林志超，林小敏，鄭志曉

（1.廣東省智能網(wǎng)聯(lián)汽車創(chuàng)新中心有限公司，廣東 廣州 511434；2.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

近幾年越來越多的車輛搭載自適應(yīng)巡航系統(tǒng)，但目前的跟車巡航功能僅依靠自車傳感器信息進行巡航控制，而自車傳感器存在精度受限和受環(huán)境影響較大等問題，且車與車之間沒有信息交互，都是以固定規(guī)則的跟車距離巡航跟車，無法最大程度兼顧跟車安全和道路通行效率[1]。

而隨著新一代專用短程通信技術(shù)（Dedicated Short Range Communication, DSRC）的發(fā)展，結(jié)合DSRC技術(shù)的自動跟車系統(tǒng)，可實現(xiàn)車與車之間實時信息交互和共享，實現(xiàn)車車協(xié)同，從而能夠較大程度兼顧跟車安全性和道路通行效率[2]。

基于上述分析，針對自動跟車功能，本文利用 DSRC技術(shù)實現(xiàn)車車協(xié)同，充分獲取前車關(guān)鍵狀態(tài)信息，實現(xiàn)前車與自車的信息實時共享和交互，充分利用 DSRC實時信息，搭建了一套基于DSRC技術(shù)的自動跟車控制策略，以保證跟車安全性，同時兼顧一定的通行效率。

1 自動跟車系統(tǒng)方案

1.1 自動跟車系統(tǒng)硬件構(gòu)成

自動跟車控制系統(tǒng)，通過將專用短程通信設(shè)備搭載在智能車輛上，以實現(xiàn)車車的實時通信及自動跟車。其系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示，由智能車載單元、高精定位模塊、車載智能傳感器、專用短程 DSRC通信設(shè)備、底層控制器、執(zhí)行機構(gòu)等組成。

圖1 自動跟車系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

智能車載單元內(nèi)嵌車車（Vehicle-to-Vehicle,V2V）通信協(xié)議框架[3]，通過DSRC通信設(shè)備實時接收前車關(guān)鍵狀態(tài)信息，同時通過自車通信協(xié)議接收自車的高精定位信息以及車載傳感器獲取到的感知信息，進行前車識別與關(guān)鍵消息構(gòu)建等，進而進行自動跟車控制算法實時運算并依次傳輸至底層控制器和執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)實時的自動跟車控制。

DSRC通信設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)傳輸層可利用用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol, UDP）使用網(wǎng)口與上位機進行通信，實現(xiàn)車車之間實時通信[4]。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于DSRC的V2V通訊系統(tǒng)

1.2 自動跟車軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動跟車軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示，其包含感知層、控制層和執(zhí)行層。

圖3 自動跟車軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

感知層軟件包括對自車傳感器的感知信息處理、高精度定位系統(tǒng)的定位信息獲取以及V2V的實時信息交互，接收和處理 DSRC通信設(shè)備傳輸?shù)那败囄蛔诵畔?、車速、航向角、加減速度、制動情況、轉(zhuǎn)向情況等前車關(guān)鍵狀態(tài)信息。

控制層軟件根據(jù)感知層信息進行跟車決策和自動跟車控制，對速度和距離等參數(shù)進行控制，以控制自車以一定車速和安全距離自動安全地跟隨前車行駛。最后將控制量傳輸至底層執(zhí)行層，執(zhí)行跟車控制請求指令。

2 自動跟車控制算法策略

自動跟車控制算法策略主要依據(jù)車車協(xié)同運動模型搭建，如圖4所示，自車通過感知和V2V與前車進行信息交互，與前車保持一定的安全距離，以一定車速和加減速度緊湊且安全地自動跟隨前車行駛[5]。其中，ddes為跟車距離；vego和aego分別為自車的車速和加速度；vlead和alead分別為前車的車速和加速度。

根據(jù)上述車車協(xié)同跟車模型，依次進行期望跟車距離決策和期望跟車速度規(guī)劃，進而完成自動跟車控制。

2.1 期望跟車距離決策

根據(jù)駕駛經(jīng)驗和駕駛規(guī)律，跟車距離與車速正相關(guān)，根據(jù)自車當前車速判斷決策出期望跟車距離[6]：

式中，ddes為期望跟車距離；vego為自車當前車速；tgap為跟車時間閾值，通常取值在1～2 s之間，可根據(jù)不同駕駛員風格變換調(diào)整；dmin為最小安全距離。

2.2 期望跟車速度規(guī)劃

為保證跟車安全且使自動跟車擬人化，期望跟車車速與期望跟車距離、兩車相對距離有關(guān)，并依據(jù)不同跟車工況設(shè)置權(quán)重系數(shù)加權(quán)調(diào)整，期望跟車車速如下：

式中，vxf為接收到的前車車速；vset為自車設(shè)定的巡航車速；ddes為期望跟車距離；df為自車與前車相對縱向距離；κ1為前車車速權(quán)重系數(shù)，根據(jù)不同的跟車工況和前車加減速情況進行動態(tài)取值；σ1為自車設(shè)定巡航車速權(quán)重系數(shù)，其取值為0或1，根據(jù)前車加減速情況及相對距離進行判斷取值。

