一种后向跟随的智能网联车队拓扑结构及其编队方法

1.本发明涉及智能网联车编队技术领域，尤其是涉及一种后向跟随的智能网联车队拓扑结构及其编队方法。

背景技术：

2.近年来，“智能化”和“网联化”已成为车路协同技术发展的重要方向，而融合了这两大技术的智能网联汽车，将能够有效缓解目前日益严重的交通拥堵及安全问题。
3.车辆协同编队(cacc，cooperative adaptive cruise control)是车路协同系统的重要场景之一，作为自适应巡航控制(acc)系统的重要升级，主要通过无线通信实现车辆之间协作，以减小车辆速度波动，提升车队的稳定性，是一项重要的网联自动驾驶功能。它既可以提升行驶的安全性，也能够改善交通效率，降低行驶能耗。根据现场测试，cacc通过车车通信与协同驾驶，可以将车头时距减少到0.5秒，远小于人类驾驶车辆(hv)的1～2秒车头时距。车头时距的减小将提升道路通行能力，提高机动性；此外，目前预计cacc将减少90％以上的碰撞暴露时间(tet)，从而提高驾驶安全性。更为重要的是，cacc车队的队列稳定特性可大幅度消解人类驾驶员造成的交通流波动，使整体交通更为均质化、稳定化。
4.如图1所示，传统的智能网联车辆编队所采用编队拓扑结构主要包括：前继跟随拓扑、前继-领导跟随拓扑、双向拓扑、双前继跟随拓扑、双前继-领导跟随拓扑等。然而，上述拓扑结构均为前车/头车主导的，难以适配编队主动减速、减速加塞换道等后车/尾车主导场景。因此，需要有一种可用于智能网联车队主动减速加塞换道等场景的编队拓扑结构，以能够补全全场景智能网联车队的应用短板。

