一種基于信息物理網(wǎng)的車隊(duì)編隊(duì)控制裝置及編隊(duì)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于車聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)航控制領(lǐng)域，是一種具備車載信息物理網(wǎng)絡(luò)的車隊(duì)編隊(duì)控制 裝置及編隊(duì)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，人民收入的不斷提高，越來越多的人擁有了自己的汽 車。與此同時(shí)，組隊(duì)自駕游、商務(wù)出巡等多車輛組隊(duì)行駛的情況越來越多。我們將這類行駛 方式統(tǒng)稱之為編隊(duì)行駛。編隊(duì)行駛可以有效的整合資源，最大限度利用編隊(duì)中的車輛。隨 著計(jì)算機(jī)技術(shù)和無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，多輛智能車組成的群體系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)、合作來 完成原本由單個(gè)智能車無法或難以完成的工作已經(jīng)成為可能。智能車編隊(duì)控制主要是指多 個(gè)智能車在群體運(yùn)動(dòng)過程中，能夠在克服環(huán)境限制的同時(shí)還保持著期望隊(duì)形，最終全體都 能夠順利到達(dá)指定目的地的控制技術(shù)。由若干輛車組成的一列線性車隊(duì)以較小車間距保持 某種隊(duì)形行駛，能夠很好的擴(kuò)充現(xiàn)有道路容量，降低車輛擁堵情況，提高實(shí)際交通道路利用 率，增強(qiáng)交通的暢通性及安全性。
[0003] 中國專利CN1975802公開了一種機(jī)動(dòng)車輛編隊(duì)行駛系統(tǒng)的控制方法，在兩個(gè)以上 成員組成的車隊(duì)中，各成員的車載導(dǎo)航系統(tǒng)通過GPRS技術(shù)相互通訊構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò) 的軟件控制由以下四個(gè)機(jī)制組成：編隊(duì)創(chuàng)建機(jī)制：以某一成員為隊(duì)長，當(dāng)有另一成員向隊(duì) 長發(fā)送加入編隊(duì)的申請時(shí)，隊(duì)長可做出接受、拒絕兩種選擇，如隊(duì)長做出接受選擇，則創(chuàng)建 編隊(duì)并取得對編隊(duì)的管理權(quán)限；編隊(duì)成員位置報(bào)告機(jī)制：編隊(duì)成員周期性向隊(duì)長報(bào)告自己 的位置信息，并由隊(duì)長組織后發(fā)送到下一個(gè)編隊(duì)成員；編隊(duì)消息發(fā)送機(jī)制：編隊(duì)成員可以 選擇發(fā)送公告消息或者與某一個(gè)成員私語；編隊(duì)終止機(jī)制：當(dāng)隊(duì)長設(shè)定的編隊(duì)時(shí)間到時(shí)終 止或者由隊(duì)長主動(dòng)終止。該專利實(shí)現(xiàn)編隊(duì)成員之間的通訊聯(lián)絡(luò)，編隊(duì)成員可以選擇公告方 式或者私語方式，方便地將某一消息發(fā)送給全體隊(duì)員或者與某一特定隊(duì)員進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通 訊。但該專利并不能智能地控制車隊(duì)編隊(duì)的行進(jìn)。
[0004] 中國專利CN101408433公開了一種車隊(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)、領(lǐng)航導(dǎo)航裝置、從導(dǎo)航裝置及 其導(dǎo)航方法。隊(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)包括領(lǐng)航導(dǎo)航裝置，用于接收始發(fā)地和目的地信息，生成并發(fā)出導(dǎo) 航路徑；接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號，計(jì)算并發(fā)出當(dāng)前位置坐標(biāo)；從導(dǎo)航裝置用于接收并顯示所述 領(lǐng)航導(dǎo)航裝置發(fā)出的導(dǎo)航路徑；接收所述領(lǐng)航導(dǎo)航裝置發(fā)出的當(dāng)前位置坐標(biāo)，據(jù)此顯示領(lǐng) 航導(dǎo)航裝置的當(dāng)前位置。本發(fā)明還提供了一種領(lǐng)航導(dǎo)航裝置、從導(dǎo)航裝置及其導(dǎo)航方法。領(lǐng) 航導(dǎo)航裝置將最佳路徑發(fā)往從導(dǎo)航裝置，使得從導(dǎo)航裝置只需配置移動(dòng)通信功能和顯示功 能便可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能，無需為車隊(duì)中的每臺(tái)車輛都配置全功能的導(dǎo)航裝置，降低了車隊(duì)整 體的導(dǎo)航成本。但該專利需要駕駛?cè)藛T人工控制車速等車輛行進(jìn)因素，無法智能地進(jìn)行整 個(gè)車隊(duì)編隊(duì)的智能行進(jìn)。
