无人车队列跟随行驶车间通信研究

郑凯文　李建文　王任栋　苏志远 王德宇

摘 要：车辆的编队行驶是指两辆以上的车辆进行编队行驶，传统意义上的编队行驶受驾驶员的影响比较大，对驾驶员的驾驶技术要求比较高，同时由于人的反应比较慢，车辆之间需要保持较大的安全距离。为了提高运输的安全性、效率，并规范驾驶，减轻交通压力，人们开始通过车间通信网络来实现无人车的编队行驶，这种方式通过网络和计算机实现无人车队的编队行驶。大大降低了人为因素导致的交通事故，缩短了跟车距离，减轻交通压力的同时降低了能源消耗和尾气排放。

关键词：无人车；编队行驶；车间通信

中图分类号：TN913 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2017）03-0001-05

Study on the Communication of Unmanned Train Formation Travel

ZHENG Kaiwen，LI Jianwen，WANG Rendong，SU Zhiyuan，WANG Deyu

（PLA Military Transportation University，Tianjin 300161，China）

Abstract： The vehicle driving means two or more of the vehicle driving， the traditional sense of the driving influence by the driver is relatively large， on the driver's driving technology is relatively high， at the same time because of the slow response， maintain a large safety distance between vehicles need.In order to improve the safety and efficiency of transportation， and regulate driving， reduce traffic pressure， people began to realize the network communication by workshop unmanned vehicle driving， this way through the network and computer to realize unmanned convoy driving.It greatly reduces the traffic accidents caused by human factors， shortens the distance between vehicles， reduces traffic pressure， and reduces energy consumption and exhaust emissions.

Keywords： unmanned vehicle； formation travel； workshop communication

0 引 言

進入21世纪之后，随着科学技术的进步，社会经济飞速发展，人民生活水平大大提高，汽车技术也得到突飞猛进的发展，汽车的生产量和保有量连年程急剧上升趋势。但是车辆的增长速度远远超过了道路和其他交通设施的增长速度，给各地交通带来巨大压力，加剧了道路拥堵、交通事故的发生，给人们的生活和财产安全带来恶劣影响。为了保证交通安全，提高交通效率，对智能交通系统的研究显得尤为重要，车辆队列行驶也发挥着越来越重要的作用。当前，国内对无人车编队行驶的研究处在高速发展阶段，许多科研机构展开了立项研究，政府也在通过设立专项基金、组织比赛等方式来推动无人车编队行驶的发展。像中国人民解放军陆军部组织的“跨越险阻2016无人平台挑战赛的B组比赛正是基于此的无人车跟随。这对于促进我国智能车发展、提高军用车辆编队运输效率有很大的意义。

1 队列行驶国内外研究现状

智能车队列行驶的研究随着无人车和智能交通系统的研究深入而不断发展，无人车的研究起始于1977年日本的MEL实现了低速的自动转向控制，20世纪80年代初美国针对军事应用展开了无人车的研究，随后德国、葡萄牙等欧洲国家也展开了对自动驾驶的研究，我国于20世纪80年代末开始进入无人车的领域。近年来，随着科学技术的进步和国内外关注度的提高，智能车得到突飞猛进的发展。当前国内外智能车的研究主要集中在无人化汽车的第四阶段即有限制条件下的自动驾驶，发展较快的有特斯拉、谷歌、百度等。

车间通信的研究起步于上世纪80年代的日本，其开发的RACS（Road Automobile Communication System）是最早的车间通信系统，随着无线通信技术和移动自组网络的发展，车间通信成为美国、日本和一些欧洲国家的研究热点。1999年美国联邦通信委员会分配出车间通信专用短程通信频率DSRC；2000年以后，欧洲各大汽车厂商和科研机构开始了对车间通信的研究，并取得一定成果，其中FleetNet项目是其典型代表。2003年韩国釜山国立大学也在实验室的试验台进行了基于车间通信的队列行驶研究的仿真实验。

