一种感知路面状态的货车队列智能行驶引导方法及系统

1.本发明既属于智能交通领域，也涉及信息通信领域，具体涉及一种感知路面状态的货车队列智能行驶引导方法及系统。


背景技术：

2.随着车路协同技术的发展，大型货车的队列行驶能够稳定运行工况、降低空气阻力，有助于减少尾气排放、节省油耗，对提升道路交通安全性、高效性以及节能减排方面发挥着重要作用，是未来交通运输的发展趋势之一。伴随着交通量和车辆荷载的不断增长，大型车、重型车这种重型轴载车辆对路面结构的影响也在持续增加。大量车辆的通行对路面的疲劳破坏将造成一种累积作用，导致路面的永久变形以及疲劳裂缝的出现。而货车队列行驶由于车间距的减小，导致两个连续轴负荷对路面的作用时间缩短，密集的超重负荷对路面有着更大的破坏，且对路面的这种疲劳累积起加速作用。
3.不平整路面状况对车辆的速度、行驶轨迹等都会产生影响，现有研究中较少关注不平整路面对车队行驶的影响，忽略了不同路面破损而引起的路面不平整对车辆行驶的负作用。对路面疲劳破坏的成因，现在技术也没有考虑到未来车路协同交通环境下货车队列行驶模式的影响。随着车路协同技术的发展，利用车路通信技术与智能车辆控制技术对车队中的车辆提供具体的行驶建议或警示成为可能。因此，如何基于路面不平整状态对队列行驶影响的实时预测评估的基础上，提供车队行驶的策略建议，从而在维持车辆队列行驶优势的基础上，降低车队对路面的破坏影响，延长路面的使用寿命是一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种感知路面状态的货车队列智能行驶引导方法，该方法通过采集交通流信息和路面信息，根据路面信息预测路面不平整对队列车辆行驶的影响以及队列行驶车辆对路面的影响，并据此评估车队行驶的优劣，最终对车队行驶策略进行优化，有针对性地提高车队行驶的通行效率，降低油耗，同时降低车队对路面的破坏影响，延长路面的使用寿命。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种感知路面状态的货车队列智能行驶引导方法，包括以下步骤：
7.步骤s1、通过安装在高速公路上的摄像设备实时采集路面信息，通过车速传感器采集车辆当前的车速v，通过安装在道路结构上的压力传感器采集车辆荷载对路面的压力；
8.步骤s2、将摄像设备、车速传感器、压力传感器采集的数据传输至主控设备进行存储；
9.步骤s3、对数据进行处理，提取指定范围内的路面裂缝信息c和交通流信息；
10.步骤s4、根据交通流信息判断车流中是否存在车队；若存在，则转入步骤s5，同时提取车队信息；如不存在，则不做引导，返回步骤s1；
11.步骤s5、根据实际测量的车辆的轴载重m、车辆的速度v、路面平整度x、动载值d，建
立车辆的轴载重m、车辆的速度v、路面平整度x与动载值d的回归模型，根据所获得的道路裂缝信息c确定路面平整度x，根据压力传感器采集的压力数据确定车辆的轴载重m，利用回归模型和所确定的车辆的轴载重m、车辆的速度v、路面平整度x计算动载值d；
12.步骤s6、计算车辆行驶在不平整的路面而导致的地面摩擦阻力f
roll
；
13.步骤s7、计算车辆队列行驶导致的空气阻力f
airdrag
；
14.步骤s8、根据车辆的地面摩擦阻力、空气阻力、加速阻力计算车辆队列行驶克服路面不平整需消耗的燃油消耗量f
fuel
；
15.步骤s9、计算车辆队列行驶对路面施加的荷载频率δu
j-1
；
16.步骤s10、根据最小燃油消耗和最小荷载频率的原则，即min(af
fuel
+bδu
j-1
)，其中：a与b为权重，求解队列行驶的车辆的车速以及与前车的车间距，输出最优的队列行驶策略；
17.步骤s11、将求解的最优的队列行驶策略通过路侧单元、车载单元传输给车载终端；车载终端根据最优的队列行驶策略中车辆的车速、车间距信息与车辆当前的车速与车间距信息，基于内置的mpc控制模型算法进行车辆控制。
18.作为本发明的优选，步骤s1所述的路面信息包括行驶在路面上的机动车视频图像数据、路面图像数据；步骤s3所述的交通流信息包括相邻车的车间距、车型、车速；所述裂缝信息是一系列裂缝特征的集合，裂缝特征包括裂缝的长度、缝宽、缝深、缝距、裂缝形状。
19.作为本发明的优选，步骤s4判断车流中是否存在车队时，判断标准为：跟车距离6m≤l≤35m，且构成车队的车辆数n≥2。
20.作为本发明的优选，步骤s6地面摩擦阻力f
roll
的计算公式如下：
21.f
roll
＝μ
×
(mg+d)
22.式中，μ为阻力系数，m为车辆的轴载重，单位kg；g是重力加速度，单位m/s2，取值9.8；d为动载荷，单位n。
23.作为本发明的优选，步骤s7根据队列行驶车辆中每辆车的空气阻力，计算车辆队列行驶导致的空气阻力f
airdrag
，队列行驶车辆中第i辆车的空气阻力f
airdrag(i)
的计算公式如下：
[0024][0025][0026]
式中，d
ik
为车辆i与前车k的车间距；cd(d
ik
)为以d
ik
为车间距的车辆i的空气阻力系数；i＝1时车辆i为头车，由于k＝0，d
ik
→
+∞，因此头车所受到的空气阻力是最大的；i＞1时车辆i为跟随车，由于d
ik
≠0，因此所受空气阻力会减少，且车间距越小，所受空气阻力就越小；ai为车辆i的迎风面积，ρ为空气密度，vi(t
j-1
