一种面向节能的异构自动驾驶车辆编队方法

1.本发明涉及车辆组队技术领域，具体为多个异构自动驾驶车辆的编队方法。


背景技术：

2.自动驾驶车辆编队问题的研究来源于多智能体系统任务规划及协作问题的研究，作为车路协同系统中的一个重要技术热点和前沿课题，它主要是针对多辆自动驾驶车辆在复杂多变的交通环境下，通过调节自身的行驶速度和转向，使得自身与附近的自动驾驶车辆之间保持相对稳定的运动状态，同时又满足任务需求且能适应周边环境约束，从而实现多辆自动驾驶车辆之间以无线通信为纽带的协同行驶行为。
3.对异构自动驾驶车辆编队目前研究比较多的包括：车辆协作式编队行驶方法、自动驾驶系统环境感知、适用于车辆编队的车辆跟随方法、自动驾驶车辆编队计算任务协同执行等等，大多采用无线通信、信号控制等手段来研究编队方法；而在节能方面，也有针对由不同自动驾驶车辆组成的异构队列，通过matlab建立两阶段生态队列控制策略来提高队列的燃油效率。由于道路环境以及网络波动的波动性，对周围信息的采集会存在误差，且上述的控制方法对车队本身的排布顺序并没有形成一个有利于节能的策略。
4.综上所述，现有技术存在的问题是离线规划控制以及实时控制策略都没有考虑到车队关于排布顺序、车间距、车辆行驶速度等因素的编队策略，没有结合空气动力学仿真去提供一种有利于降低车队成本、提高节能效率的编队方法。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供了一种面向节能的异构自动驾驶车辆编队方法，通过合理的编队策略来降低车队的燃油消耗并提高其稳定性以及道路通行能力，在运输任务途中，外来车辆的加入需要重新计算编队策略使其加入车队时不影响原有车队效率。
6.本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种面向节能的异构自动驾驶车辆编队方法，应用于运输任务系统中，运输任务系统包括多个执行运输任务待组成队列的货运车辆和一个管理货运车辆的控制中心，多个执行运输任务待组成队列的货运车辆和控制中心通信连接；
7.所述方法包括如下步骤：
8.步骤一：执行运输任务待组成队列的货运车辆向控制中心发出组队申请，并在发出组队申请的同时将车辆基本信息发送给控制中心；
9.步骤二：控制中心根据车辆基本信息判断该货运车辆是否符合编队的任务要求，若不符合任务要求，拒绝该组队申请并由控制中心重新调度货运车辆；若符合任务要求，则判断各货运车辆是否为异构车辆，若为异构车辆，则确定完整编队策略，若为同构车辆，则无需确定编队策略中的车辆排布顺序；
10.其中，编队策略为确定经济时速区间、车辆排布顺序以及车辆间距；
11.所述经济时速区间的确定过程如下：
12.根据运输任务的距离dm结合任务要求最长时间tm计算时速下限v
min
，由公路对货运车辆的最高时速v
(1)
来限制时速上限v
max
，完成经济时速区间v的确定；
[0013][0014]vmax
≤v
(1)
[0015]vmin
≤v≤v
max
[0016]
所述车辆排布顺序的确定过程如下：
[0017]
根据各货运车辆的满载质量分为小型货运车辆、中型货运车辆以及大型货运车辆，将车辆数目n、满载质量m、每辆车的迎风面积aw、行驶速度ua以及滚动阻力系数f导入控制中心的仿真模块，通过空气动力学仿真来确定每辆车辆在车队中行驶时的风阻系数cd和单独行驶时的风阻系数c
′d，并通过下列公式计算节油率μ，通过对比得出节油率μ最高的即为编队的最优车辆排布顺序；
[0018][0019]
其中，i表示第i辆车，mi表示第i辆车的满载质量，c
di
表示第i辆车在车队内行驶时的空气阻力系数，a
wi
表示第i辆车在车队内行驶时的迎风面积，c
′
di
表示第i辆车单独行驶时的空气阻力系数，a
′
wi
表示第i辆车单独行驶时的迎风面积，g表示重力加速度；
[0020]
车辆间距的确定过程如下：由于货运车辆均为自动驾驶车辆，故不考虑各车辆本身的制动距离，仅需根据各车辆之间的通信时延与行驶速度计算出各车辆之间的间距；
[0021]
车辆间距为d、通信时延为t、安全系数为a、行驶速度ua，ua取经济时速的上限为v
max
；
[0022]
d＝auat
