車輛編隊協作式行駛仿真系統研究

郭 蓬，陳美奇，楊建森，許揚眉

（1.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司， 天津 300300；3.天津思豐霍汽車零部件技術開發有限公司，天津 300300）

隨著我國汽車工業技術的快速發展，汽車保有量不斷增長，為城市道路的通行能力帶來了嚴峻的考驗。交通擁堵、交通事故頻發、能源短缺等問題日益嚴重，如何實現汽車安全、高效且節能行駛成為新一代汽車技術發展的關鍵。現代網絡和無線通信技術的發展，其技術在車聯網上得到了有效的應用。智能網聯汽車（Intelligent and Connected Vehicle, ICV）作為新一代汽車，不僅搭載先進的車載傳感器、控制器、執行器等裝置，同時融合了現代通信與網絡技術，可實現安全、高效、舒適、節能行駛，結合智能交通（Intelligent Transportation System, ITS）技術的發展，可以有效解決能源消耗、交通堵塞及汽車行駛安全等問題。

現代網絡通信協議，如專用短程通信技術 （Dedicated Short Range Communication, DSRC）、長期演進技術（Long Term Evolution, LTE）、Wi-Fi、5G 等可以實現本車與鄰近車輛以及道路基礎設施等進行信息交互，駕駛員可根據反饋信息合理控制車輛，從而減少非必要的停車和車輛延誤。

目前智能網聯汽車還處于研究階段，為了能夠安全、方便地進行車輛編隊行駛應用的研究，本文通過仿真軟件參考汽車實際道路行駛工況，搭建汽車行駛場景，利用仿真設備模擬車間通訊拓撲，對智能網聯汽車隊列行駛功能進行模擬。通過設備模擬智能車載終端間的通信，真實還原智能網聯汽車之間的信息交互。最后，通過聯合仿真系統，設計領航者-跟隨者的車輛編隊控制引導策略及相應的仿真場景，對智能網聯汽車車隊行駛應用進行平臺仿真驗證。

1 協作式車輛編隊建模與控制

1.1 車隊模型

車輛的編隊行駛是指由兩輛及以上的車輛按照相同的方向行駛，保持相互之間維持一定的安全距離或一定的速度行駛的車輛，必要的時候可進行避障等功能的行駛方式。車輛編隊行駛的優勢在于能夠降低駕駛員的勞動強度，提升駕乘人員的安全性、舒適性，提高交通效率、運輸效率和燃油效率等。

假設車輛隊列在理想的平直道路上行駛，設定整個車隊共有+1輛車，將車隊中的第一輛車定為頭車，且編號為0，其后依次編號并作為頭車的跟隨車輛，定義第輛車的位置、速度和加速度分別為x、v和a(= 1,2,…,-1)。根據以上定義，可以通過微分方程來描述第輛跟隨車的數學模型，所以模型如下：

式中，S表示第和-1輛車之間的距離，m；x表示編號車輛的位置，m；表示車輛的長度，m

1.2 車隊控制

1.2.1 智能駕駛員模型

根據前人研究發現，目前在智能網聯車自動駕駛仿真研究中智能駕駛員模型（Intelligent Driver Model, IDM）獲得較為廣泛的應用。智能網聯車編隊行駛控制主要通過協同自適應巡航控制（Cooperative Adaptive Cruise Control, CACC）方式，該方式通過無線通訊方式與相鄰車輛進行信息交互，包括速度、位置以及加減速等。基于無線通信車隊信息交互如圖1所示。

圖1 基于無線通信車隊信息交互

針對CACC系統，在車輛行駛縱向控制的策略可表示為

式中，a表示第輛車的期望加速度；表示IDM模型計算出的第輛車的期望加速度；、a分別表示領航車和跟隨車第1輛車；、λ為權重系數，通常取 0.3。

1.2.2 車間時距控制

車輛編隊行駛控制的基礎是車隊在行駛過程中的車間距的控制，良好的車間距離控制能夠保證汽車在各種交通環境下都能穩定安全地行駛。首先，在保證安全的前提下，應盡可能地減小其控制值，這樣有利于車隊的縱向距離不至于過大，同時，在車輛駕駛或車速較高時，在前方車輛發生緊急制動等情況后具有足夠的制動距離，保證安全行駛。