)为j-1时刻车辆i的行驶速度，c
d0
，c
d1
，c
d2
是空气阻力经验系数；
[0027]
若队列行驶的车辆由n辆车构成，则n辆车所受到的空气阻力
[0028]
作为本发明的优选，步骤s8根据队列行驶车辆中每辆车的燃油消耗量，计算车辆队列行驶克服路面不平整需消耗的燃油消耗量f
fuel
；队列行驶车辆中第i辆车单位时间内
的燃油消耗量f
fuela
，计算公式如下：
[0029]ffuela
＝be
·
pe/1000
[0030]
式中，be为有效燃油消耗率，即发动机每输出1kw的有效功所消耗的燃油量，单位为g/kw
·
h；pe为发动机输出的功率，单位kw；发动机输出的功率pe与发动机的输出扭矩t的关系式为：pe＝(t
·
n)/9549，n为发动机的转速；
[0031]
发动机的输出扭矩与驱动力的关系式如下：
[0032][0033]
式中，f
t
为车辆i的驱动力，即：车辆i的发动机的输出扭矩经过传动系统最终作用到轮胎上的牵引力，单位n；mvi(t
j-1
)是t
j-1
时刻车辆i的加速阻力；t是车辆i的发动机的输出扭矩，单位n
·
m，当t》0时表示发动机的输出扭矩，t《0表示制动系统输出的制动扭矩；ig为变速器传动比，与档位的选择有关；i0是主减速器传动比；η
t
是传动系统的机械效率；r为汽车轮胎半径；
[0034]
若队列行驶的车辆由n辆车构成，则n辆车的燃油消耗量
[0035]
作为本发明的优选，步骤s9若队列行驶的车辆由n辆车构成，则n辆车对裂纹路面所产生的荷载的荷载频率的计算公式如下：
[0036][0037]
式中，d
ik
为队列中车辆i与前车k的车间距；vi(t
j-1
)为j-1时刻车辆i的行驶速度。
[0038]
作为本发明的优选，所述步骤s11包括以下步骤：
[0039]
步骤s11.1队列行驶的车辆分别接收到主控设备的决策模块发送的最优的车队行驶策略；
[0040]
步骤s11.2车辆b的位置识别模块识别出当前t时刻本车与头车a之间的实时距离为：d
ab
(t)
±
d，d为距离误差；所述车辆b为紧邻头车a的车辆，车辆b与头车a的目标间距为d
ab’；
[0041]
步骤s11.3车辆b的车辆控制模块根据内置的mpc控制模型算法控制车辆b在t+1时间步的速度，并且此时跟车距离调整为d
ab
(t+1)；
[0042]
步骤s11.4车辆b的预警控制模块对跟车距离d
ab
(t+1)进行监控，判断是否满足跟车安全阈值ζ，即d
ab
(t+1)≥ζ？若满足，则执行步骤s11.5；若不满足，则返回s11.3，调整t+2时间步的车速，使其满足阈值要求；
[0043]
步骤s11.5评估t+1时刻车辆b的位置是否满足条件|d
ab
(t+1)-d
ab’|《ε，ε为允许误差值；若满足，则车载控制器控制车辆b以当前速度匀速行驶；若不满足，重复执行步骤s11.3；
[0044]
步骤s11.6车辆c的位置识别模块识别出当前t+1时刻车辆c与车辆b之间的实时距离为：d
bc
)t+1)
±
d，d为距离误差；所述车辆c为紧邻车辆b的车辆；车辆c与头车b的目标间距为d
bc’；
[0045]
步骤s11.7车辆c的车辆控制模块根据内置的mpc控制模型算法控制车辆c在t+2时间步的规划速度，并且此时跟车距离调整为d
bc
(t+2)；
[0046]
步骤s11.8车辆c的预警控制模块对跟车距离d
bc
(t+2)进行监控，判断是否满足跟车安全阈值ζ，d
bc
(t+2)≥ζ？若满足，则执行步骤s11.9，若不满足，则返回s11.7，调整t+3时间步的车速，使其满足阈值要求；
[0047]
步骤s11.9评估t+2时刻车辆c的速度是否满足条件|d
bc
(t+2)-d
bc’|《ε，ε为允许误差值；如果满足，车载控制器控制车辆以当前速度匀速行驶，控制结束；如果不满足，重复执行步骤s11.7；
[0048]
按照上述步骤依次完成所有队列行驶的车辆的控制。
[0049]
本发明还提供一种感知路面状态的货车队列智能行驶引导系统，该系统包括交通信息采集设备，与交通信息采集设备连接的主控设备，与主控设备连接的路侧单元，与路侧单元连接的车载单元，与车载单元连接的车载终端；其中，所述交通信息采集设备包括：用于实时采集路面信息的高清视频摄像设备，用于获得车辆当前的行驶速度的车速传感器，用于检测到路面所受压力大小的压力传感器；
[0050]
所述主控设备包括数据存储模块、数据处理模块、平整度分析模块、交通状态检测模块、动载值计算模块、燃油消耗计算模块、荷载频率计算模块、决策模块、信号发送模块；所述数据存储模块，用于存储高清视频摄像设备、车速传感器、压力传感器所采集的数据；
[0051]
所述数据处理模块，利用计算机视觉技术和图像处理技术，一方面将获得的车辆信息进行图像数字化处理，对交通流信息进行特征提取；另一方面，通过图像处理技术进行裂纹的图像识别；
[0052]
所述平整度分析模块，用于根据识别的裂纹信息进行平整度判断，确定路面平整度；
[0053]
所述交通状态检测模块，用于根据交通流信息判断是否存在车队，若存在车队则提取车队信息；
[0054]
所述动载值计算模块，用于根据已建立的车辆的轴载重m、车辆的速度v、路面平整度x与动载值d的回归模型，计算车辆通过不平整路面的动载值；
[0055]