[0005] 中國專利CN102256207公開了一種車隊(duì)導(dǎo)航方法。主車導(dǎo)航設(shè)備和各從車導(dǎo)航設(shè) 備分別在后臺(tái)服務(wù)器上以具有唯一性的標(biāo)識相區(qū)別；主車導(dǎo)航設(shè)備以無線方式向后臺(tái)服務(wù) 器發(fā)送包括當(dāng)前位置、目標(biāo)位置和所屬標(biāo)識的信息；后臺(tái)服務(wù)器根據(jù)接收的主車導(dǎo)航設(shè)備 的當(dāng)前位置和目標(biāo)位置信息，制定導(dǎo)航路線并將通過無線方式發(fā)送至主車導(dǎo)航設(shè)備；從車 導(dǎo)航設(shè)備以無線方式向后臺(tái)服務(wù)器發(fā)送包括當(dāng)前位置和所屬標(biāo)識的信息；后臺(tái)服務(wù)器將各 從車的當(dāng)前位置信息以無線方式發(fā)送至主車導(dǎo)航設(shè)備；后臺(tái)服務(wù)器以無線方式發(fā)送包括主 車導(dǎo)航設(shè)備位置和與唯一性的標(biāo)識相對應(yīng)的從車導(dǎo)航設(shè)備的位置信息至從車導(dǎo)航設(shè)備。但 該專利需要駕駛?cè)藛T人工控制車速等車輛行進(jìn)因素，無法智能地進(jìn)行整個(gè)車隊(duì)編隊(duì)的智能 行進(jìn)。
[0006] 國內(nèi)外學(xué)者對編隊(duì)控制作了大量前沿的研究，并取得了一定的研究成果主要包 括：基于行為法、人工勢場法、虛擬結(jié)構(gòu)法、領(lǐng)航跟隨法等。
[0007] 基于行為的控制方法主要是通過對車輛基本行為以及局部控制規(guī)則的設(shè)計(jì)使得 車輛群體產(chǎn)生所需的整體行為，這些行為包括碰撞避免、障礙物回避、駛向目標(biāo)、形成隊(duì)形、 保持隊(duì)形和變換隊(duì)形等。這種方法很容易根據(jù)當(dāng)前具體情況選擇合適的控制器，但是無法 明確地指出達(dá)到整體行為的局部控制規(guī)則，隊(duì)形控制的穩(wěn)定性很難得到保證。
[0008] 人工勢場法主要是通過設(shè)計(jì)人工勢場和勢場函數(shù)來表示環(huán)境以及隊(duì)形中各輛車 之間的約束關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行分析和控制?；舅枷胧侵悄苘囋谝粋€(gè)虛擬的力場中 運(yùn)動(dòng)，障礙物被斥力勢場包圍，其產(chǎn)生的排斥力隨智能車與障礙物距離的減少而迅速增大； 目標(biāo)點(diǎn)被引力勢場包圍，其產(chǎn)生的吸引力隨智能車與目標(biāo)點(diǎn)的接近而減少；在合力的作用 下智能車沿最小勢能的方向運(yùn)動(dòng)。這種編隊(duì)方法缺點(diǎn)是勢場函數(shù)設(shè)計(jì)比較困難，而且存在 局部極值點(diǎn)的問題。
[0009] 虛擬結(jié)構(gòu)法是將智能車編隊(duì)隊(duì)形想象成一個(gè)剛體的虛擬結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)上固定的各 點(diǎn)對應(yīng)各智能車的位置，智能車根據(jù)剛體上相應(yīng)固定點(diǎn)的移動(dòng)來調(diào)節(jié)自己的運(yùn)動(dòng)即可形成 指定隊(duì)形。這種方法要求隊(duì)形按照剛體的虛擬結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，這種集中控制方式使得多智能車 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)缺乏靈活性和適應(yīng)性。
