车辆编队协作式行驶仿真系统研究

郭 蓬，陈美奇，杨建森，许扬眉

（1.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司， 天津 300300；3.天津思丰霍汽车零部件技术开发有限公司，天津 300300）

随着我国汽车工业技术的快速发展，汽车保有量不断增长，为城市道路的通行能力带来了严峻的考验。交通拥堵、交通事故频发、能源短缺等问题日益严重，如何实现汽车安全、高效且节能行驶成为新一代汽车技术发展的关键。现代网络和无线通信技术的发展，其技术在车联网上得到了有效的应用。智能网联汽车（Intelligent and Connected Vehicle, ICV）作为新一代汽车，不仅搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置，同时融合了现代通信与网络技术，可实现安全、高效、舒适、节能行驶，结合智能交通（Intelligent Transportation System, ITS）技术的发展，可以有效解决能源消耗、交通堵塞及汽车行驶安全等问题。

现代网络通信协议，如专用短程通信技术 （Dedicated Short Range Communication, DSRC）、长期演进技术（Long Term Evolution, LTE）、Wi-Fi、5G 等可以实现本车与邻近车辆以及道路基础设施等进行信息交互，驾驶员可根据反馈信息合理控制车辆，从而减少非必要的停车和车辆延误。

目前智能网联汽车还处于研究阶段，为了能够安全、方便地进行车辆编队行驶应用的研究，本文通过仿真软件参考汽车实际道路行驶工况，搭建汽车行驶场景，利用仿真设备模拟车间通讯拓扑，对智能网联汽车队列行驶功能进行模拟。通过设备模拟智能车载终端间的通信，真实还原智能网联汽车之间的信息交互。最后，通过联合仿真系统，设计领航者-跟随者的车辆编队控制引导策略及相应的仿真场景，对智能网联汽车车队行驶应用进行平台仿真验证。

1 协作式车辆编队建模与控制

1.1 车队模型

车辆的编队行驶是指由两辆及以上的车辆按照相同的方向行驶，保持相互之间维持一定的安全距离或一定的速度行驶的车辆，必要的时候可进行避障等功能的行驶方式。车辆编队行驶的优势在于能够降低驾驶员的劳动强度，提升驾乘人员的安全性、舒适性，提高交通效率、运输效率和燃油效率等。

假设车辆队列在理想的平直道路上行驶，设定整个车队共有+1辆车，将车队中的第一辆车定为头车，且编号为0，其后依次编号并作为头车的跟随车辆，定义第辆车的位置、速度和加速度分别为x、v和a(= 1,2,…,-1)。根据以上定义，可以通过微分方程来描述第辆跟随车的数学模型，所以模型如下：

式中，S表示第和-1辆车之间的距离，m；x表示编号车辆的位置，m；表示车辆的长度，m

1.2 车队控制

1.2.1 智能驾驶员模型

根据前人研究发现，目前在智能网联车自动驾驶仿真研究中智能驾驶员模型（Intelligent Driver Model, IDM）获得较为广泛的应用。智能网联车编队行驶控制主要通过协同自适应巡航控制（Cooperative Adaptive Cruise Control, CACC）方式，该方式通过无线通讯方式与相邻车辆进行信息交互，包括速度、位置以及加减速等。基于无线通信车队信息交互如图1所示。

图1 基于无线通信车队信息交互

针对CACC系统，在车辆行驶纵向控制的策略可表示为

式中，a表示第辆车的期望加速度；表示IDM模型计算出的第辆车的期望加速度；、a分别表示领航车和跟随车第1辆车；、λ为权重系数，通常取 0.3。

1.2.2 车间时距控制

车辆编队行驶控制的基础是车队在行驶过程中的车间距的控制，良好的车间距离控制能够保证汽车在各种交通环境下都能稳定安全地行驶。首先，在保证安全的前提下，应尽可能地减小其控制值，这样有利于车队的纵向距离不至于过大，同时，在车辆驾驶或车速较高时，在前方车辆发生紧急制动等情况后具有足够的制动距离，保证安全行驶。

本文主要从车辆队列纵向上考虑期望时距，期望车间距离策略通常分为两大类，即固定车间时距（Constant Time Headway, CTH）和可变车间距离 （Variable Time Headway, VTH）。其中，固定车间时距的车间距离表达式为

式中，l表示第辆车长，m；表示最小车间距离，m；表示车间时距，s。

主要是指“家族成员”接班，即血缘继承，包括企业主的子女、兄弟等等。该模式，忠诚度明显较高，信用成本低，可以保证企业权力不旁落。研究表明，对企业忠诚度和事业心是企业主很看重的素质，家族企业内部人员会成为首选。目前中国家族企业最普遍的传接形式就是家族成员接班，其中“子承父业”一直是家族企业首选的接班方式，企业主往往不愿、不放心将自己创立的企业交给一个外人去管理。远的如“同仁堂”“全聚德”“王麻子”“王致和”，近的则有“杭州万向”“江苏红豆”“宁波方太”等等，无不选择这种交接班方式，有的家族企业也成为了百年品牌。

从式（3）可以看出，对于固定车间时距后车与前车之间的距离是一个设定好的固定值，计算简便且容易实现。但是由于没有考虑交通环境变化的影响，车辆队列在行驶的过程中无法根据前车的行驶状态改变车间距离，导致车队低速行驶时，车间距偏大，影响车队行驶效率；高速行驶时，车间距偏小，容易追尾，安全性降低。在实际中，固定车间时距的方案的应用比较少。