所述燃油消耗计算模块，用于根据车辆行驶在不平整的路面而导致的地面摩擦阻力、空气阻力、加速阻力计算车辆队列行驶克服路面不平整需消耗的燃油消耗量；
[0056]
所述荷载频率计算模块，用于计算车辆队列行驶对路面施加的荷载频率；
[0057]
所述决策模块，用于根据最小燃油消耗和最小荷载频率的原则输出最优的队列行驶策略；
[0058]
所述信号发送模块与路侧单元连接，决策模块中求解的最优的队列行驶策略通过信号发送模块、路侧单元实时发送给车载单元。
[0059]
作为本发明的优选，所述路侧单元采用lte-v/5g通讯技术，通讯频率为5.8ghz，信息传输覆盖范围为300m；路侧单元包括高增益定向束控读写天线和射频控制器；所述车载单元，用于接收到路侧单元传输的数据包，将数据通过移动通信网络发送至车载终端；且所述车载单元采用短程通信网络dsrc技术与周围车辆的车载单元进行通讯。
[0060]
作为本发明的优选，所述车载终端是车辆的中央处理器，从外部设备采集得到的信息输入车载终端后，车载终端对信息进行运算、处理、判断，然后输出控制指令；车载终端包括位置识别模块、预警控制模块、车辆控制模块；
[0061]
其中，所述位置识别模块，用于对车辆自带的gps定位信息进行处理，加之由路侧
单元传送的道路信息数据，对车辆在车道中的位置进行识别；
[0062]
所述预警控制模块，用于根据静态障碍物与当前车辆的安全距离阈值、当前车辆的跟车安全距离阈值，识别道路中静态障碍物和动态障碍物，当超出阈值时，控制车辆发出声音预警；
[0063]
所述车辆控制器模块，用于根据内置的mpc控制模型算法控制车辆横向速度，车辆接收到来自主控设备的指令后，通过位置识别模块的位置识别与预警控制模块的位置约束开始执行指令，进行车速、跟车距离的调整。
[0064]
作为本发明的优选，所引导的车辆为l3级自主化水平较高的货车，每辆卡车上均安装有车载终端，车载终端通过专用短程通信dsrc或蜂窝通信信号建立v2v连接。
[0065]
本发明的优点和积极效果是：
[0066]
1、本发明提供的方法通过采集交通流信息和路面信息，根据路面信息预测路面不平整对队列车辆行驶的影响以及队列行驶车辆对路面的影响，并据此评估车队行驶的优劣，最终对车队行驶策略进行优化，将车与路紧密结合起来，有针对性地提高车队行驶的通行效率，降低油耗，同时降低车队对路面的破坏影响，延长路面的使用寿命。
[0067]
2、本发明提供的方法在基于路面不平整状态对队列行驶影响的实时预测评估的基础上，提供车队行驶的策略建议，通过不平整路面的驾驶引导策略，自动驾驶车辆的位姿会在车载控制模块的引导下进行位姿信息的更新迭代，使其与规划的车速目标和车距进行匹配，实现车队车速、车距的最优控制效果。
[0068]
3、本发明提供的方法既能保证队列行驶的优势，同时还能降低对路面的破坏。
附图说明
[0069]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0070]
图1为本发明实施例1的感知路面状态的货车队列智能行驶引导系统的结构框图；
[0071]
图2为本发明实施例2的感知路面状态的货车队列智能行驶引导方法的流程图；
[0072]
图3为本发明队列行驶车辆行驶引导过程示意图。
具体实施方式
[0073]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0074]
实施例1
[0075]
如图1所示，本实施例提供一种感知路面状态的货车队列智能行驶引导系统，该系统包括：交通信息采集设备，与交通信息采集设备连接的主控设备4，与主控设备4连接的路侧单元5，与路侧单元5连接的车载单元6(rsu，road side unit)，与车载单元6连接的车载终端7；其中，所述交通信息采集设备包括：用于实时采集路面信息的高清视频摄像设备1，
用于获得车辆当前的行驶速度的车速传感器2，用于检测到路面所受压力大小的压力传感器3；
[0076]
所述高清视频摄像设备1布置在高速公路沿线，当路段设计车速为60km/h时，每隔200m设置一个摄像设备1；当车速增加时，间距也可适当增加。高清视频摄像设备1采集的视频信息经过图像处理可以实现复杂道路交通场景的动静态特征描述，具体包括路面的裂缝图像等静态信息，以及车辆的行驶轨迹、速度等动态交通信息；
[0077]
所述压力传感器3为应变式传感器，通过压力传感器可以确定车辆的轴载重。应变式传感器安装在道路结构上，是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件(感知应变)上粘贴电阻应变敏感元件(将应变转换为电阻变化)构成。当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起敏感元件的阻值变化，通过转换电路将其转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小；
[0078]
所述的主控设备4包括数据存储模块41、数据处理模块42、平整度分析模块43、交通状态检测模块44、动载值计算模块45、燃油消耗计算模块46、荷载频率计算模块47、决策模块48、信号发送模块49；
[0079]
其中，所述数据存储模块41，用于存储高清视频摄像设备1、车速传感器2、压力传感器3所采集的数据；
[0080]