[0010] 領(lǐng)航跟隨法是將隊(duì)形中的某些智能車作為領(lǐng)航者，其他智能車為跟隨者，將隊(duì)形 控制問題變換為跟隨者跟蹤領(lǐng)航者位置和方向的問題。領(lǐng)航跟隨法的優(yōu)點(diǎn)是隊(duì)形運(yùn)動(dòng)完 全由領(lǐng)航者軌跡確定，控制簡單便于實(shí)現(xiàn)，即使領(lǐng)航者受到干擾也不會(huì)影響整個(gè)隊(duì)形，可以 把編隊(duì)控制問題簡化為獨(dú)立的跟蹤問題，每個(gè)智能車只需要獲得它的領(lǐng)航機(jī)器人的狀態(tài)信 息，從而大大簡化了隊(duì)形間的合作問題；缺點(diǎn)在于領(lǐng)航者和跟隨者的控制相對獨(dú)立，領(lǐng)航者 很難得到跟隨者的跟蹤誤差反饋，會(huì)損失全局最優(yōu)性。
[0011] 除了上述的四種編隊(duì)控制方法以外，車輛編隊(duì)還有MPC模型預(yù)測控制、基于圖論 的隊(duì)形控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編隊(duì)控制一些方法，這三種方法控制比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)比較困難。
[0012] 目前國內(nèi)的車輛編隊(duì)的研究多在控制模型和控制策略等理論研究，并未提出一種 可行的應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中的車輛編隊(duì)控制行駛的方法。
[0013] 因此，可以實(shí)現(xiàn)智能車實(shí)時(shí)自主編隊(duì)行駛且可以回避障礙物的車隊(duì)編隊(duì)時(shí)本領(lǐng)域 迫切解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明公開了一種基于信息物理網(wǎng)的車隊(duì)編隊(duì)控制裝置及控制方法，可以實(shí)現(xiàn)避 開障礙物的智能車實(shí)時(shí)自主編隊(duì)行駛。
[0015] 第一方面，本發(fā)明公開了一種基于信息物理網(wǎng)的車隊(duì)編隊(duì)控制裝置，其中，所述車 隊(duì)包括領(lǐng)航車輛（R1)和跟隨車輛（R,)，設(shè)在車隊(duì)中的每輛車狀、R,)上的所述車隊(duì)智能避 障裝置包括車外傳感器模塊、GPS定位模塊、無線通信模塊和中央處理單元模塊。
[0016] 車外傳感器模塊包括用于檢測前方障礙物的紅外傳感器和用于檢測車行駛速度 的速度傳感器。
[0017] GPS定位模塊安裝在每輛車（民、R,)前端中間位置用于實(shí)時(shí)采集所述車的位置信 息且同步時(shí)間。
[0018] 所述無線通信模塊包括無線網(wǎng)卡和無線路由器用于與所述車隊(duì)中的其他車輛建 立網(wǎng)絡(luò)連接。
[0019] 用于實(shí)現(xiàn)通信和應(yīng)用協(xié)議的所述中央處理單元模塊通過所述無線通信模塊接收 車輛的速度、位置信息并處理，其中，當(dāng)紅外傳感器檢測前方存在障礙物，所述中央處理單 元模塊通過公式（F-I)計(jì)算獲得跟隨車輛（R,)的線速度（ V])和角速度（ω ])，公式（F-I) 如下：
[0020]
[0021] 為常數(shù)，I1,為領(lǐng)航車輛（R1)和跟隨車輛（R,)之間的相對距離，d表示跟隨車輛（R,)質(zhì)心 到軸心的距離，其中定義虛擬車輛Rk，它以恒定線速度Vk相切于障礙物的方向Θ ,沿著障礙 物運(yùn)動(dòng)，即9k的運(yùn)動(dòng)方向Vk始終垂直于R j與虛擬車輛Rk的連線δ jk，S jk表示跟隨車輛 (Rj)與障礙物間的最近距離，9k為虛擬車輛R k相切于障礙物的方向，Θ P Q j分別是領(lǐng)航 車輛（R1)和跟隨車輛（Rj)的角度，Vp v#別是領(lǐng)航車輛（R1)和跟隨車輛（Rj)的線速度， Φ ^和U,分別表示領(lǐng)航車輛（R1)和跟隨車輛（R,)間相對角度和距離；跟隨車輛（R,)通過 CAN總線將中央處理單元模塊獲得的線速度（v])和角速度（ω ])發(fā)送到車輛控制器進(jìn)行調(diào) 整跟隨車輛（Rj)的線速度（Vj)和角速度（W j)從而確保車隊(duì)在編隊(duì)的情況下進(jìn)行避障。 [0022] 當(dāng)紅外傳感器檢測前方不存在障礙物，所述中央處理單元模塊通過公式（F-2)計(jì) 算獲得領(lǐng)航車輛（R1)根據(jù)參考軌跡所需控制的線速度（V1)和角速度（W1)，公式（F-2)如 下：
[0023]
其中，vr、《r分別 為參考軌跡的線速度和角速度，ε、k2、k3均為常數(shù)，0<a<l，位姿誤差6 1= [xlf；，ylf；，Q1J T收斂到零，
[0024] 所述中央處理單元模塊通過公式（F-3)計(jì)算獲得跟隨車輛（R,)根據(jù)參考軌跡所
[0025] 需控制的線速度（(V])和角速度（ω,)，公式（F-3)如下：
[0026]
[0027] 其中匕、1^5、1^6太均為正實(shí)數(shù)，11)1^和1 1^分別表示領(lǐng)航車輛〇?1)和跟隨車輛氓） 期望的角度和車間距，<