技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种后向跟随的智能网联车队拓扑结构及其编队方法，能够适用于编队主动减速、减速加塞换道等后车/尾车主导场景，有效提高智能网联车队的机动性。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种后向跟随的智能网联车队拓扑结构，包括一辆领航车以及至少一辆跟随车，所述领航车和跟随车上均安装有车载感知设备、车载通信设备和车载控制设备，所述车载感知设备，用于采集自车及其周围车辆的信息；
7.所述车载通信设备，用于车队内部各车辆之间的信息交互；
8.所述车载控制设备，用于对自车的动力系统、制动系统和转向系统的工作状态进行相应控制。
9.进一步地，所述车载感知设备包括但不限于激光雷达、毫米波雷达、摄像头。
10.进一步地，所述车载感知设备具体用于采集自车及其周围车辆的位置信息、速度信息、加速度信息。
11.进一步地，所述车队内部各车辆之间的信息交互具体为：自车仅接收来自相邻后
车传递的信息，即车辆信息流传递方式为由后车传递至前车。
12.进一步地，所述车载控制设备的控制目标为控制自车和后车保持预设的稳定跟车间距以及速度误差：
[0013][0014][0015][0016]
其中，j为控制目标函数，a
ego
为自车加速度，x
ego
为自车位置，x
rear
为后车位置，v
ego
为自车速度，v
rear
为后车速度；
[0017]aego
为控制量，x
ego
、v
ego
均为状态量，t为时间，为自车位置对时间的导数，为自车速度对时间的导数。
[0018]
一种后向跟随的智能网联车队编队方法，包括以下步骤：
[0019]
s1、车队内每个车辆的车载感知设备实时采集获取自车和周围车辆信息，以得到各车辆的本车信息流；
[0020]
s2、车队内每个车辆的车载通信设备将本车信息流向相邻的前车传递；
[0021]
s3、车队内每个车辆接收相邻后车传递过来的信息，并据此由车载控制设备相应控制自车稳定跟随后车、保持自车与后车之间的跟车间距在设定的间距范围内。
[0022]
进一步地，所述步骤s1具体包括以下步骤：
[0023]
s11、车队内每个车辆的车载感知设备实时采集获取自车和周围车辆信息，若获取失败，则执行步骤s12，否则执行步骤s13；
[0024]
s12、以最近获取成功的历史信息作为当前车辆感知信息，之后执行步骤s13；
[0025]
s13、将当前获取成功的所有感知信息组成本车信息流。
[0026]
进一步地，所述步骤s3具体包括以下步骤：
[0027]
s31、车队内每个车辆接收相邻后车传递的信息，若接收失败，则执行步骤s32，否则执行步骤s33；
[0028]
s32、以最近接收成功的信息作为当前接收信息，之后执行步骤s33；
[0029]
s33、车队内每个车辆根据接收成功的信息，由车载控制设备控制自车稳定跟随后车，保持跟车间距稳定。
[0030]
进一步地，所述车载控制设备具体是通过输出车辆控制指令，以控制自车稳定跟随后车。
[0031]
进一步地，所述车辆控制指令具体为加速度a
ego
。
[0032]
与现有技术相比，本发明中车队内各车辆仅与相邻后车之间进行信息传递，即车辆信息流传递方式为由后车传递至前车，前车根据接收的来自相邻后车的信息，以相应控制保持自车与后车之间的跟车间距，由此实现后向跟随编队驾驶模式，能够适配智能网联车队由后车主导的主动减速、主动加塞换道等场景，提高智能网联车队的机动性、以及对现实交通全场景的适应性。
[0033]
本发明中受控车辆只与其相邻后车进行通讯，能够简化通讯节点、降低通信时延、
降低数据丢包率，由此保证编队控制的准确性。
[0034]
本发明中，车队内各车辆实时感知自车及周围车辆信息，以实时生成本车信息流，同时受控车辆实时从相邻后车接收信息，由此保证感知信息实时更新，满足实时运算和控制的需求，计算负荷低，计算效率高。
附图说明
[0035]
图1为现有技术用于智能网联车队的通信拓扑结构示意图；
[0036]
图2为本发明中后向跟随的智能网联车队拓扑结构示意图；
[0037]
图3为本发明的编队方法流程示意图。
具体实施方式
[0038]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0039]
实施例
[0040]
如图2所示，一种后向跟随的智能网联车队拓扑结构，适用于智能网联车队编队驾驶，包括一辆领航车以及至少一辆跟随车，本实施例中，设置有一辆领航车以及四辆跟随车。车队内各车辆上均搭载有车载感知设备、车载通信设备以及车载控制设备，其中，车载感知设备包括激光雷达、毫米波雷达、摄像头，用于采集自车及周围车辆的位置信息、速度信息、加速度信息；
[0041]
车载通信设备用于车队内部各车辆之间的信息传递，具体是受控车辆与其相邻后车之间的信息传递，即车辆信息流传递方式为由后车传递至前车；
[0042]
车载控制设备用于对自车的动力系统、制动系统和转向系统进行控制，以控制车辆和后车保持稳定跟车间距，具体是通过输出车辆控制指令——加速度a
ego
，以给到车辆底层执行。
[0043]
将上述智能网联车队拓扑结构应用于实际，以实现一种后向跟随的智能网联车队编队方法，如图3所示，包括以下步骤：
[0044]
s1、车队内每个车辆的车载感知设备实时采集获取自车和周围车辆信息，以得到各车辆的本车信息流；
[0045]
s2、车队内每个车辆的车载通信设备将本车信息流向相邻的前车传递；
[0046]
s3、车队内每个车辆接收相邻后车传递过来的信息，并据此由车载控制设备相应控制自车稳定跟随后车、保持自车与后车之间的跟车间距在设定的间距范围内。
[0047]
本实施例应用上述技术方案，具体过程为：
[0048]
1)车队内每个车辆的车载感知设备实时采集获取自车和周围车辆信息，包括位置信息、速度信息、加速度信息，若获取失败，则执行步骤2)，否则执行步骤3)；
[0049]
2)将最近成功采集获取的历史信息作为当前车辆感知信息，之后执行步骤3)；
[0050]
3)将当前车辆感知信息组成通信信息流；
[0051]
4)车队内每个车辆的车载通信设备将本车信息流向相邻前车传递；
[0052]
5)车队内每个车辆接收来自相邻后车传递的信息，若接收失败，则执行步骤6)，否则执行步骤7)；
[0053]
6)将最近接收成功的通信信息作为当前接收信息，之后执行步骤7)；
[0054]
7)车队内每个车辆根据接收的来自相邻后车传递的信息，由车载控制设备控制自车稳定跟随后车，保持跟车间距稳定，即控制自车和后车保持预设的稳定跟车间距及速度误差：
[0055][0056]
其中，j为控制目标函数；a
ego
为自车加速度(控制量)；x
ego
为自车位置；x
rear
为后车位置；v
ego
为自车速度；v
rear
为后车速度。x
ego
、v
ego
为状态量，状态量和控制量之间的关系为：
[0057][0058][0059]
其中，t表示时间；为自车位置对时间的导数；为自车速度对时间的导数。
[0060]
综上所述，本技术方案所支持的后向跟随编队驾驶模式，有利于实现由后车主导的编队减速行为，进而为编队加塞换道等驾驶行为提供通信层面的技术支撑。在实际应用中，相比于传统的智能网联车队，本发明中应用后向跟随编队拓扑结构的智能网联车队中各车辆均安装有车载感知设备、车载通信设备、车载控制设备。车载感知设备通过激光雷达、毫米波雷达和摄像头采集本车以及周围车辆的位置信息、速度信息、加速度信息，通过车载高速无线通信设备将信息传递给相邻前车；车载控制设备的控制目标为控制车辆和后车保持稳定跟车间距，输出车辆控制指令——加速度，以给到车辆底层执行。
[0061]
相比于基于传统编队拓扑结构的智能网联车编队方法，基于本发明所述后向跟随拓扑结构的智能网联车编队方法，首先获取车队内每辆车的车端感知设备采集的本车和周围车辆信息，包括位置信息、速度信息、加速度信息，若获取失败，则采取最近历史信息作为当前车辆感知信息；若获取成功，则将获取的感知信息组成通信信息流；车队内每辆车的车载通信设备将本车信息流向前车传递，并且车队内每辆车接收后车传递的信息，若接收失败，则将最近的通信信息作为当前接收信息；若接收成功，车队内每辆车根据后车传递的信息，由车载控制设备控制车辆稳定跟随后车，保持跟车间距稳定。
[0062]
本技术方案通过定义智能网联车队内由后向前的信息流拓扑结构、定义智能网联车队内车辆跟随后车的控制目标，能够很好地适配智能网联车队由后车主导的主动减速、主动加塞换道等场景，具有提高编队主动减速能力、主动加塞能力、提高智能网联车队的机动性的优点。

