CN115131959A - 车辆队列防追尾主动避撞协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及车辆协同式自适应巡航技术领域，具体的说是一种车辆队列防追尾主动避撞协同控制方法，通过调整队列内车间距和提高领航车速度两种方法进行防追尾主动避障控制，并采用质量‑弹簧‑阻尼***在受到压缩时各质量块位移的规律，描述车辆队列避撞时期望车间距的变化，在对弹性系数和阻尼系数进行适当标定后，使期望车间距变化曲线具有平滑、快速稳定的特点，有利于队列内车辆速度的稳定性，在考虑通信延迟与制动器迟滞总时间的情况下，对最小安全车间距进行计算与保持，保证了队列内车辆的安全性，采用MPC控制器对期望车间距和期望车速进行跟踪，并通过滚动优化方法队列内车辆的最优加速度，有效保证了跟车安全性、燃油经济性和行驶舒适性。

Description

车辆队列防追尾主动避撞协同控制方法

技术领域：

本发明涉及车辆协同式自适应巡航技术领域，具体的说是一种适用于单车或多车的防追尾避撞主动控制，适用范围更广，降低连环追尾的风险的车辆队列防追尾 主动避撞协同控制方法。

背景技术

车辆队列技术，又称协同式自适应巡航(Cooperative Adaptive CruiseControl， CACC)，是一种依靠V2X通信技术，使一组具有相同任务的车辆协同行驶的模式。车辆以较小的安全车间距排成一列行驶可有效降低跟随车辆的空气阻力，减小能 耗；此外，队列内的信息交互，有利于交通流的稳定性和车辆的可组织性，研究 表明车辆队列技术可以有效地提高行驶安全性、燃油经济性和缓解交通拥堵。 统计数据显示，追尾事故占高速事故总量的45.7％，市区道路比例还更大些，而 且车辆队列内车间距相对较小，若存在追尾风险，容易发生连环追尾事故，造成 重大的损失。发生追尾事故的主要原因是后车的无法保持与前车的安全车距引起 的，所以，具有防追尾***的前车可有效避免与后车相撞，追尾避撞是车辆队列 技术的研究重点之一。

目前，车辆防追尾方法分为预警式方法和主动控制式方法。防追尾预警方法根据车辆传感器信息，计算前后车之间的车间距、相对速度和碰撞时间等参数，并采 用警示牌、警示灯和提示音等方法，提示后车驾驶人存在追尾风险，注意保持安 全车距，但该方法不能解决因车辆制动***故障等客观原因引起的追尾风险。主 动控制式方法根据后车的速度和加速度等信息，确定追尾的风险等级并对前车进 行速度规划或换道控制，从而达到降低追尾风险的目的。相比预警式方法，主动 控制方法通过干预车辆运行***避免追尾，但在前车不具有加速和换道的安全空 间与条件时，尤其多车列队行驶的场景下，无法保证在有限的时间内寻找实现加 速和换道的安全空间和完成主动避撞功能，甚至可能会引起其他交通参与者的碰 撞风险，引发更严重的事故。所以，当前的主动控制式方法没有考虑队列内各车 辆防追尾的协同性。此外，在防追尾主动避撞过程中还应考虑车辆队列行驶的稳定性，以免队列内车速和车间距的调整引起车速的波动，增加额外的能耗。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种优先通过调整队列内 车间距和提高领航车速度两种方法进行防追尾主动避障控制，适用于单车或多车 的防追尾避撞主动控制，适用范围更广，降低连环追尾的风险的车辆队列防追尾 主动避撞协同控制方法。

本发明通过以下措施达到：

一种车辆队列防追尾主动避撞协同控制方法，所述车辆队列中包含1+n辆车， n≥0，每辆车辆均设有传感器、GPS及MPC控制器，其特征在于，包括以下步 骤：

步骤1：通过传感器获取i时刻后车的速度v_rear，队列尾车速度v_n，后车与队列 尾车的实际车间距d_rear，并计算后车的加速度a_rear；

步骤2：将后车与队列尾车的实际车间距d_rear与追尾风险车间距d_risk进行比较， 追尾风险车间距d_risk根据队列期望车头时距t_h及停车距离d₀计算，公式如下： d_risk＝v_rear·t_h+d₀；

