協(xié)同式隊(duì)列控制及仿真系統(tǒng)搭建方法研究*

韓海蘭李敏徐巍戴一凡盧賢票

（清華大學(xué)蘇州汽車(chē)研究院）

汽車(chē)保有量迅速上升的同時(shí)也帶來(lái)了道路事故、交通堵塞、環(huán)境污染等問(wèn)題。安全、節(jié)能、環(huán)保是汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的永恒主題，如何在保障交通安全前提下、緩解交通擁堵，提高交通運(yùn)行效率是智能交通系統(tǒng)重要的研究方向[1-3]。隨著傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和智能車(chē)輛技術(shù)的發(fā)展，車(chē)路協(xié)同技術(shù)逐漸成為智能交通發(fā)展的新方向。車(chē)輛隊(duì)列作為智能交通應(yīng)用之一，通過(guò)車(chē)車(chē)協(xié)同技術(shù)進(jìn)行隊(duì)列控制，在保證安全性的基礎(chǔ)上縮短跟車(chē)間距，減小跟隨車(chē)輛速度波動(dòng)，有利于提高交通效率、燃油經(jīng)濟(jì)性和駕乘舒適性[4-6]。因此有必要研究車(chē)輛隊(duì)列控制系統(tǒng)，而對(duì)于隊(duì)列控制算法可靠性驗(yàn)證，直接實(shí)車(chē)上路驗(yàn)證成本較大，且具有風(fēng)險(xiǎn)性，基于虛擬軟件聯(lián)合仿真系統(tǒng)對(duì)控制控制算法初步驗(yàn)證具有必要性。CarSim 軟件可進(jìn)行精細(xì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型搭建，MATLAB/Simulink 多用于控制算法搭建，通過(guò)CarSim 和Simulink 進(jìn)行聯(lián)合仿真初步對(duì)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證可以減少實(shí)車(chē)試驗(yàn)，提高實(shí)車(chē)試驗(yàn)安全性，節(jié)省時(shí)間和成本。

1 車(chē)輛隊(duì)列場(chǎng)景分析

1.1 車(chē)輛隊(duì)列通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

圖1 車(chē)輛隊(duì)列通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

車(chē)輛隊(duì)列通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有以上6 種方式[7-9]：PF 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，車(chē)輛只能獲取其前面一輛車(chē)的狀態(tài)信息；PLF 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，每個(gè)跟隨車(chē)輛除了能獲取前方車(chē)輛的信息外還能獲取領(lǐng)航車(chē)輛的信息；BD 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，車(chē)輛能獲取其前車(chē)與后車(chē)的狀態(tài)信息；BDL 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，每個(gè)跟隨車(chē)輛除了能獲取其前車(chē)與后車(chē)的狀態(tài)信息還能獲取領(lǐng)航車(chē)輛的信息；TPF 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，車(chē)輛能獲取其前面兩輛車(chē)的狀態(tài)信息；TPLF 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，每個(gè)跟隨車(chē)輛除了能獲取其前面兩輛車(chē)的狀態(tài)信息外還能獲取領(lǐng)航車(chē)輛的信息。

文章仿真分別采用PF 和PLF 兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行車(chē)輛編隊(duì)。在PF 通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，車(chē)輛只能獲取其前面一輛車(chē)的狀態(tài)信息，后方車(chē)輛通過(guò)V2V 通信獲取前車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，根據(jù)設(shè)定的隊(duì)列控制器控制自車(chē)跟隨前車(chē)運(yùn)動(dòng)。在PLF 通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，每個(gè)跟隨車(chē)輛除了能獲取前方車(chē)輛的信息外還能獲取領(lǐng)航車(chē)輛的信息，后方車(chē)輛根據(jù)V2V 通信獲取的領(lǐng)航車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息進(jìn)行自車(chē)跟隨控制。

1.2 車(chē)輛隊(duì)列控制器設(shè)計(jì)