本文主要從車輛隊列縱向上考慮期望時距，期望車間距離策略通常分為兩大類，即固定車間時距（Constant Time Headway, CTH）和可變車間距離 （Variable Time Headway, VTH）。其中，固定車間時距的車間距離表達式為

式中，l表示第輛車長，m；表示最小車間距離，m；表示車間時距，s。

主要是指“家族成員”接班，即血緣繼承，包括企業主的子女、兄弟等等。該模式，忠誠度明顯較高，信用成本低，可以保證企業權力不旁落。研究表明，對企業忠誠度和事業心是企業主很看重的素質，家族企業內部人員會成為首選。目前中國家族企業最普遍的傳接形式就是家族成員接班，其中“子承父業”一直是家族企業首選的接班方式，企業主往往不愿、不放心將自己創立的企業交給一個外人去管理。遠的如“同仁堂”“全聚德”“王麻子”“王致和”，近的則有“杭州萬向”“江蘇紅豆”“寧波方太”等等，無不選擇這種交接班方式，有的家族企業也成為了百年品牌。

從式（3）可以看出，對于固定車間時距后車與前車之間的距離是一個設定好的固定值，計算簡便且容易實現。但是由于沒有考慮交通環境變化的影響，車輛隊列在行駛的過程中無法根據前車的行駛狀態改變車間距離，導致車隊低速行駛時，車間距偏大，影響車隊行駛效率；高速行駛時，車間距偏小，容易追尾，安全性降低。在實際中，固定車間時距的方案的應用比較少。

另一類可變間距的方案，能夠隨時根據交通環境改變車輛運動狀態，靈活調整跟車距離，更符合實際需要，也更能夠保證車隊行駛的安全性和穩定性。可變車間時距方案車間距離值會根據車輛的運動狀態而變化，所以，VTH的車間距離表達式為

式中，a表示第-1輛車的加速度，m/s；表示前后兩車之間的相對速度，m/s。

經過總結和分析，結合本文所研究內容及技術背景和實際應用情況，本文采用可變車間時距車間距離控制方案對車輛編隊行駛進行仿真研究。

2 車輛編隊引導

簡化領航者-跟隨者法，可以將前后車之間的關系看成單純的兩車之間的關系，進一步將整個車隊的控制看成是對領航車的控制。在設定領航車和跟隨車的位置坐標后，可以計算出跟隨車相對于領航車的相對距離和速度。

因此，領航車和跟隨車可通過下述公式表示其時刻的位置。

式中，v、v分別表示領航車在水平和垂直方向的初始速度，m/s；s、分別表示跟隨車在水平和垂直方向跟車時距。

車輛編隊引導控制是智能網聯車研究的熱點，考慮車輛通信的特征，本文中選用的是領航-跟隨法。該策略控制規則簡單，易于實現，在知道領航者的車輛運動狀態的情況下可快速生成隊列，同時各跟隨車輛既可以接收前車信息，也可以接收領航車信息，從而能夠更好地保持隊列的穩定性。如圖2所示，基于領航-跟隨法車輛編隊行駛，車隊在行駛過程中可以根據需要進行多種編隊方式。

圖2 車輛編隊行駛示意圖

3 仿真分析

3.1 仿真場景及控制

本文選取 Prescan 作為場景軟件構建所需要的仿真實驗場景，仿真車輛模型并搭載相關的傳感器，在Matlab/Simulink中建立智能駕駛員模型以及可變時距控制策略。本文主要研究車輛編隊行駛隊列協同控制策略及車輛在縱向上行駛的仿真表現，因此，仿真實驗道路選擇直線。智能駕駛員模型結構如圖3所示。