步骤3：如果队列尾车与后车的碰撞时间小于时间阈值，即

队列尾车根 据追尾碰撞时间t_c与时间阈值

计算与后车保持安全所需要的车间距d_safe，追 尾碰撞时间t_c按下式计算：

安全车间距d_safe根据如下公式计算：

步骤4：如果车辆队列内车间距大于最小安全车距，即d_j＞d_min，队列尾车计算 队列内协同实现防追尾安全车间距，各车需要达到的最终车间距

最终车间距

的计算公式如下所示：

队列内最小安全车间距d_min由前后 车的车速、车辆j的最小制动减速度

和通信延迟与制动器反应总时间τ计算得 出，计算公式如下：

队列尾车计算防追尾所需的队列内各车辆的期望车间距，并将车间距信息分发至队列内各车；

步骤5：队列内车辆采用MPC控制器对期望车间距和期望车速进行跟踪，通过 滚动优化方法计算队列内车辆的加速度；

步骤6：底层控制器将加速度信号转化为油门开度与制动油压，控制车辆行驶速度，执行完毕重复步骤1。

本发明步骤2中，若队列尾车与后车的碰撞时间不小于时间阈值，即

车辆队列按照原始期望车速与期望车间距行驶，并执行步骤5。

本发明步骤3中，若碰撞时间不小于时间与之，则执行步骤5。

本发明步骤4中，若队列内车间距不大于最小安全车间距，则队列尾车将后 车车速信息传递给队列领航车，领航车将后车车速作为期望速度，然后执行步骤 5。

本发明步骤4中，为防止队列中各车辆的期望车间距与当前车间距相差较大， 引起车间距跟踪过程中车速来回波动问题，采用质量-弹簧-阻尼***压缩过程中 的相邻质量块间距的变化规律，类比队列中车间距的变化，则下一时刻车辆j的 期望车间距

根据如下公式计算：

本发明步骤5中队列内车辆接收到队列尾车防追尾主动避撞信息后，更新期 望车间距与期望车速信息，采用MPC控制器对期望车间距和期望车速进行跟踪， 并通过滚动优化方法队列内车辆的最优加速度，MPC控制器性能函数考虑了四 方面的内容：(a)在跟车安全性方面，要保证车间距在安全范围内；(b)在燃油 经济性方面，保证车辆加速度在一定范围内且不发生过大的波动；(c)在行驶舒 适性方面，保证加速度增量在一定的范围内；(d)考虑执行器饱和现象，期望加 速度不大于车辆当前车速下所能达到的最大加速度，性能函数表达式如下所示：

J(x(k),ΔU(k))＝||P_y(Y_p-Y_ref)||²+||P_uΔU(k)||²

s.t.d_j≥d_min

a_min≤a≤a_max

Δa_min≤Δa≤Δa_min

车辆底盘的底层控制器将MPC控制器计算得到的期望加速度转化为油门开 度与制动油压，控制车辆行驶速度。

与现有车辆防追尾技术相比，本发明围绕车辆队列内车间距较小，连环追尾 事故发生风险较大问题，提出了优先通过调整队列内车间距和提高领航车速度两 种方法进行防追尾主动避障控制，适用于单车或多车的防追尾避撞主动控制，适 用范围更广，降低了当前技术仅针对单车进行防追尾控制时未考虑是否具有加速 避撞空间，从而引起连环追尾的风险。本发明通过分析后车的行驶状态，选择不 同的避撞措施。尤其针对制动器效能降低、雨雪天气路滑等客观原因引起的制动 距离过长导致追尾事故发生的情况，采用压缩队列内车间距的方式主动避撞，可 有效减轻车辆队列因避撞对其他交通参与者的影响。本发明采用质量-弹簧-阻尼 ***在受到压缩时各质量块位移的规律，描述车辆队列避撞时期望车间距的变化， 在对弹性系数和阻尼系数进行适当标定后，能使期望车间距变化曲线具有平滑、 快速稳定的特点，有利于队列内车辆速度的稳定性。同时，在考虑通信延迟与制动器迟滞总时间的情况下，对最小安全车间距进行计算与保持，保证了队列内车 辆的安全性。本发明采用MPC控制器对期望车间距和期望车速进行跟踪，并通 过滚动优化方法队列内车辆的最优加速度。MPC控制器性能函数对加速度和加 速度变化量进行了约束，有效保证了跟车安全性、燃油经济性和行驶舒适性。