另一类可变间距的方案，能够随时根据交通环境改变车辆运动状态，灵活调整跟车距离，更符合实际需要，也更能够保证车队行驶的安全性和稳定性。可变车间时距方案车间距离值会根据车辆的运动状态而变化，所以，VTH的车间距离表达式为

式中，a表示第-1辆车的加速度，m/s；表示前后两车之间的相对速度，m/s。

经过总结和分析，结合本文所研究内容及技术背景和实际应用情况，本文采用可变车间时距车间距离控制方案对车辆编队行驶进行仿真研究。

2 车辆编队引导

简化领航者-跟随者法，可以将前后车之间的关系看成单纯的两车之间的关系，进一步将整个车队的控制看成是对领航车的控制。在设定领航车和跟随车的位置坐标后，可以计算出跟随车相对于领航车的相对距离和速度。

因此，领航车和跟随车可通过下述公式表示其时刻的位置。

式中，v、v分别表示领航车在水平和垂直方向的初始速度，m/s；s、分别表示跟随车在水平和垂直方向跟车时距。

车辆编队引导控制是智能网联车研究的热点，考虑车辆通信的特征，本文中选用的是领航-跟随法。该策略控制规则简单，易于实现，在知道领航者的车辆运动状态的情况下可快速生成队列，同时各跟随车辆既可以接收前车信息，也可以接收领航车信息，从而能够更好地保持队列的稳定性。如图2所示，基于领航-跟随法车辆编队行驶，车队在行驶过程中可以根据需要进行多种编队方式。

图2 车辆编队行驶示意图

3 仿真分析

3.1 仿真场景及控制

本文选取 Prescan 作为场景软件构建所需要的仿真实验场景，仿真车辆模型并搭载相关的传感器，在Matlab/Simulink中建立智能驾驶员模型以及可变时距控制策略。本文主要研究车辆编队行驶队列协同控制策略及车辆在纵向上行驶的仿真表现，因此，仿真实验道路选择直线。智能驾驶员模型结构如图3所示。

图3 智能驾驶员模型结构图

车辆队列协同控制策略的逻辑业务分为创建车队、加入车队、车队巡航、离开车队和解散车队构成，其流程如图4所示。

图4 车辆队列协同控制策略流程图

3.2 通信平台

目前由美国和日本主导的DSRC无线通信标准，是一种专用短波通讯技术，主要面向V2V和V2I通信标准。

C-V2X在智能网联车上的应用，定义了两种通信方式：LTE-V-Cell和LTE-V-Direct。其中，LTE-V-Direct通信方式又包括两种通过接口，一种是通过Uu接口实现终端和基站之间的通信，另一种是通过PC5接口实现车辆与周围环境进行信息交互，交互类型主要包含以下4种：车到车（V2V）、车到基础设施（V2I）、车到网络（V2N）、车到行人（V2P）。对比如表1所示。

表1 DSRC和C-V2X比对

本文研究车辆编队的通信方面，仿真是在实验室情况下完成的，涉及的主要通信类型是V2V，用于在跟随车与跟随车和跟随车与领航车之间交互状态信息和控制信息。采用ROHDE&SCH- WARZ 公司的CMW500设备进行模拟PC5接口，用于车辆与车辆之间数据交互，同时车载终端设备在工作的过程中需要接收GPS信息，因此，通过上述公司的SMBV100B设备，进行主车的GPS信息模拟。图5为设计仿真系统简图。

图5 仿真系统简图

3.3 仿真结果

本文仿真实验条件及领航车与跟随车运动场景设置：在实验室环境下，将某公司车载终端作为跟随车上通讯设备进行通讯，通过Matlab/ Simulink软件搭建的智能驾驶员模型，控制在Prescan软件中设置的领航车和跟随车。领航车和跟随车在直线上行驶，且领航车在跟随车前方50 m处，领航车和跟随车均以15 km/h车速匀速行驶，在车辆编队完成后领航车继续行驶10 s，随后领航车加速至60 km/h，维持30 s后减速至停车。领航车辆停车后，发起解散车队指令，待车队解散后，领航车以30 km/h车速行驶，跟随车以15 km/h车速匀速行驶。另设定车辆车长3.5 m，最小间距为固定值1.5 m。

纵向距离误差如图6所示，图中左侧坐标轴表示跟随车与领航车之间的车距，右侧坐标轴表示车辆编队完成标志。从图可以看出，车辆编队完成前，领航车和跟随车距离保持初始设定50 m不变，在完成编队后，跟随车为保持车队稳定，开始通过调整自车车速来保持与领航车之间的间距，其中在领航车停车后，跟随车在距离领航车1.9 m处停车，大于设定值1.5 m，符合要求。

图6 纵向距离误差

图7为领航车-跟随车速度曲线，图中横坐标与右侧坐标轴同图6一致，左侧坐标轴表示车辆行驶速度。从图6和图7可以看出，在领航车加速行驶后，跟随车也加速行驶，同时增加两车之间的间距；在领航车减速停车后，跟随车也开始减速行驶，最终在最小跟车距离的时候停车；最终在解散车队后，跟随车领航车行驶一定距离后开始起步行驶。

图7 领航车-跟随车速度曲线

4 结语

针对智能网联车编队行驶的应用，本文通过搭建智能驾驶员模型以及使用编队引导策略，并通过场景仿真软件以及通信模拟设备进行编队行驶过程的仿真测试验证，结果显示跟随车车载设备能够有效地完成编队过程，并在队列行驶过程中保持稳定的车间距离行驶。进一步表明，通过本仿真系统，能够对智能网联车功能应用进行验证，且提高了安全性和效率。