制器的带宽；εi分别表示受控车辆i与其紧随车辆的间距误差，为εi的导数；v
i-v0表示受控车辆i和队列头车的速度之差。按照以上公式组织cacc车队，cacc队列中的各车辆就可以以恒定间距来跟踪前车。
[0035]
步骤s4:根据当前车辆输出的期望加速度，车辆更新本车的位置、速度和加速度信息，并将其再次传递给cacc编组车队中的其它车辆，同时计算并更新当前各车之间的距离误差。
[0036]
步骤s5：自动驾驶控制的前馈控制控制模块监听cacc车队中的各车是否有特定的交通行为请求，这里前馈控制模块主要监听临近车道的占用情况，以及队列中的车辆是否有发出离开队列的请求，如：离开cacc队列或者等待加入cacc队列的请求。
[0037]
为了对前车的切出行为和临近车道的切入行为进行识别，本发明采用模型预测算法对前车轨迹和相邻车道的车辆的侧向位移进行预测，并对其是否存在切入切出行为进行判断。如图3所示，本发明利用基于mpc的滚动预测算法来对前车和相邻车道的可能出现切入-切出的交通行为进行预测。mpc预测控制算法采取有限的预测时间域，来求解未来最优
的控制输入。为了实现对车辆行为的滚动预测，mpc算法将每个时刻计算得到的一组最优解的第一个预测分量作为控制器的执行分量。
[0038]
在此处利用滚动模型预测算法，主要通过滚动预测算法来预测前方车辆的横向移动，预测车辆的x位置，并根据预测值判断前方车辆是否有实质性的切入或切出换道行为。滚动预测算法(mpc)将预测其监听车辆在未来一定时间的横向位置x＝[xk(k),xk(k+1),xk(k+2),...xk(k+n)]，其中xk(k+n)表示预测得到受监听车辆的k+n时刻的横向位置。利用得到的预测位置，本发明将利用公式(3)作为车辆是否存在切入-切出干扰的判断依据：
[0039][0040]
其中，f(x)表示基于滚动预测的车辆横向位移向量而设计的车辆横向位置函数，其中最常见的f(x)函数可以表示为线性推移函数，即f(x)＝ax
t
,其中a＝(α0,α1,α2,....,αn)，αi的取值可以根据工程实践的需要变换，一般情况下α0,α1,α2,....,αn的值逐渐递减，例如可以取，0.8,0.1,0.05
…
。另外，以上判据中的xk(z)表示在k时刻的车道分界位置。mpc算法每次执行的是有限时域内的局部最优解，在线实时进行滚动预测，不仅可以抵御外界干扰，还可以实时准确地预测前车的交通行为。步骤s6：当监听到邻近车道的车辆有加入或者离开协同车队的请求时，前馈加速度变化限制的高速公路交织区协同自适应巡航控制模块，将会对切入切出cacc车排除干扰，进行前馈控制，对当前车辆的加速度限制后，更新当前车辆的位置和速度，通过v2x广播更新后的当前车辆信息至其它车辆，若没有监听到邻近车道车辆有加入或者离开协同车队的请求时，返回步骤s1前馈控制模块内的加速度变化限制算法的具体的算法表达式为：
[0041][0042][0043]
其中，公式(1)表示cacc控制系统接收到有车辆队要切出队列离开cacc排的信号时所启动的前馈控制模块中的内置控制算法，表示被控车辆i的最大加速度；表示被控车辆i当前时刻的加速度值；ui(t+δt)表示被控车辆的实时控制输入量；ai(t+δt)表示被控车辆i在前车切出或切入车队的瞬时t+δt内被控车辆i的加速度限制值，fi(δt/t
al
)表示限制加速度的函数，t
al
表示加速度限制时长，一般取2-3s。此外，fi(δt/t
al
)函数可以根据实际的工程需要设计为不同的函数，典型的函数有线性函数、非线性sigmod函数等。公式(2)表示cacc控制系统接收到有相邻车道的车辆发出的加入cacc排的信号时所启动的前馈控制模块中的内置控制算法，表示被控车辆i的最大减速度值。
[0044]
控制器的框图模型如图4所示，前馈控制模块在监听到车辆k切入或切出时，前馈控制模块输出uk’、pk至反馈控制模块，对被控车辆i的加速度进行限制后，输出被控车辆的期望加速度，根据受控车辆的期望加速度，更新受控车辆的位置、速度和加速度信息，其中，其中，qi代表协同行驶队列中对被控车辆i位置的拉普拉斯变换，
ui代表被控车辆i的期望执行加速度的拉普拉斯变换，τi代表被控车辆i传动系统的时间滞后常数，θi代表车辆间信息传递的通信的时间延迟，下标i代表被控车辆在车队中的次序，s表示拉普拉斯算子。此处，反馈控制模块是否符合控制规律hi(s)＝1+his，表示车队中车辆的间距控制策略，其中hi表示车头时间距离常数。受控车辆的加速度与前车的加速度之间的传递函数可以表示为：
[0045][0046]
其中，ui(s),uk(s)分别代表受控车辆的加速度和与之相关联车辆的加速度之间的拉普拉斯变换；d
ff
(s)代表v2x车辆通信过程中时间延迟产生的滞后效应的控制模块；gi(s)代表车辆的动力学传递函数；代表传统的闭环反馈控制模块；是本控制策略中的前馈加速度控制模块。
[0047]
高速公路交织区协同自适应巡航控制方法，其特征在于，所述反馈和前馈控制模块的传递函数为：
[0048][0049]
实际上，来自前序车辆的加速度不会被放大或减小，而是直接通过单位增益，因此k
ff
的值通常取1；k
fb
表示反馈控制向量，包含两个元素分别为k
fb
(1)和k
fb
(2)；σi表示传动系统到控制系统的时间滞后常数；hi表示不同交通状况下预先设置的车头时间距离。
[0050]
步骤s6：根据实际的交通状况控制系统选择是否触发前馈控制系统中的加速度变化限制模块。如果有cacc车辆离开cacc车队编组其紧邻的后一辆cacc车辆的控制系统触发前馈加速度变化限制模块，避免突然加速度变化太大，而产生的危险驾驶行为。