附图说明

附图1为本发明中车辆队列防追尾主动避撞示意图。

附图2为本发明的流程图。

附图3为本发明实施例中四车队列主动避撞位置变化曲线图。

附图4为本发明实施例中四车队列主动避撞车间距变化曲线图。

附图5为本发明实施例中四车队列主动避撞速度变化曲线图。

具体实施方式：

下面将结合附图，对本发明的实施作进一步详细描述。

如图1所示，车辆数量为n+1(n≥0)的队列，队列内车辆根据GPS、雷达和 车速传感器等监测自身的状态信息(位置x_j、速度v_j、加速度a_j和车间距d_j)， 当车辆队列稳定行驶时车速

车间距

队列 内各车辆可以通过无线通信技术进行信息的发送与接收，队列尾车后部安装有毫 米波雷达、超声波传感器等计算后车的车速、加速度和车间距等信息。

本例提供一种车辆队列防追尾主动避撞协同控制方法，所述方法包括：

步骤S1，队列尾车根据传感器信息，计算后车车速v_rear、加速度a_rear和车间 距d_rear等信息；其中队列尾车为车辆队列最后面的车辆n；后车为队列尾车后面 的车辆；车间距d_rear为队列尾车的车尾与后车的车头之间的距离；

步骤S2，将后车与队列尾车的实际车间距d_rear和追尾风险车间距d_risk进行比 较，即d_rear≤d_rise，则存在后车进入追尾风险区，进入步骤S3，否则进入步骤S5； 追尾风险车间距d_risk可根据队列期望车头时距t_h及停车距离d₀计算，公式如下： d_risk＝v_rear·t_h+d₀期望车头时距t_h与停车距离d₀可根据车辆队列的车间距车辆一 致，一般选取t_h＝1s～2s，d₀＝1m。

步骤S3，根据碰撞时间与时间阈值判断追尾风险的大小；若

则追尾 风险较大，并通过压缩车辆队列车间距，进入步骤S41；若

则追尾风险 较小，进入步骤S5；所述追尾碰撞时间t_c，计算公式如下：

碰撞时间阈值

可根据车辆队列的长度和通讯周期等影响车间距响应速度的因 素选取，如

步骤S41，根据后车的状态信息，计算完成主动避障所需要达到的期望车间 距，包括三方面内容：

步骤S411，队列尾车根据追尾碰撞时间t_c与时间阈值

分析与后车保持安 全所需要的车间距d_safe。所述后车安全车间距d_safe根据后车车速v_rear，队列尾车 车速v_n与时间阈值

计算，计算公式如下：

步骤S412，如果车辆队列内车间距大于最小安全车距，即d_j＞d_min，则车辆 队列还具有压缩车间距的空间，进入步骤S413；否则，车辆队列无法通过压缩 车间距避撞，进入步骤S42。所述队列内最小安全车间距d_min可由前后车的车速、 最小制动减速度a_m和通信延迟与制动器反应总时间τ计算得出，计算公式如下所 示：

步骤S413，队列尾车计算防追尾所需的队列内各车辆的期望车间距

并 将车间距信息分发至队列内各车，各车辆的期望车间距

将收敛于最终车间距

为防止队列中各车辆的期望车间距与当前车间距相差较大，引起车间距跟踪过程 中车速来回波动问题，采用质量-弹簧-阻尼***压缩过程中的相邻质量块间距的 变化规律，类比队列中车间距的变化，则下一时刻车辆j的期望车间距