2.3 跟車控制

在決策規(guī)劃出期望跟車距離和期望跟車速度后，采用上下雙層控制器的分層式結(jié)構(gòu)進行跟車控制，如圖5所示，通過搭建上層、下層控制算法策略來實現(xiàn)自動跟車控制。

圖5 分層式結(jié)構(gòu)跟車控制

上層控制器需根據(jù)期望車速與實際車速之間的偏差以及距離偏差等控制量實時計算得到期望加速度，傳遞到下層控制器進一步控制。在上層控制器中，主要為速度控制，采用比例-積分-微分（Proportion-Integral-Differential, PID）控制實時計算期望加速度：

式中，ades(k)為期望加速度請求；e(k)為控制輸入，即期望跟車車速與實際車速的誤差；Kp、Ki、Kd分別為比例控制、積分控制和微分控制增益；z為離散時間因子。

下層控制器根據(jù)上層輸出的期望加速度請求先判斷車輛應(yīng)驅(qū)動加速還是進行制動減速，然后分別調(diào)用驅(qū)動控制器和制動器。

下層驅(qū)動控制器采用基于縱向動力學的前饋力矩控制和PID力矩反饋控制。根據(jù)車輛縱向動力學得到的前饋力矩為

式中，m為車輛整備質(zhì)量；ades為期望加速度；θ為道路坡度；Faero為空氣阻力；Fr為滾動阻力；rw為車輪半徑；TFF為得到的前饋力矩。

反饋控制是將期望加速度與車輛實際加速度的偏差進行PID控制得到反饋控制力矩：

式中，eax為加速度偏差量；kp、ki、kd分別為比例控制、積分控制和微分控制增益；TFB為得到的反饋控制力矩。

最終得到的自動跟車驅(qū)動扭矩為

3 實車測試驗證

為了驗證基于 DSRC技術(shù)的自動跟車控制策略的有效性，基于某款自動駕駛改裝后的運動型多用途汽車（Sport Utility Vehicle, SUV）車型，搭載 DSRC通信設(shè)備，開展直線和蛇形工況相結(jié)合的自動跟車實車試驗。

試驗工況為前車以 40 km/h依次行直線和蛇形道路軌跡，自車跟隨前車進行自動跟車控制，該工況的行駛軌跡如圖6所示。

圖6 實車試驗工況行駛軌跡

自車自動跟車結(jié)果如圖7所示，展示了兩車車速、啟停距離、兩車間距以及安全距離等之間的關(guān)系及變化曲線，將跟車過程分成五個階段，以此分析整個自動跟車過程的有效性和合理性。

圖7 自動跟車結(jié)果

從試驗結(jié)果看出，在第一階段跟車啟停階段中，兩車初始間距為2.12 m，小于啟動距離即最小安全距離3 m，自車不啟動。當前車開始起動，進入跟車第二階段，當前車車速增大到兩車間距大于起動距離后，滿足自動跟車啟動條件，自車開啟自動跟車控制，加速跟隨前車，但由于此時前車車速大于后車車速，兩車間距進一步增大。當間距增大到大于安全距離，進入跟車第三階段，自車自動跟車不斷加速，兩車間距不斷迫近于安全距離；進入跟車第四階段，兩車間距在安全距離范圍波動，此時自車在自動加減速跟隨前車以調(diào)整兩車間距使其不斷接近安全距離；當進入第五階段后，兩車間距趨近于安全距離達到穩(wěn)定跟車狀態(tài)，兩車車速相近，自車在安全距離范圍內(nèi)自動跟隨前車行駛，依次完成直線和蛇形軌跡的自動駕駛。在整個跟車過程中，兩車間距最大值為11.658 m，而此時安全距離為11.17 m，間距接近且大于安全距離，安全且緊湊跟車。

對比此次基于 DSRC的自動跟車與沒有用DSRC通信技術(shù)的常規(guī)巡航跟車的最大間距結(jié)果，如表1所示?？梢钥闯?，結(jié)合DSRC通信技術(shù)的自動跟車最大間距顯著減小，表明 DSRC跟車隊列更緊湊穩(wěn)定。

表1 跟車過程最大間距對比結(jié)果

從上述實車試驗結(jié)果看出，基于 DSRC技術(shù)的自動跟車控制可有效實現(xiàn)自動跟車功能，能有效地控制自車與前車保持在預(yù)期安全距離內(nèi)自動跟車行駛，整個跟車過程表現(xiàn)穩(wěn)定合理且跟車緊湊，且在蛇形復雜工況中也能保證跟車安全，驗證了基于 DSRC技術(shù)的自動跟車控制策略的有效性。

4 結(jié)論

本文搭建了自動跟車系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)架構(gòu)，建立了基于專用短程通信技術(shù)的自動跟車控制策略，依次完成期望跟車距離決策、期望跟車速度規(guī)劃和自動跟車控制算法設(shè)計，開展實車試驗，結(jié)果表明自車可有效合理地自動跟隨前車進行自動駕駛跟車行駛，既保證了安全跟車，又保證一定通行效率，可為車車協(xié)同輔助駕駛和智能巡航控制等提供一定的理論基礎(chǔ)。