技术特征：

1.高速公路交织区协同自适应巡航优化控制方法，其特征在于，获取cacc车队中各车的位置、速度、加速度，通过v2x通信系统在cacc车队中共享各车的位置、速度、加速度；求解当前车辆与前车的车头间距误差；根据当前车辆与前车的车头间距误差、速度误差调整当前车辆的期望加速度，更新当前车辆的车速和位置，通过v2x通信系统与cacc车队中各车共享当前车辆的位置、速度、加速度；监听cacc车队中各车是否有切入或切出车队的请求，在有车辆切入或切出cacc车队时，对紧跟切入或切出车辆之后的车辆的加速度进行限制，更新紧跟切入或切出车辆之后的车辆的位置、速度，通过v2x通信系统与cacc车队中各车共享紧跟切入或切出车辆之后的车辆的位置、速度、加速度。2.根据权利要求1所述高速公路交织区协同自适应巡航优化控制方法，其特征在于，所述根据当前车辆与前车的车头间距误差、速度误差调整当前车辆的期望加速度的表达式为：其中，a
i,des
表示当前车辆i的期望加速度；a0表示队列头车的加速度；a
i-1
表示当前车辆i的前一车辆的加速度；c1代表示当前车辆i的前车与队列头车的权重值，表示当前车辆对队列首车的控制信号的反应，其值一般取(0,1)；ξ代表系统的助理系数比，临界阻尼设置为1；ω
n
表示控制器的带宽；ε
i
分别表示当前车辆i与其紧随车辆的间距误差，为ε
i
的导数；v
i-v0表示当前车辆i和队列头车的速度之差。3.根据权利要求1所述高速公路交织区协同自适应巡航优化控制方法，其特征在于，所述判断有车辆切入或切出cacc车队的具体方法为：采用基于mpc的滚动预测方法预测当前车辆横向位置序列，在所述横向位置序列对应的横向位置函数值未超过阈值时，判定当前车辆切入cacc车队，在所述横向位置序列对应的横向位置函数值超过阈值时，判定当前车辆切出cacc车队。4.根据权利要求1所述高速公路交织区协同自适应巡航优化控制方法，其特征在于，在有车辆切入cacc车队时，按照如下表达式对紧跟切入车辆之后的车辆的加速度进行限制，其中，u
i
(t+δt)表示当前车辆i的实时控制输入量；a
imax
表示当前车辆i的最大加速度；a
i
(t+δt)表示当前车辆i在前车切入车队的瞬时t+δt内当前车辆i的加速度限制值；表示当前车辆i当前时刻的加速度值；f
i
(δt/t
al
)表示前车辆i的限制加速度函数，t
al
表示加速度限制时长。5.根据权利要求1所述高速公路交织区协同自适应巡航优化控制方法，其特征在于，在有车辆切出cacc车队时，按照如下表达式对紧跟切出车辆之后的车辆的加速度进行限制，其中，u
i
(t+δt)表示当前车辆i的实时控制
输入量；d
imin
表示当前车辆i的最大减速度值；a
i
(t+δt)表示当前车辆i在前车切出车队的瞬时t+δt内当前车辆i的加速度限制值；表示当前车辆i当前时刻的加速度值；f
i
(δt/t
al
)表示前车辆i的限制加速度函数，t
al
表示加速度限制时长。6.根据权利要求1所述高速公路交织区协同自适应巡航优化控制方法，其特征在于，所述当前车辆与前车的车头间距误差为ε
i
＝x
i-x
i-1
+l
i
,，ε
i
为当前车辆i与前车的车头间距误差，x
i
、x
i-1
分别为当前车辆i与前车i-1的绝对位置坐标，l
i
为当前车辆i与前车的恒定车头间距值。7.根据权利要求3所述高速公路交织区协同自适应巡航优化控制方法，其特征在于，所述横向位置函数为f(x)＝ax
t
，其中，x为采用基于mpc的滚动预测方法预测的当前车辆横向位置序列，f(x)为所述横向位置序列对应的横向位置函数值，a为线性系数矩阵，a＝(α0,α1,α2,....,α
n
)，α0,α1,α2,....,α
n
的值逐渐递减。

技术总结

本发明公开高速公路交织区协同自适应巡航优化控制方法，属于计算、推算或计数的技术领域。本发明定义了协同自适应巡航编组车辆的车头时距控制策略；提出了反馈-前馈相结合的综合控制系统；设计了综合控制系统中前馈控制模块的控制方法，提出了可变加速度变化限制控制策略，并将其运用到了前馈控制模块中。本发明还采用基于滚动时域的模型预测控制算法识别相邻车道车辆的交通行为，根据识别的相邻车道车辆交通行为对被控车辆的加速度进行限制。该优化控制方法提升车队整体在高速公路交织区等复杂交通环境下的运行平稳性，提升系统自动驾驶车辆的驾驶舒适性和安全性。动驾驶车辆的驾驶舒适性和安全性。动驾驶车辆的驾驶舒适性和安全性。