圖3 智能駕駛員模型結構圖

車輛隊列協同控制策略的邏輯業務分為創建車隊、加入車隊、車隊巡航、離開車隊和解散車隊構成，其流程如圖4所示。

圖4 車輛隊列協同控制策略流程圖

3.2 通信平臺

目前由美國和日本主導的DSRC無線通信標準，是一種專用短波通訊技術，主要面向V2V和V2I通信標準。

C-V2X在智能網聯車上的應用，定義了兩種通信方式：LTE-V-Cell和LTE-V-Direct。其中，LTE-V-Direct通信方式又包括兩種通過接口，一種是通過Uu接口實現終端和基站之間的通信，另一種是通過PC5接口實現車輛與周圍環境進行信息交互，交互類型主要包含以下4種：車到車（V2V）、車到基礎設施（V2I）、車到網絡（V2N）、車到行人（V2P）。對比如表1所示。

表1 DSRC和C-V2X比對

本文研究車輛編隊的通信方面，仿真是在實驗室情況下完成的，涉及的主要通信類型是V2V，用于在跟隨車與跟隨車和跟隨車與領航車之間交互狀態信息和控制信息。采用ROHDE&SCH- WARZ 公司的CMW500設備進行模擬PC5接口，用于車輛與車輛之間數據交互，同時車載終端設備在工作的過程中需要接收GPS信息，因此，通過上述公司的SMBV100B設備，進行主車的GPS信息模擬。圖5為設計仿真系統簡圖。

圖5 仿真系統簡圖

3.3 仿真結果

本文仿真實驗條件及領航車與跟隨車運動場景設置：在實驗室環境下，將某公司車載終端作為跟隨車上通訊設備進行通訊，通過Matlab/ Simulink軟件搭建的智能駕駛員模型，控制在Prescan軟件中設置的領航車和跟隨車。領航車和跟隨車在直線上行駛，且領航車在跟隨車前方50 m處，領航車和跟隨車均以15 km/h車速勻速行駛，在車輛編隊完成后領航車繼續行駛10 s，隨后領航車加速至60 km/h，維持30 s后減速至停車。領航車輛停車后，發起解散車隊指令，待車隊解散后，領航車以30 km/h車速行駛，跟隨車以15 km/h車速勻速行駛。另設定車輛車長3.5 m，最小間距為固定值1.5 m。

縱向距離誤差如圖6所示，圖中左側坐標軸表示跟隨車與領航車之間的車距，右側坐標軸表示車輛編隊完成標志。從圖可以看出，車輛編隊完成前，領航車和跟隨車距離保持初始設定50 m不變，在完成編隊后，跟隨車為保持車隊穩定，開始通過調整自車車速來保持與領航車之間的間距，其中在領航車停車后，跟隨車在距離領航車1.9 m處停車，大于設定值1.5 m，符合要求。

圖6 縱向距離誤差

圖7為領航車-跟隨車速度曲線，圖中橫坐標與右側坐標軸同圖6一致，左側坐標軸表示車輛行駛速度。從圖6和圖7可以看出，在領航車加速行駛后，跟隨車也加速行駛，同時增加兩車之間的間距；在領航車減速停車后，跟隨車也開始減速行駛，最終在最小跟車距離的時候停車；最終在解散車隊后，跟隨車領航車行駛一定距離后開始起步行駛。

圖7 領航車-跟隨車速度曲線

4 結語

針對智能網聯車編隊行駛的應用，本文通過搭建智能駕駛員模型以及使用編隊引導策略，并通過場景仿真軟件以及通信模擬設備進行編隊行駛過程的仿真測試驗證，結果顯示跟隨車車載設備能夠有效地完成編隊過程，并在隊列行駛過程中保持穩定的車間距離行駛。進一步表明，通過本仿真系統，能夠對智能網聯車功能應用進行驗證，且提高了安全性和效率。