所述数据处理模块42，利用计算机视觉技术和图像处理技术，一方面将获得的车辆信息进行图像数字化处理，对交通流信息进行特征提取，包括车型、车间距、车速等；另一方面，通过图像处理技术进行裂纹的图像识别，包括裂纹的长度、缝宽、缝深、缝距(相邻两个裂缝的间距)、裂缝形状等信息；
[0081]
所述平整度分析模块43，用于根据识别的裂纹信息进行平整度判断，确定路面平整度；
[0082]
所述交通状态检测模块44，用于根据交通流信息判断是否存在车队，判断标准为：跟车距离6m≤l≤35m，且构成车队的车辆数n≥2；同时提取车队信息，包括车队规模n、车间距d
ik
、车队中各个车的车速vi、车类型、车长l等；
[0083]
所述燃油消耗计算模块46，用于根据车辆行驶在不平整的路面而导致的地面摩擦阻力、、空气阻力、加速阻力计算车辆队列行驶克服路面不平整需消耗的燃油消耗；
[0084]
所述荷载频率计算模块47，用于计算车辆队列行驶对路面施加的荷载频率；
[0085]
所述决策模块48，用于根据最小燃油消耗和最小荷载频率原则输出最优的队列行驶策略；
[0086]
所述信号发送模块49与路侧单元5连接，决策模块中求解的最优的队列行驶策略通过信号发送模块49、路侧单元5实时发送给车载单元6；
[0087]
所述路侧单元5采用lte-v/5g通讯技术，其设计遵循国家标准为gb20851，通讯频率为5.8ghz，信息传输覆盖范围为300m；路侧单元rsu包括高增益定向束控读写天线和射频控制器；其中，高增益定向束控读写天线是一个微波收发模块，负责信号和数据的发送/接收、调制/解调、编码/解码、加密/解密；射频控制器是控制发射和接收数据以及处理向上位机收发信息的模块；
[0088]
所述车载单元6为obu(on board unit)或obd(on board diagnostic)诊断终端，用于接收路侧单元5传输的数据包，并将数据通过移动通信网络发送至车载终端7；另外，车
载单元6采用短程通信网络dsrc(dedicated short range communication)技术与周围其他车辆的车载单元6进行通讯。
[0089]
所述车载终端7也称车载电脑或车载计算机，是车辆的中央处理器，从外部设备(车载单元)采集得到的信息输入车载终端7后，车载终端对信息进行运算、处理、判断，然后输出控制指令，辅助驾驶员驾驶；在本实施例中，所述车载终端包括以下功能模块：
[0090]
位置识别模块71，用于对车辆自带的gps定位信息进行处理，加之由路侧单元传送的道路信息数据，对车辆在车道中的位置进行识别；
[0091]
预警控制模块72，用于根据静态障碍物与当前车辆的安全距离阈值、当前车辆的跟车安全距离阈值，识别道路中静态障碍物(如路缘石)和动态障碍物(如前方车辆)，当超出阈值时，控制车辆发出声音预警；
[0092]
车辆控制模块73，用于根据内置的mpc控制模型算法控制车辆横向速度，车辆接收到来自主控设备4的指令后，通过位置识别模块71的位置识别与预警控制模块72的位置约束，开始执行指令，进行车速、跟车距离的调整；同时，车辆控制模块73的指令会以ui界面与语音预警形式向驾驶员提供引导信息。
[0093]
本实施例中所引导的车辆为自主化水平较高的货车(l3级)，每辆卡车上均安装有车载终端(也称车载电脑或车载计算机)，这些车载终端通过专用短程通信(dsrc)或蜂窝通信信号建立v2v连接；位置识别模块71通过车载单元6、路侧单元5将车辆位置信息反馈至主控设备4，主控设备4将构成车队中车辆的车速控制优化信息反馈给车载单元6，车辆控制模块73接收到主控设备4的指令后，控制优化车辆的速度，车队开始执行车速、车距的调整。此外，通过车辆控制模块73与预警控制模块72的结合，跟随车将与前车保持合理而安全的跟随距离。
[0094]
本实施例中所引导的货车在高速公路上以队列行驶，根据货车列队行驶公路实验数据显示，4辆货车形成的列队，各货车车间距可保持在35m，行驶速度稳定在70～80km/h。车长约12m的4辆卡车的列队行驶总长度可达约160m。目前队列行驶仍然是有人驾驶模式，列队行驶货车还可以降低驾驶员长途驾驶的负担，减少因驾驶操作失误造成的事故。
[0095]
实施例2
[0096]
基于paris公式，路面的疲劳寿命随着车辆荷载的增加呈现显著的负相关关系。从路面开起裂缝a0开始至裂纹扩展至最大长度ac，其中荷载δk对路面的应力作用的总的次数nf，即路面的疲劳寿命的计算公式如下：
[0097][0098]
式中，c与n是定值，取决于路面材料特性。
[0099]
根据实验数据获得的不同车辆轴载的疲劳寿命值如表1所示：
[0100]
表1不同车辆轴载的疲劳寿命值
[0101]
车辆轴载/kn100125150175200正荷载疲劳寿命/106次8.616.615.033.612.51偏荷载疲劳寿命/106次7.085.113.622.271.24
[0102]
路面的寿命可通过线性近似计算表达为：nj＝n
j-1-δu
j-1
，其中n
j-1
是j-1时刻的路
面寿命，δu
j-1
是j-1时刻加载的路面应力强度的频率(n/s)，nj是j时刻的路面寿命。
[0103]