国内对智能交通和车间通信的研究起步比较晚，1996年到2005年是智能交通系统的启动阶，我国成立了国家智能交通系统工程技术研究中心，完成了系统框架的搭建。气候我国成立了中国智能交通协会，更加注重对车联网的实际需求。近年来，有多家高校和研究机构着手车路协同的相关研究并取得一定成果，2016年陆军装备部组织的“跨越险阻2016”比赛中在B组设立的越野环境的车辆跟随比赛，并取得重大成功。

2 通信网络的选取

智能车路系统中的通信网络包括广域有线通信网络、无线通信网络、短程无线通信网络和车车通信网络。随着信息、传感、通信、网络等技术的发展，车车通信技术使得车辆行驶过程从过去的独立行驶，经历了单向与双向、对称与非对称的信息传输，发展到以车载自组网为导向的全方位通信网络。尽管，车路通信技术日趋成熟，已成功应用于交通诱导、不停车收费、信号灯控制等先进交通管理系统，但是车车通信技术仍处于试验阶段。车车通信一般采用DSRC、WIFI、WiMax、Zigbee等无线接入方式以及激光、红外、超声波传输方式。

DSRC（专用短程通信技术）采用专为车间通信的WAVE规范以及根据IEEE802.11标准修改制定的IEEE802.11p标准。DSRC具有大容量、高速率、低延时、范围合理等特点，因此，车车通信主要采用DSRC网络。然而，DSRC适用于短程无线通信，并需考虑车辆安全和协作等相关规定，一旦信息接收方超出了有效地DSRC传送范围，DSRC网络需要中转的广播信息，这就需要开发有效、可靠的通信协议，并考虑信道使用和阻塞以及安全性机制等问题。

因为WLAN的研究起步较早，其技术和产品早已成熟，所以早期车间通信的网络主要基于WLAN建成。WLAN车间自组网络利用免费的2.4Hz和5Hz频谱，使用IEEE802.11a/b/g标准，通过建立局域网实现车间通信。但是，车间通信环境下，高速移动带来了显著地多普勒效应，速度对通信质量影响不大，同时通信时的周围环境对于通信范围的影响也很小，而接收机的性能和两车间的间距起着关键作用。另外，如果对于信道变化或者车将距离变化，快速切换信道可以提高数据传输速率。WLAN技术可用实现车与车之间车与路边基站之间的连接，另外，采用高增益天线可大大调高车间通信范围和质量，对于车载设备使用有向天线在多方面均优于全向天线。

正如两个研究机构的结果那样，WLAN可以实现车间通信，然而两车间的距离要求使得在很多环境、情况下并不能提供可靠通信，而且所需的接收发机的硬件要求过高。所以，之后的研究大多转向DSRC频段的WAVE规范。

蜂窝网络方案的主要思想就是利用现有蜂窝网络设施，实现车间通信。利用GPRS，4G和现在正在大力研究的5G等接口连接因特网，通过因特网提供的服务开发相应软件实现车将通信或直接使用蜂窝网络进行车间通信（类似手机通信），这两种通信方式都比较容易实现。这种实现方案的有点很明显，投入成本低，基本上只需要建立车载电子平台，开发相关软件，网络的基础设施等都依赖于现有的蜂窝网络，但也是这个有点，造成了很多缺陷。如：蜂窝网络基础设施的依赖问题，利用蜂窝网络基础设施的通信费用问题。同时，这种方式的车间通信技术的发展受蜂窝网络的制约，不利于进行更好的开发研究。

目前，受实验室条件限制，初步展开车间通信网络的研究，我们通过无线WIFI构建通信自组网络，我们选用了有人物联网公司的WIFI—双网口串口服务器（如图1所示）作为自组网的数据传输服务器。WIFI双网口串口服务器提供串口转WIFI、串口转以太网、以太网转EIFI功能，能够将RS-232/485串口转换成TCP/IP网络串口，实现串口与WIFI/以太网的数据双向透明。使得串口设备能够立即具备TCP/IP网络接口功能，谅解网络进行数据通信，极大地扩展串口设备的通信距离，同时提高了通信的稳定性。

通过实验测试，两模块之间的传输速率可满足车辆跟随的要求，数据丢失比例较低，稳定通信距离可以达到110米，完全可以满足前后车最大车间距40米的要求。引导车和跟随车之间网络构建及模块设置如图2所示。