假設(shè)隊(duì)列直線行駛在平直道路上，共有N 輛車(chē)，編號(hào)依次為1～N。車(chē)輛隊(duì)列控制的目標(biāo)是要求跟隨車(chē)與領(lǐng)航車(chē)速度保持一致，且相鄰兩車(chē)之間的距離保持為期望車(chē)距，用vi（t）表示車(chē)輛速度信息，pi（t）表示車(chē)輛位置信息，i=1，2…N，那么控制目標(biāo)可表示為：

式中：di,i+1——節(jié)點(diǎn)i 與節(jié)點(diǎn)i+1 之間的期望距離。

期望距離di,i+1的具體選擇決定了隊(duì)列幾何構(gòu)型，分為恒定距離型隊(duì)列和恒定時(shí)距型隊(duì)列。文章場(chǎng)景仿真采用恒定距離型，設(shè)定車(chē)隊(duì)中所有車(chē)輛均保持固定的期望車(chē)間距di,des，di,des為給定的大于0 的常數(shù)，那么對(duì)于恒定距離型隊(duì)列：

在PF 通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，根據(jù)接收到的前車(chē)信息和自車(chē)信息進(jìn)行控制，不考慮通信性能如時(shí)延，丟包等指標(biāo)時(shí)，即在完全理想通信條件下，設(shè)計(jì)的線性速度控制器如下：

式中：Kp，Kv——控制器的增益。

在PLF 通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，根據(jù)接收到的領(lǐng)航車(chē)輛信息、前車(chē)信息和自車(chē)信息進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)的線性速度控制器如下：

文章兩通信結(jié)構(gòu)下仿真結(jié)果均采用相鄰兩車(chē)跟車(chē)間距誤差和車(chē)速誤差作為車(chē)輛隊(duì)列控制性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。定義跟車(chē)間距和速度誤差為：

2 仿真模型搭建

文章場(chǎng)景仿真中做了如下假定：隊(duì)列勻質(zhì)，包括5 輛車(chē)；期望車(chē)間距設(shè)10 m；無(wú)初始速度誤差和位移誤差，領(lǐng)航車(chē)從起動(dòng)開(kāi)始加速行駛8 s 加速至80 km/h，然后勻速，50 s 時(shí)刻開(kāi)始制動(dòng)減速行駛5 s 至15 km/h 開(kāi)始勻速行駛。基于以上假定條件分別采用PF 和PLF 通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建仿真模型。

2.1 PF 通信拓?fù)湎路抡婺Ｐ痛罱?/h3>

2.1.1 CarSim 中模型搭建

1）建立CarSim 中車(chē)輛模型。首先在CarSim 中建立5 輛車(chē)的車(chē)輛模型，均選擇CarSim 中的B 級(jí)車(chē)，車(chē)輛參數(shù)如圖2 所示。車(chē)輛之間的信息傳遞方式采用PF 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。PF 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，車(chē)輛只能獲取其前面一輛車(chē)的狀態(tài)信息，即第2 輛車(chē)獲取第1 輛車(chē)的速度位置信息進(jìn)行跟隨控制，第3 輛車(chē)獲取第2 輛車(chē)的速度位置信息進(jìn)行跟隨控制。

圖2 車(chē)輛參數(shù)界面示意圖

2）設(shè)置仿真運(yùn)行工況。在CarSim 中設(shè)置第一輛車(chē)的運(yùn)行工況，即期望行駛車(chē)速隨時(shí)間的變化曲線。按照前文場(chǎng)景假定中的期望車(chē)速進(jìn)行行駛，如圖3 所示。后方4 輛車(chē)在此處均不設(shè)置車(chē)速。車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)輸出車(chē)速和位置信息給后方跟隨車(chē)輛，后方車(chē)輛根據(jù)接收到的前車(chē)信息，結(jié)合自身的速度和位置信息采用線性速度控制器進(jìn)行決策控制，結(jié)合式（3）在MATLAB/Simulink 中搭建控制算法，得出下一時(shí)刻期望的輸入車(chē)速進(jìn)行速度控制。因此前方車(chē)輛輸出為速度和位置信息，跟隨車(chē)輛的外部輸入變量設(shè)置為車(chē)速，其中兩車(chē)之間期望車(chē)間距設(shè)置為10 m。