大型货车队列行驶，使得轴载重对路面的压力作用频率增加，路面疲劳寿命将降低的更快。将整个队列看做一个整体，队列行驶的优化是通过车车间距的增加，降低对破损路面循环加载的频率，从而延长路面的疲劳寿命。因此，从疲劳寿命的角度出发，车队行驶策略管理的最优化目标函数为：maxnj，即在时刻j-1，车队的行驶策略是通过增加车队中车车间的行驶间距，使得车队对路面的应力作用频率降低，即minδu
j-1
。
[0104]
j-1时刻，队列中车辆i与前车k的车间距为：d
ik
(t)，vi(t
j-1
)为车辆i在j-1时刻车速。
[0105]
那么由n辆车构成的车队对路面的荷载作用频率为：
[0106][0107]
因此，短车间距队列行驶情况下，荷载的作用频率增加，加速了路面的疲劳累积受损。此外，对于沥青路面来说，车间距的增加，有助于沥青材料的受压恢复，增加了路面疲劳失效的允许重复次数。
[0108]
基于此，本实施例提供一种感知路面状态的货车队列智能行驶引导方法，该方法通过采集交通流信息和路面信息，根据路面信息评估路面不平整对队列车辆行驶的影响以及队列行驶车辆对路面的影响，并据此评估车队行驶的优劣，最终对车队行驶策略进行优化，有针对性地提高车队行驶的通行效率，降低油耗，同时降低车队对路面的破坏影响，延长路面的使用寿命。
[0109]
如图2所示，本实施例提供的一种感知路面状态的货车队列智能行驶引导方法，该方法包括以下步骤：
[0110]
步骤s1、通过安装在高速公路上的摄像设备实时采集路面信息，通过车速传感器采集车辆当前的车速v，通过安装在道路结构上的压力传感器采集车辆荷载对路面的压力；其中，所述路面信息包括行驶在路面上的机动车视频图像数据、路面图像数据；
[0111]
步骤s2、将摄像设备1、车速传感器2、应力传感器3采集的数据通过wifi传输至主控设备4的数据存储模块41进行存储；
[0112]
步骤s3、数据处理模块42读取数据存储模块41中的数据，提取200m范围内的路面裂缝信息c和交通流信息；所述交通流信息包括相邻车的车间距、车型、车速等轨迹信息；所述裂缝信息是一系列裂缝特征的集合，裂缝特征包括了裂缝的长度、缝宽、缝深、缝距、裂缝形状等信息；
[0113]
步骤s4、根据交通流信息判断车流中是否存在车队，判断标准为：跟车距离6m≤l≤35m，且构成车队的车辆数n≥2；若存在，则转入步骤s5，同时提取车队信息，包括车队车速、车间距、车队规模n等；如不存在，则不做引导，返回步骤s1；
[0114]
步骤s5、根据实际测量的车辆的轴载重m、车辆的速度v、路面平整度x、动载值d，建立车辆的轴载重m、车辆的速度v、路面平整度x与动载值d的回归模型，根据所获得的道路裂缝信息c确定路面平整度x，根据压力传感器采集的压力数据确定车辆的轴载重m，利用回归模型和所确定的车辆的轴载重m、车辆的速度v、路面平整度x计算动载值d；
[0115]
步骤s6、计算车辆行驶在不平整的路面而导致的地面摩擦阻力f
roll
(路面阻力)；
[0116]
路面阻力主要是地面的摩擦力以及轮胎的滚动阻力(n)。汽车在道路上行驶时，轮胎与地面摩擦产生于轮胎滚动方向相反的力，这个力与地面的摩擦系数有关，也与车辆的轴载重相关。在本实施例中，考虑路面裂缝引起的路面不平整对车辆行驶造成的影响，将该影响描述为动载作用于车辆行驶，相当于增加了车辆行驶的地面摩擦阻力，其公式表达为：
[0117]froll
＝μ
×
(mg+d)
[0118]
式中，f
roll
为地面摩擦阻力，μ为阻力系数，m为车辆的轴载重(kg)；g是重力加速度(m/s2)，取值9.8；d为动载值(n)；
[0119]
步骤s7、计算车辆队列行驶导致的空气阻力f
airdrag
；
[0120]
在高速公路上高速运行的车辆，其所消耗的大部分能量均被用于克服空气阻力。并且由于货车的尺寸较大，拥有较大的迎风面积，故而其承受的空气阻力要大于普通乘用车。但是当多辆汽车在高速运行时排成间距较近的队列时，由于“雁阵效应”可以有效减小整个车队的平均空气阻力。两车之间的跟车距离是导致后方跟随车空气阻力系数产生改变的主要原因，因此车队中的跟随车，以跟车间距为变量车队中第i辆车的空气阻力f
airdrag(i)
的计算公式为：
[0121][0121][0122]
式中，d
ik
为车辆i与前车k的车间距；cd(d
ik
)为以d
ik
为车间距的车辆i的空气阻力系数；i＝1时车辆i为头车，由于k＝0，d
ik
→
+∞，因此头车所受到的空气阻力是最大的；i＞1时车辆i为跟随车，由于d
ik
≠0，因此所受空气阻力会减少，且车间距越小，所受空气阻力就越小；ai为车辆i的迎风面积，ρ为空气密度，vi(t
j-1
)为j-1时刻车辆i的行驶速度，c
d0
，c
d1
，c
d2
是空气阻力经验系数；
[0123]
若队列行驶的车辆由n辆车构成，则n辆车所受到的空气阻力
[0124]
步骤s8、根据车辆的地面摩擦阻力f
roll
、空气阻力f
airdrag(i)
、加速阻力车辆队列行驶克服路面不平整需消耗的燃油消耗量f
fuel
；
[0125]
货车在行驶时的能量消耗主要用于产生动力驱动车辆向前行驶，f
t
表示发动机的输出扭矩经过传动系统最终作用到轮胎上的牵引力(n)；牵引力的输出主要用于克服来自地面、空气的阻力，车辆的纵向动力学模型可以表达为：
[0126]ft
＝fa+f
roll
+f
airdrag(i)
[0127][0128]
式中，f
t