3 车间通信网络架构

智能车队中的车间通信主要是为了满足车队中车辆的信息交互，通过无线通信方式进行组网，能够及时的将引导车的GPS位置、速度、航向、油门、制动力、档位等信息传递给跟随的无人车辆，使跟随车辆沿着引导车的运动状态和运动轨迹跟随行驶，从而实现无人车编队行驶。

通信过程中，引导车将车辆信息数据通过无线网络发给其后的跟随车辆，所有跟随车辆将其车辆状态信息反馈给引导车，每辆跟随车只与前车和后车以及引导车进行通信，确保跟随车辆能够及时获取前车后车信息，保障车辆安全。在引导车自组网以外的跟随车辆，可通过其他引导车进行中继转发来及时获得引导车的车辆信息。

车间通信的总体策略如图3所示。

通信流程：

（1）每辆在编车首先与头车建立直接通信，向头车告知其状态信息，头车根据每辆车的位置对车队进行排序，并实时告知头车的状态信息以及每辆车的前车ID；

（2）车辆根据头车传回的信息确定其通信對象，前车接收到后车发来的数据后向后车返回自身状态数据；

（3）建立跟随车与头车、前车、后车的点对点双向通信连接。

3.1 车间通信协议

根据无人车辆的跟随需求和车间自组无线通信网络的要求，编写如下通信协议：

字头：#V2VS

引导车（头车）字段内容：跟随车前车ID（int），接收数据包ID（long），发送数据包ID（long），本车经度Lon（double），本车纬度Lat（double），本车速度speed（double），本车航向（double），本车油门（int），本车制动压力（int），本车档位（int）

跟随车字段内容：本车ID（int），接收数据包ID（long），发送数据包ID（long），本车经度Lon（double），本车纬度Lat（double），本车速度speed（double），本车航向（double），本车油门（int），本车制动压力（int），本车档位（int）

3.2 车间通信中继技术

将车辆的通信模块设置为无线中继模式，能实现信号的中继和放大，从而延伸无线网络的覆盖范围。中继器主要完成物理层的功能，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。无线网络在数据传输过程中存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。中继器就是为解决这一问题而设计的。它完成物理线路的连接，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同。通过中继放大后的无线信号的名称和原来的无线路由器的无线信号名称一致，设备通过中继接入网络和直接接入网络在网络层上没有任何区别，可以实现网络的无缝对接。

3.3 数据的加密和抗干扰方法

3.3.1 无线自组网信息加密

本项目的信息安全主要考虑两方面：一是信息不被别人获取；二是别人获取之后也不能使用这些信息。通过对信息本身进行加密后再传输有提高信息的安全性。在对国际上几种主要的信息加密方式进行分析的基础上，确定了本项目的加密方式。现在国际上主要的信息加密方式主要有DES算法、MD5算法、RSA算法、DSA算法、ElGamal算法五中加密方式，通过对比分析，本项目采用了DES加密算法。

本项目中，信息必须通过网络进行传输。在网络上传输的信息都是经过加密的密文，密文必须通过对应的密钥和相应的解密算法才能得到明文。本项的加密/解密算法以DES为基础，采用三重DES加密算法实现了对信息的156位加密和解密。DES是一种对二进制数据进行加密的算法，数据分组长度、密钥长度和输出密文长度均为64位，明文经过16轮的叠代、乘积变换、压缩变换等编码过程输出密文。除非同时知道密钥和所有变换矩阵，否则要想破解密文非常困难。

这种加密算法给信息传输带来了较高的安全性，同时也给系统增加了一些额外的开销，即加密算法会增加计算机的处理量，同时传输的数据量也有相应的增加。例如，传输1个字节和传输8个字节信息，在加密后的数据量都是一样的。但对于当前计算机速度而言，这点代价是可以接受的。

3.3.2 数据抗干扰方法

无线通信的是通过电磁波的形式传输，在周围存在的电磁波的形式复杂，还有道路建筑物、行驶车辆等外在因素会对通信产生干扰，导致通信数据延迟和丢失。面对这种复杂的情况，在该项目中我们通过程序上的优化来加强通信的稳定性。主要措施如下：