圖3 設(shè)置第1 輛車(chē)期望車(chē)速與時(shí)間變化曲線界面圖

3）設(shè)置仿真步長(zhǎng)和車(chē)輛初始位置。由于CarSim 軟件中車(chē)輛模型較為精確，數(shù)學(xué)模型仿真步長(zhǎng)最大為0.001 s，否則將會(huì)報(bào)錯(cuò)，因此設(shè)置CarSim 中車(chē)輛模型的步長(zhǎng)為0.001 s，考慮到實(shí)際車(chē)輛通信時(shí)頻率等要求，將前車(chē)發(fā)送給后方跟隨車(chē)輛信息的頻率設(shè)置為50 Hz，即每隔0.02 s 發(fā)送一次。在Simulink 中通過(guò)變速率模塊使控制算法仿真步長(zhǎng)為0.02 s。

設(shè)置第一輛車(chē)的起始位置為X=40 m，期望車(chē)間距為10 m，假定各車(chē)之間無(wú)初始車(chē)間距誤差，因此后方車(chē)輛的起始位置依次為30，20，10，0 m 處。仿真從0 s 開(kāi)始共進(jìn)行100 s。

2.1.2 MATLAB/Simulink 中模型搭建

跟隨車(chē)輛根據(jù)前車(chē)輸出的速度位置信息，結(jié)合自車(chē)的速度位置信息，根據(jù)式（3）進(jìn)行線性速度控制器模型搭建。

2.1.3 CarSim 與Simulink 聯(lián)合仿真模型

將CarSim 中搭建好的車(chē)輛模型通過(guò)Send to Simulink 完成與MATLAB/Simulink 的聯(lián)合，最終建立的CarSim 與Simulink 的聯(lián)合仿真模型，如圖4 所示。

圖4 PF 通信拓?fù)湎翪arSim 與Simulink 的聯(lián)合仿真圖

2.2 PLF 通信拓?fù)湎路抡婺Ｐ痛罱?/h3>

CarSim 中車(chē)輛模型搭建方法同2.1.1。結(jié)合式（4）在Simulink 中搭建控制模型，在本場(chǎng)景仿真模型中，若頭車(chē)和前車(chē)信息均無(wú)丟失，根據(jù)式（4）采用頭車(chē)和前車(chē)信息進(jìn)行控制，若只有頭車(chē)或者前車(chē)信息丟失，則只根據(jù)前車(chē)或頭車(chē)信息進(jìn)行控制，若頭車(chē)和前車(chē)信息均丟失，則被控車(chē)輛車(chē)速不變化，即保持上一時(shí)刻車(chē)速。將CarSim 中搭建好的車(chē)輛模型通過(guò)Send to Simulink 完成與MATLAB/Simulink 的聯(lián)合。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 PF 通信拓?fù)湎路抡娼Y(jié)果分析

本場(chǎng)景下通過(guò)調(diào)節(jié)速度控制器的Kp 和Kv 參數(shù)值使車(chē)輛達(dá)到期望的跟隨效果，得出理想控制狀態(tài)下的控制器參數(shù)為Kp=0.4、Kv=0.5。仿真得出的各車(chē)輛速度曲線如圖5a 所示，車(chē)間距變化曲線如圖5b 所示，速度誤差曲線如圖5c 所示。從圖5a 中可以看出，控制器能夠使跟隨車(chē)輛很好地跟隨前車(chē)車(chē)速；從圖5b 中可以看出，當(dāng)車(chē)輛加速行駛時(shí)，車(chē)間距增大，當(dāng)車(chē)輛減速時(shí)，車(chē)間距減小，此時(shí)的加速減速過(guò)程相當(dāng)于車(chē)輛的擾動(dòng)，且最大車(chē)間距與期望車(chē)間距差僅為1m 左右，但當(dāng)車(chē)輛勻速穩(wěn)定行駛時(shí)，車(chē)間距又能夠很快趨于期望車(chē)間距，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；從圖5c 中可以看出，只有在車(chē)輛存在加速和減速的速度擾動(dòng)過(guò)程中，車(chē)速誤差不為零，但最大車(chē)速誤差仍很小，當(dāng)車(chē)輛勻速時(shí)，各車(chē)速誤差很快趨于零。因此綜上可看出所搭建的速度控制器能夠滿(mǎn)足車(chē)輛編隊(duì)行駛控制要求。