为车辆i的驱动力，即：车辆i的发动机的输出扭矩经过传动系统最终作用到轮胎上的牵引力(n)；其中t是车辆i的发动机的输出扭矩(n
·
m)，当t》0时表示发动机的输出扭矩，t《0表示制动系统输出的制动扭矩；ig为变速器传动比，与档位的选择有关；i0是主减速器传动比；η
t
是传动系统的机械效率；r为汽车轮胎半径；fa＝mvi(t
j-1
)是t
j-1
时刻车辆i的加速阻力；
[0129]
车辆i单位时间内的燃油消耗量f
fuela
与车辆输出的驱动力密切相关，具体关系式如下：
[0130]
发动机的输出扭矩t与发动机输出的功率pe的关系式为：pe＝(t
·
n)/9549，单位kw；n为发动机的转速；发动机每输出1kw的有效功所消耗的燃油量称为有效燃油消耗率，记作be，单位为g/kw
·
h；发动机输出的功率pe与有效燃油消耗率be的关系式为：be＝(f
fuel
/pe)*1000；式中：f
fuela
为发动机在单位时间内的耗油量，单位为：kg/h；由此可得到车辆i单位时间内的燃油消耗量f
fuela
＝be
·
pe/1000，单位kg/h；
[0131]
若队列行驶的车辆由n辆车构成，则n辆车的燃油消耗量
[0132]
步骤s9、计算车辆队列行驶对路面施加的荷载频率，若队列行驶的车辆由n辆车构成，则n辆车对裂纹路面所产生的荷载的荷载频率的计算公式如下：
[0133][0134]
式中，d
ik
为队列中车辆i与前车k的车间距；vi(t
j-1
)为j-1时刻车辆i的行驶速度；
[0135]
步骤s10、综合考虑燃油消耗与路面疲劳寿命的影响，根据最小燃油消耗和最小荷载频率的原则，即min(af
fuel
+bδu
j-1
)，其中：a与b为权重，求解队列行驶的车辆的车速以及与前车的车间距，输出最优的车队行驶策略；
[0136]
步骤s11、将求解的最优的车队行驶策略通过信号发送模块发送给路侧单元，通过路侧单元发送给车载单元，通过车载单元传输给车载终端；车载终端将优化策略信息传输给车辆控制模块，车辆控制模块根据最优的车队行驶策略中车辆的车速、车间距信息与车辆当前的车速与车间距信息，基于内置的mpc控制模型算法进行车辆控制。
[0137]
为使本领域技术人员清楚了解车载终端如何按照最优的车队行驶策略控制车辆，下面举例说明。
[0138]
假设是三辆车构成的车队场景，列车a与b和列车b与c分别构成前后跟车关系。此时速度为va、vb、vc；车间距为d
ab
(t)、d
bc
(t)，车队行驶引导过程示意图如图3所示，控制步骤如下：
[0139]
步骤s11.1 a、b、c的车辆控制模块73分别接收到决策模块48发送的优化策略，目标间距为d
ab
→dab’、d
bc
→dbc’，va→va’、vb→vb’、vc→vc’；
[0140]
步骤s11.2假设a车的车速不作调整，则b车的位置识别模块71识别出当前t时刻本车b与前车a之间的实时距离为：d
ab
(t)
±
d，d为距离误差项；
[0141]
步骤s11.3 b车的车辆控制模块73根据内置的mpc控制模型算法控制车辆在t+1时间步的速度，并且此时跟车距离调整为d
ab
(t+1)；
[0142]
步骤s11.4 b车的预警控制模块72对跟车距离d
ab
(t+1)进行监控，判断是否满足跟车安全阈值ζ，d
ab
(t+1)≥ζ？；如果满足，执行进入步骤s11-5；如果不满足，反馈至s11.3，调整t+2时间步的车速，使其满足阈值要求；
[0143]
步骤s11.5评估t+1时刻车辆b的位置是否满足条件|d
ab
(t+1)-d
ab’|《ε？，ε为允许误差值；如果满足，则车载控制模块控制车辆以当前速度匀速行驶，控制结束；如果不满足，重复执行步骤s11.3；
[0144]
同样的操作也适用于c车，c的操作过程滞后与b车，具体步骤如下：
[0145]
步骤s11.6 c车的位置识别模块71识别出当前t+1时刻c与前车b之间的实时距离为：d
bc
(t+1)
±
d，d为距离误差项；
[0146]
步骤s11.7 c车的车辆控制模块73根据内置的mpc控制模型算法控制车辆在t+2时间步的规划速度，并且此时跟车距离调整为d
bc
(t+2)；
[0147]
步骤s11.8 c车的预警控制模块72对跟车距离d
bc
(t+2)进行监控，判断是否满足跟车安全阈值ζ，d
bc
(t+2)≥ζ？；如果满足，执行进入步骤s11.9；如果不满足，反馈至s11.7，调整t+3时间步的车速，使其满足阈值要求；
[0148]
步骤s11.9评估t+2时刻车辆c的速度是否满足条件|d
bc
(t+2)-d
bc’|《ε，ε为允许误差值；如果满足，则车载控制模块控制车辆以当前速度匀速行驶，控制结束；如果不满足，重复执行步骤s11.7。
[0149]
本技术是在已经申请的国家自然科学基金，基金项目名称：网联车混合交通流协同分配与专用道柔性规划研究(52072143)的研发背景下展开的。
[0150]
最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例方案的范围。

技术特征：