可根据 如下公式计算：

式中，k、c、m和T分别为弹性系数、阻尼系数、质量系数和计算周期，弹性系 数、阻尼系数和质量系数可根据车辆的质量、响应时间等条件进行标定；如质量 为1820kg的车辆，可选取k＝300N/m、c＝794N/(m/s)、m＝182kg和T＝0.05s；

步骤S42，若队列尾车根据后车状态信息及队列内各车辆的状态信息判断不 具备通过压缩车间距主动避撞的条件，则指令领航车将后车车速作为期望车速行 驶；

如图4、图5所示，车辆队列初始车速为60km/h，初始车间距为17.7m，后 车初始车速为101km/h；在0-2.7s时，碰撞时间大于时间阈值，车辆队列按初始 车速与初始车间距行驶；在2.7s时，碰撞时间小于时间阈值，车辆队列开始采 用压缩车间距的方法增大与后车的碰撞时间；在6.7s时，后车开始减速；在8.9s 时，碰撞时间大于时间阈值，压缩车间距指令结束，后车与队列尾车的间距达到 最小；由于跟随车车速大于领航车，队列内车间距进一步压缩，最终达到7.3m， 后车车间距达到8.5m；若采用防追尾单车控制方法且不换道的方法，后车与队 列尾车将会在7.4s追尾；可见，协同控制方法可以在短时间内产生较大的纵向 空间进行避撞，不需要换道避障并且不会影响车辆队列外的其他交通参与者； 步骤S5，队列内车辆接收到队列尾车防追尾主动避撞信息后，更新期望车间距 与期望车速信息，采用MPC控制器对期望车间距和期望车速进行跟踪，并通过 滚动优化方法队列内车辆的最优加速度。进一步的，MPC控制器性能函数考虑 了四方面的内容：(a)在跟车安全性方面，要保证车间距在安全范围内；(b)在 燃油经济性方面，保证车辆加速度在一定范围内且不发生过大的波动；(c)在行 驶舒适性方面，保证加速度增量在一定的范围内；(d)考虑执行器饱和现象，期 望加速度不大于车辆当前车速下所能达到的最大加速度，性能函数表达式如下所 示：

J(x(k),ΔU(k))＝||P_y(Y_p-Y_ref)||²+||P_uΔU(k)||²

s.t.d_j≥d_min

a_min≤a≤a_max；

Δa_min≤Δa≤Δa_min

式中，F_tmax为车辆最大驱动力，F_f为滚动阻力，F_i为坡度阻力，F_w为空气阻力；

步骤S6，车辆底盘的底层控制器将MPC控制器计算得到的期望加速度转化 为油门开度与制动油压，控制车辆行驶速度；

最后，若将后车与队列尾车的实际车间距d_rear大于追尾风险车间距d_risk，即 d_rear＞d_rise，则认为追尾风险解除，车辆队列恢复原始期望车间距行驶，

本发明围绕车辆队列内车间距较小，连环追尾事故发生风险较大问题，提出 了优先通过调整队列内车间距和提高领航车速度两种方法进行防追尾主动避障 控制，适用于单车或多车的防追尾避撞主动控制，适用范围更广，降低了当前技 术仅针对单车进行防追尾控制时未考虑是否具有加速避撞空间，从而引起连环追 尾的风险。本发明通过分析后车的行驶状态，选择不同的避撞措施。尤其针对制 动器效能降低、雨雪天气路滑等客观原因引起的制动距离过长导致追尾事故发生 的情况，采用压缩队列内车间距的方式主动避撞，可有效减轻车辆队列因避撞对 其他交通参与者的影响。本发明采用质量-弹簧-阻尼***在受到压缩时各质量块 位移的规律，描述车辆队列避撞时期望车间距的变化，在对弹性系数和阻尼系数 进行适当标定后，能使期望车间距变化曲线具有平滑、快速稳定的特点，有利于 队列内车辆速度的稳定性。同时，在考虑通信延迟与制动器迟滞总时间的情况下， 对最小安全车间距进行计算与保持，保证了队列内车辆的安全性。本发明采用 MPC控制器对期望车间距和期望车速进行跟踪，并通过滚动优化方法队列内车 辆的最优加速度。MPC控制器性能函数对加速度和加速度变化量进行了约束， 有效保证了跟车安全性、燃油经济性和行驶舒适性。