圖5 PF 通信拓?fù)淅硐胪ㄐ艞l件下仿真結(jié)果曲線

4.2 PLF 通信拓?fù)湎路抡娼Y(jié)果分析

在理想通信條件下進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制器能夠?qū)崿F(xiàn)跟隨車(chē)輛對(duì)領(lǐng)隊(duì)車(chē)輛的跟蹤效果。在程序中調(diào)節(jié)控制器參數(shù)Kp、Kv，使后方車(chē)輛均能很好的跟隨領(lǐng)航車(chē)輛，達(dá)到控制目標(biāo)的要求。理想控制狀態(tài)下的控制器參數(shù)為Kp=0.4、Kv=0.5。仿真得出的領(lǐng)航車(chē)輛與跟隨車(chē)輛速度曲線，如圖6a 所示，跟車(chē)間距和速度誤差曲線，如圖6b 和圖6c 所示。從圖6a 可以看出，控制器能夠使跟隨車(chē)輛很好的跟隨領(lǐng)航車(chē)輛車(chē)速。從圖6b 可以看出，在領(lǐng)航車(chē)加速（減速）擾動(dòng)時(shí)，車(chē)間距增大（減小），但當(dāng)領(lǐng)航車(chē)輛勻速穩(wěn)定行駛時(shí)，車(chē)間距又很快趨于期望值，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。從圖6c 中可以看出，只有在車(chē)輛存在加速和減速的速度擾動(dòng)過(guò)程中，車(chē)速誤差不為0，但最大車(chē)速誤差仍很小，當(dāng)車(chē)輛勻速時(shí)，各車(chē)速誤差很快趨于0。在理想通信條件下控制器可以使跟隨車(chē)輛與領(lǐng)航車(chē)輛速度保持一致，穩(wěn)定狀態(tài)下相鄰車(chē)輛之間的距離保持為期望車(chē)距，控制器能夠很好的滿(mǎn)足要求。此通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，相比PF 通信結(jié)構(gòu)下，第3 至第5 輛車(chē)與前車(chē)的車(chē)間距誤差減小，最大車(chē)速誤差也較小，說(shuō)明同時(shí)接收領(lǐng)航車(chē)和前車(chē)信息進(jìn)行控制比只接收前車(chē)信息進(jìn)行控制效果較好。

圖6 PLF 通信拓?fù)淅硐胪ㄐ艞l件下仿真結(jié)果曲線

4 結(jié)論

1）由于智能汽車(chē)控制直接實(shí)車(chē)測(cè)試成本較大，且具有風(fēng)險(xiǎn)性。文章通過(guò)CarSim 和Simulink 搭建了聯(lián)合仿真平臺(tái)，初步對(duì)控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證，減少了實(shí)車(chē)試驗(yàn)，提高了實(shí)車(chē)試驗(yàn)安全性，節(jié)省時(shí)間和成本。該仿真平臺(tái)可為后續(xù)其他控制策略驗(yàn)證提供模板，后期其他控制方法驗(yàn)證可基于此模型根據(jù)需求修改即可對(duì)算法驗(yàn)證。

2）目前多數(shù)研究者直接選取某一隊(duì)列構(gòu)型對(duì)隊(duì)列控制進(jìn)行研究，文章通過(guò)對(duì)PF 和PLF 兩種通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行控制模型搭建并對(duì)比仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在相同通信條件下，PLF 結(jié)構(gòu)控制性能比PF 結(jié)構(gòu)控制性能較好，可初步得出隊(duì)列控制效果跟車(chē)輛隊(duì)列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)，且自車(chē)獲取其他車(chē)輛信息參數(shù)越多，控制效果越好。后續(xù)可對(duì)文中所述6 種主要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別進(jìn)行更深一步模型建立及仿真驗(yàn)證，得出控制效果與隊(duì)列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更明確的關(guān)系。