1.一种感知路面状态的货车队列智能行驶引导方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1、通过安装在高速公路上的摄像设备实时采集路面信息，通过车速传感器采集车辆当前的车速v，通过安装在道路结构上的压力传感器采集车辆荷载对路面的压力；步骤s2、将摄像设备、车速传感器、压力传感器采集的数据传输至主控设备进行存储；步骤s3、对数据进行处理，提取指定范围内的路面裂缝信息c和交通流信息；步骤s4、根据交通流信息判断车流中是否存在车队；若存在，则转入步骤s5，同时提取车队信息；如不存在，则不做引导，返回步骤s1；步骤s5、根据实际测量的车辆的轴载重m、车辆的速度v、路面平整度x、动载值d，建立车辆的轴载重m、车辆的速度v、路面平整度x与动载值d的回归模型，根据所获得的道路裂缝信息c确定路面平整度x，根据压力传感器采集的压力数据确定车辆的轴载重m，利用回归模型和所确定的车辆的轴载重m、车辆的速度v、路面平整度x计算动载值d；步骤s6、计算车辆行驶在不平整的路面而导致的地面摩擦阻力f
roll
；步骤s7、计算车辆队列行驶导致的空气阻力f
airdrag
；步骤s8、根据车辆的地面摩擦阻力、空气阻力、加速阻力计算车辆队列行驶克服路面不平整需消耗的燃油消耗量f
fuel
；步骤s9、计算车辆队列行驶对路面施加的荷载频率δu
j-1
；步骤s10、根据最小燃油消耗和最小荷载频率的原则，即min(af
fuel
+bδu
j-1
)，其中：a与b为权重，求解队列行驶的车辆的车速以及与前车的车间距，输出最优的队列行驶策略；步骤s11、将求解的最优的队列行驶策略通过路侧单元、车载单元传输给车载终端；车载终端根据最优的队列行驶策略中车辆的车速、车间距信息与车辆当前的车速与车间距信息，基于内置的mpc控制模型算法进行车辆控制。2.根据权利要求1所述的一种感知路面状态的货车队列智能行驶引导方法，其特征在于，步骤s1所述的路面信息包括行驶在路面上的机动车视频图像数据、路面图像数据；步骤s3所述的交通流信息包括相邻车的车间距、车型、车速；所述裂缝信息是一系列裂缝特征的集合，裂缝特征包括裂缝的长度、缝宽、缝深、缝距、裂缝形状。3.根据权利要求1所述的一种感知路面状态的货车队列智能行驶引导方法，其特征在于，步骤s4判断车流中是否存在车队时，判断标准为：跟车距离6m≤l≤35m，且构成车队的车辆数n≥2。4.根据权利要求1所述的一种感知路面状态的货车队列智能行驶引导方法，其特征在于，步骤s6地面摩擦阻力f
roll
的计算公式如下：f
roll
＝μ
×
(mg+d)式中，μ为阻力系数，m为车辆的轴载重，单位kg；g是重力加速度，单位m/s2，取值9.8；d为动载荷，单位n。5.根据权利要求1所述的一种感知路面状态的货车队列智能行驶引导方法，其特征在于，步骤s7根据队列行驶车辆中每辆车的空气阻力，计算车辆队列行驶导致的空气阻力f
airdrag
，队列行驶车辆中第i辆车的空气阻力f
airdrag
(i)的计算公式如下：
式中，d
ik
为车辆i与前车k的车间距；c
d
(d
ik
)为以d
ik
为车间距的车辆i的空气阻力系数；i＝1时车辆i为头车，由于k＝0，d
ik
→
+∞，因此头车所受到的空气阻力是最大的；i＞1时车辆i为跟随车，由于d
ik
≠0，因此所受空气阻力会减少，且车间距越小，所受空气阻力就越小；a
i
为车辆i的迎风面积，ρ为空气密度，v
i
(t
j-1
)为j-1时刻车辆i的行驶速度，c
d0
，c
d1
，c
d2
是空气阻力经验系数；若队列行驶的车辆由n辆车构成，则n辆车队列行驶导致的空气阻力若队列行驶的车辆由n辆车构成，则n辆车队列行驶导致的空气阻力6.根据权利要求1所述的一种感知路面状态的货车队列智能行驶引导方法，其特征在于，步骤s8根据队列行驶车辆中每辆车的燃油消耗量，计算车辆队列行驶克服路面不平整需消耗的燃油消耗量f
fuel
；队列行驶车辆中第i辆车单位时间内的燃油消耗量f
fuela
，计算公式如下：f
fuela
＝be
·
pe/1000式中，be为有效燃油消耗率，即发动机每输出1kw的有效功所消耗的燃油量，单位为g/kw
·
h；pe为发动机输出的功率，单位kw；发动机输出的功率pe与发动机的输出扭矩t的关系式为：pe＝(t
·
n)/9549，n为发动机的转速；发动机的输出扭矩与驱动力的关系式如下：式中，f
t
为车辆i的驱动力，即：车辆i的发动机的输出扭矩经过传动系统最终作用到轮胎上的牵引力，单位n；mv
i
(t
j-1
)是t
j-1
时刻车辆i的加速阻力；t是车辆i的发动机的输出扭矩，单位n
·
m，当t>0时表示发动机的输出扭矩，t<0表示制动系统输出的制动扭矩；i
g
为变速器传动比，与档位的选择有关；i0是主减速器传动比；η
t
是传动系统的机械效率；r为汽车轮胎半径；若队列行驶的车辆由n辆车构成，则n辆车的燃油消耗量7.根据权利要求1所述的一种感知路面状态的货车队列智能行驶引导方法，其特征在于，步骤s9若队列行驶的车辆由n辆车构成，则n辆车对裂纹路面所产生的荷载的荷载频率的计算公式如下：式中，d
ik
为队列中车辆i与前车k的车间距；v
i
(t
j-1
)为j-1时刻车辆i的行驶速度。8.根据权利要求1所述的一种感知路面状态的货车队列智能行驶引导方法，其特征在于，所述步骤s11包括以下步骤：步骤s11.1队列行驶的车辆分别接收到主控设备的决策模块发送的最优的车队行驶策略；步骤s11.2车辆b的位置识别模块识别出当前t时刻本车与头车a之间的实时距离为：d
ab
(t)
±