（1）引入握手机制和丢失数据重发机制，它们都是通过“接收数据包ID（long）”实现的，车辆通过解析该数据，确定其要发送的数据内容，确保与其通信的目标车能够收到该车的全部有效数据。在进行丢失数据的重发时，“后车向前车”与“前车向后车”的数据发送策略是不同的。后车向前车只发送当前时刻最新采集的数据信息，前车接到后车数据后，会向后车发送位于该数据所在位置前方的全部历史数据。

（2）引入数据校验机制，通过“校验位（byte）”实现，用于检验数据正确性，异常数据将被直接丢掉，校验方式为异或校验。将字段内容转换成string，进行异或运算，将结果存入校验位，用“；”隔开。

4 实车试验

在前期车间通信自组网准备工作的基础上，将通信设备移植到团队JJUV-5和JJUV-6智能车平台进行实车验证，检测通信自组网的实车通信能力和数据传输利用能力，验证跟随车无人车队队列行驶的跟随情况。

4.1 JJUV-5、JJUV-6智能车平台介绍

我们将JJUV-6作为引导车，JJUV-5作为跟随车进行实验（如图5所示）。JJUV-5是基于长城H8搭建的智能车平台，在车上安装了激光雷达、毫米波雷达、惯导、相机、GPS、工控机、通信模块等设备，JJUV-5具有较好的环境感知技术、决策技术和控制技术，能较好的实现无人驾驶。JJUV-6是基于长城H7搭建的无人车平台，在车上安装了GPS、惯导、工控机、通信模块等设备，能较好的实现GPS定位、实时速度检测和无线数据传输等功能。

在通信过程中JJUV-6实时的将其GPS位置、速度、航向、油门、制动力和档位等信息通过通信模块发送给JJUV-5，JJUV-5收到前车数据之后通过智能车辆的决策和控制实现轨迹跟随，跟随过程中同时根据其自身传感器对周边障碍识别信息进行自身轨迹的修正，从而实现良好的跟随效果。

4.2 实车试验

在实车试验中，通过两车计算机、通信模块等实现跟随车和引导车的通信，在车内的计算机显示器中可以通过显示器看到如图6和图7所示引导车和跟随车的通信状态，当两车间距小于30米时显示绿色“间距正常”字样，间距过大时引导车窗口会显示红色“间距过大”字样同时引导车会发出数量不同的“滴”声来提示驾驶员两车的间距变化；当车间网络传输时，引导车的显示器上也会通过绿色的“正常行驶”和红色的“通信中断”字样显示网络的连接状态，同时跟随车中窗口也会显示通信良好和中断。通过此类方式让引导车的驾驶员更直接的了解车间通信的实时状态。

通过JJUV-5和JJUV-6的实车跟车实验，在校园的柏油路上分别由易到难做了直线、曲线和U型三种轨迹的跟车实验，三种工况下都实现了良好的跟车效果。引导车和跟随车之间能够保持较稳定的跟车距离，轨迹重合度较高，跟踪误差在50cm以内，达到了实验的要求。但是由于校园环境中楼房等建筑的干扰比较明显，对车辆跟随造成较大影响。三个实验的轨迹图如图8、图9、图10所示，其中綠线代表引导车，红线代表好跟随车。

5 结 论

针对无人车队列行驶的特点，结合车间通信网络的研究现状，成功建立了基于WIFI通信的车辆跟随行驶的无线通信网络，并在通信网络过程中通过引入握手机制、丢失重发机制等算法来提高通信的稳定性，通过中继技术等提高了车间通信的灵活性，通过对数据的加密和抗干扰技术提高数据的安全性。通过实车实验验证了通信网络的实用性和时效性，能实现稳定的车辆跟随行驶，满足了实验的预设要求。虽然研究过程中还存在一些问题，不过这也为下一步无人车编队行驶的研究奠定了基础，为道路交通的改善提供了有效的方式。

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作者简介：郑凯文（1991.10—），男，山东博兴人，硕士在读。研究方向：军用车辆电子工程。