技术特征：

1.一种后向跟随的智能网联车队拓扑结构，其特征在于，包括一辆领航车以及至少一辆跟随车，所述领航车和跟随车上均安装有车载感知设备、车载通信设备和车载控制设备，所述车载感知设备，用于采集自车及其周围车辆的信息；所述车载通信设备，用于车队内部各车辆之间的信息交互；所述车载控制设备，用于对自车的动力系统、制动系统和转向系统的工作状态进行相应控制。2.根据权利要求1所述的一种后向跟随的智能网联车队拓扑结构，其特征在于，所述车载感知设备包括但不限于激光雷达、毫米波雷达、摄像头。3.根据权利要求1～2任一所述的一种后向跟随的智能网联车队拓扑结构，其特征在于，所述车载感知设备具体用于采集自车及其周围车辆的位置信息、速度信息、加速度信息。4.根据权利要求1所述的一种后向跟随的智能网联车队拓扑结构，其特征在于，所述车队内部各车辆之间的信息交互具体为：自车仅接收来自相邻后车传递的信息，即车辆信息流传递方式为由后车传递至前车。5.根据权利要求1所述的一种后向跟随的智能网联车队拓扑结构，其特征在于，所述车载控制设备的控制目标为控制自车和后车保持预设的稳定跟车间距以及速度误差：载控制设备的控制目标为控制自车和后车保持预设的稳定跟车间距以及速度误差：载控制设备的控制目标为控制自车和后车保持预设的稳定跟车间距以及速度误差：其中，j为控制目标函数，a
ego
为自车加速度，x
ego
为自车位置，x
rear
为后车位置，v
ego
为自车速度，v
rear
为后车速度；a
ego
为控制量，x
ego
、v
ego
均为状态量，t为时间，为自车位置对时间的导数，为自车速度对时间的导数。6.一种后向跟随的智能网联车队编队方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、车队内每个车辆的车载感知设备实时采集获取自车和周围车辆信息，以得到各车辆的本车信息流；s2、车队内每个车辆的车载通信设备将本车信息流向相邻的前车传递；s3、车队内每个车辆接收相邻后车传递过来的信息，并据此由车载控制设备相应控制自车稳定跟随后车、保持自车与后车之间的跟车间距在设定的间距范围内。7.根据权利要求6所述的一种后向跟随的智能网联车队编队方法，其特征在于，所述步骤s1具体包括以下步骤：s11、车队内每个车辆的车载感知设备实时采集获取自车和周围车辆信息，若获取失败，则执行步骤s12，否则执行步骤s13；s12、以最近获取成功的历史信息作为当前车辆感知信息，之后执行步骤s13；s13、将当前获取成功的所有感知信息组成本车信息流。8.根据权利要求6所述的一种后向跟随的智能网联车队编队方法，其特征在于，所述步
骤s3具体包括以下步骤：s31、车队内每个车辆接收相邻后车传递的信息，若接收失败，则执行步骤s32，否则执行步骤s33；s32、以最近接收成功的信息作为当前接收信息，之后执行步骤s33；s33、车队内每个车辆根据接收成功的信息，由车载控制设备控制自车稳定跟随后车，保持跟车间距稳定。9.根据权利要求8所述的一种后向跟随的智能网联车队编队方法，其特征在于，所述车载控制设备具体是通过输出车辆控制指令，以控制自车稳定跟随后车。10.根据权利要求9所述的一种后向跟随的智能网联车队编队方法，其特征在于，所述车辆控制指令具体为加速度a
ego
。

技术总结

本发明涉及一种后向跟随的智能网联车队拓扑结构及其编队方法，该智能网联车队拓扑结构包括一辆领航车以及至少一辆跟随车，其中，领航车和跟随车上均安装有车载感知设备、车载通信设备和车载控制设备，车载感知设备用于采集自车及其周围车辆的信息；车载通信设备用于车队内部各车辆之间的信息交互，具体是将车辆信息流由后车向其相邻前车传递；车载控制设备用于对自车的动力系统、制动系统和转向系统的工作状态进行相应控制。与现有技术相比，本发明能够很好地适用于编队主动减速、减速加塞换道等后车/尾车主导场景，有效提高智能网联车队的机动性。队的机动性。队的机动性。