Claims (6)

1.一种车辆队列防追尾主动避撞协同控制方法，所述车辆队列中包含1+n辆车，n≥0，每辆车辆均设有传感器、GPS及MPC控制器，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过传感器获取i时刻后车的速度v_rear，队列尾车速度v_n，后车与队列尾车的实际车间距d_rear，并计算后车的加速度a_rear；

步骤2：将后车与队列尾车的实际车间距d_rear与追尾风险车间距d_risk进行比较，追尾风险车间距d_risk根据队列期望车头时距t_h及停车距离d₀计算，公式如下：

d_risk＝v_rear·t_h+d₀；

步骤3：如果队列尾车与后车的碰撞时间小于时间阈值，即

队列尾车根据追尾碰撞时间t_c与时间阈值

计算与后车保持安全所需要的车间距d_safe，追尾碰撞时间t_c按下式计算：

安全车间距d_safe根据如下公式计算：

步骤4：如果车辆队列内车间距大于最小安全车距，即d_j＞d_min，队列尾车计算队列内协同实现防追尾安全车间距，各车需要达到的最终车间距

最终车间距

的计算公式如下所示：

队列内最小安全车间距d_min由前后车的车速、车辆j的最小制动减速度

和通信延迟与制动器反应总时间τ计算得出，计算公式如下：

队列尾车计算防追尾所需的队列内各车辆的期望车间距，并将车间距信息分发至队列内各车；

步骤5：队列内车辆采用MPC控制器对期望车间距和期望车速进行跟踪，通过滚动优化方法计算队列内车辆的加速度；

步骤6：底层控制器将加速度信号转化为油门开度与制动油压，控制车辆行驶速度，执行完毕重复步骤1。

2.根据权利要求1所述的一种车辆队列防追尾主动避撞协同控制方法，其特征在于，步骤2中，若队列尾车与后车的碰撞时间不小于时间阈值，即

车辆队列按照原始期望车速与期望车间距行驶，并执行步骤5。

3.根据权利要求1所述的一种车辆队列防追尾主动避撞协同控制方法，其特征在于，步骤3中，若碰撞时间不小于时间与之，则执行步骤5。

4.根据权利要求1所述的一种车辆队列防追尾主动避撞协同控制方法，其特征在于，步骤4中，若队列内车间距不大于最小安全车间距，则队列尾车将后车车速信息传递给队列领航车，领航车将后车车速作为期望速度，然后执行步骤5。

5.根据权利要求1所述的一种车辆队列防追尾主动避撞协同控制方法，其特征在于，步骤4中，为防止队列中各车辆的期望车间距与当前车间距相差较大，引起车间距跟踪过程中车速来回波动问题，采用质量-弹簧-阻尼***压缩过程中的相邻质量块间距的变化规律，类比队列中车间距的变化，则下一时刻车辆j的期望车间距

根据如下公式计算：

6.根据权利要求1所述的一种车辆队列防追尾主动避撞协同控制方法，其特征在于，步骤5中队列内车辆接收到队列尾车防追尾主动避撞信息后，更新期望车间距与期望车速信息，采用MPC控制器对期望车间距和期望车速进行跟踪，并通过滚动优化方法队列内车辆的最优加速度，MPC控制器性能函数考虑了四方面的内容：(a)在跟车安全性方面，要保证车间距在安全范围内；(b)在燃油经济性方面，保证车辆加速度在一定范围内且不发生过大的波动；(c)在行驶舒适性方面，保证加速度增量在一定的范围内；(d)考虑执行器饱和现象，期望加速度不大于车辆当前车速下所能达到的最大加速度，性能函数表达式如下所示：

J(x(k),ΔU(k))＝||P_y(Y_p-Y_ref)||²+||P_uΔU(k)||²

s.t.d_j≥d_min

a_min≤a≤a_max

Δa_min≤Δa≤Δa_min

车辆底盘的底层控制器将MPC控制器计算得到的期望加速度转化为油门开度与制动油压，控制车辆行驶速度。

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