d，d为距离误差；所述车辆b为紧邻头车a的车辆，车辆b与头车a的目标间距为d
ab’；
步骤s11.3车辆b的车辆控制模块根据内置的mpc控制模型算法控制车辆b在t+1时间步的速度，并且此时跟车距离调整为d
ab
(t+1)；步骤s11.4车辆b的预警控制模块对跟车距离d
ab
(t+1)进行监控，判断是否满足跟车安全阈值ζ，即d
ab
(t+1)≥ζ？若满足，则执行步骤s11.5；若不满足，则返回s11.3，调整t+2时间步的车速，使其满足阈值要求；步骤s11.5评估t+1时刻车辆b的位置是否满足条件|d
ab
(t+1)-d
ab’|<ε，ε为允许误差值；若满足，则车载控制器控制车辆b以当前速度匀速行驶；若不满足，重复执行步骤s11.3；步骤s11.6车辆c的位置识别模块识别出当前t+1时刻车辆c与车辆b之间的实时距离为：d
bc
)t+1)
±
d，d为距离误差；所述车辆c为紧邻车辆b的车辆；车辆c与头车b的目标间距为d
bc’；步骤s11.7车辆c的车辆控制模块根据内置的mpc控制模型算法控制车辆c在t+2时间步的规划速度，并且此时跟车距离调整为d
bc
(t+2)；步骤s11.8车辆c的预警控制模块对跟车距离d
bc
(t+2)进行监控，判断是否满足跟车安全阈值ζ，d
bc
(t+2)≥ζ？若满足，则执行步骤s11.9，若不满足，则返回s11.7，调整t+3时间步的车速，使其满足阈值要求；步骤s11.9评估t+2时刻车辆c的速度是否满足条件|d
bc
(t+2)-d
bc’|<ε，ε为允许误差值；如果满足，车载控制器控制车辆以当前速度匀速行驶，控制结束；如果不满足，重复执行步骤s11.7；按照上述步骤依次完成所有队列行驶的车辆的控制。9.一种感知路面状态的货车队列智能行驶引导系统，该系统包括交通信息采集设备，与交通信息采集设备连接的主控设备，与主控设备连接的路侧单元，与路侧单元连接的车载单元，与车载单元连接的车载终端；其特征在于，所述交通信息采集设备包括：用于实时采集路面信息的高清视频摄像设备，用于获得车辆当前的行驶速度的车速传感器，用于检测到路面所受压力大小的压力传感器；所述主控设备包括数据存储模块、数据处理模块、平整度分析模块、交通状态检测模块、动载值计算模块、燃油消耗计算模块、荷载频率计算模块、决策模块、信号发送模块；所述数据存储模块，用于存储高清视频摄像设备、车速传感器、压力传感器所采集的数据；所述数据处理模块，利用计算机视觉技术和图像处理技术，一方面将获得的车辆信息进行图像数字化处理，对交通流信息进行特征提取；另一方面，通过图像处理技术进行裂纹的图像识别；所述平整度分析模块，用于根据识别的裂纹信息进行平整度判断，确定路面平整度；所述交通状态检测模块，用于根据交通流信息判断是否存在车队，若存在车队则提取车队信息；所述动载值计算模块，用于根据已建立的车辆的轴载重m、车辆的速度v、路面平整度x与动载值d的回归模型，计算车辆通过不平整路面的动载值；所述燃油消耗计算模块，用于根据车辆行驶在不平整的路面而导致的地面摩擦阻力、空气阻力、加速阻力计算车辆队列行驶克服路面不平整需消耗的燃油消耗量；所述荷载频率计算模块，用于计算车辆队列行驶对路面施加的荷载频率；所述决策模块，用于根据最小燃油消耗和最小荷载频率的原则输出最优的队列行驶策
略；所述信号发送模块与路侧单元连接，决策模块中求解的最优的队列行驶策略通过信号发送模块、路侧单元实时发送给车载单元。10.根据权利要求9所述的一种感知路面状态的货车队列智能行驶引导系统，所述路侧单元采用lte-v/5g通讯技术，通讯频率为5.8ghz，信息传输覆盖范围为300m；路侧单元包括高增益定向束控读写天线和射频控制器；所述车载单元，用于接收到路侧单元传输的数据包，将数据通过移动通信网络发送至车载终端；且所述车载单元采用短程通信网络dsrc技术与周围车辆的车载单元进行通讯；所述车载终端是车辆的中央处理器，从外部设备采集得到的信息输入车载终端后，车载终端对信息进行运算、处理、判断，然后输出控制指令；车载终端包括位置识别模块、预警控制模块、车辆控制模块；其中，所述位置识别模块，用于对车辆自带的gps定位信息进行处理，加之由路侧单元传送的道路信息数据，对车辆在车道中的位置进行识别；所述预警控制模块，用于根据静态障碍物与当前车辆的安全距离阈值、当前车辆的跟车安全距离阈值，识别道路中静态障碍物和动态障碍物，当超出阈值时，控制车辆发出声音预警；所述车辆控制器模块，用于根据内置的mpc控制模型算法控制车辆横向速度，车辆接收到来自主控设备的指令后，通过位置识别模块的位置识别与预警控制模块的位置约束开始执行指令，进行车速、跟车距离的调整。

技术总结
本发明涉及一种感知路面状态的货车队列智能行驶引导方法及系统，该方法通过采集交通流信息和路面信息，根据路面信息预测路面不平整对队列车辆行驶的影响以及队列行驶车辆对路面的影响，并据此评估车队行驶的优劣，最终对车队行驶策略进行优化，有针对性地提高车队行驶的通行效率，降低油耗，同时降低车队对路面的破坏，延长路面的使用寿命。延长路面的使用寿命。延长路面的使用寿命。


技术研发人员：吴文静 邓淳淳 贾洪飞 杨丽丽 蒲思旭 熊康贝 吴岳 杨旭
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2022.12.08
技术公布日：2023/5/30