[0023]
步骤三：控制中心向执行运输任务的货运车辆发出组队指令以及编队策略；
[0024]
步骤四：执行运输任务的货运车辆收到组队指令以及编队策略，并开始执行组队操作任务；
[0025]
步骤五：组队操作完成，准备开始执行运输任务。
[0026]
所述车辆基本信息包括车辆的长宽高尺寸、迎风面积和满载质量。
[0027]
所述的面向节能的异构自动驾驶车辆编队方法，还包括：加入异构车队的方法，应用于申请加入车队的待加入车辆及车队中的领航车，所述加入方法包括：
[0028]
步骤一：待加入车辆向目标车队的领航车发出加入车队的申请，领航车采集所述待加入车辆的车辆基本信息；
[0029]
步骤二：将该车辆的车辆基本信息导入控制中心中的仿真模块计算出加入队列的最佳位置以及与前后车辆的最佳车间距；
[0030]
其中，最佳车间距与原车队的车辆间距保持一致；加入队列有两种方式，一种是加入车队内部，另一种是加入车队尾部；仿真模块将待加入车辆加入车队内部不同位置与尾部之后的车队空气阻力系数与节油率计算完成并分析最佳加入位置；
[0031]
若最佳位置为加入车队内部，待加入车辆需向该位置靠拢，该位置前方车辆维持原速，后方车辆开始减速让出安全距离后目标车辆加入队列，其中安全距离即为所述的车辆间距d，待加入车辆需与后车保持一致加速度追赶前方车辆，计算安全距离提前减速到与前方车辆速度一致即可；若最佳位置为加入车队尾部，待加入车辆从后方开始加速追赶车队，计算安全距离提前减速到与前方车辆速度一致即可；
[0032]
步骤三：领航车将加入指令、加入位置和加入后车辆间距发送到待加入车辆，等待其加入操作完成；
[0033]
步骤四：待加入车辆收到加入指令加入位置和加入后车辆间距，开始执行加入车队操作；
[0034]
步骤五：加入车队操作完成，车队继续执行运输任务。通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：在执行运输任务前合理安排车队的车辆数目、类别、排布顺序、行驶速度与车辆间距，可以更高效、节能的完成运输任务；通过仿真模块利用空气动力学原理计算不同编队策略下的节油率来分析异构自动驾驶车辆的最佳编队策略，使异构车队的油耗降低，降低运输成本；并在外来车辆试图加入车队时给出最优加入位置。
附图说明
[0035]
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
[0036]
图1为本发明实例提供的异构自动驾驶车辆组成队列方法的流程图；
[0037]
图2为本发明实例提供的待加入车辆加入队列方法的流程图。
具体实施方式
[0038]
本发明提供了一种面向节能的异构自动驾驶车辆编队方法，通过合理的编队策略来降低车队的燃油消耗并提高其稳定性以及道路通行能力，在运输任务途中，外来车辆的加入需要重新计算编队策略使其加入车队时不影响原有车队效率。
[0039]
其中，执行运输任务的货运车辆均为自动驾驶车辆，内部都装有信息采集模块和车联网通信模块；管理货运车辆的控制中心装有通信模块、仿真模块、计算模块以及决策模块。
[0040]
信息采集模块：用于接收外部车辆的车辆基本信息，车辆基本信息包括车辆的长宽高尺寸、迎风面积和满载质量。
[0041]
车联网通信模块：用于车辆与车辆之间、控制中心与车辆之间的通信。
[0042]
仿真模块：用来执行仿真模拟，仿真模块在接收外部车辆的车辆基本信息后，将这些信息导入经过预处理后的计算域模型中，完成完整计算域模型的设置，运行star-ccm+平台中的流体仿真模拟试验功能并在结果收敛(残差值小于10-3
即可判断为结果收敛)后得出异构车队中每辆车的风阻系数以及迎风面积；预处理是指仿真模块在接收外部车辆的车辆基本信息前，完成速度边界、压力边界等条件的设置，这样就可以在仿真模块接收到其他参
数信息时更快速的完成仿真过程得出所求的风阻系数(仿真模块主要用来进行仿真试验模拟得出异构车队的风阻系数，输入为车辆的长宽高尺寸、车辆行驶速度、车辆间距、车辆迎风面积；输出为车辆单独行驶以及在车队内行驶的风阻系数)
[0043]
所述仿真模块包括star-ccm+平台，该平台搭建一个计算域模型，计算域模型由速度进口边界、压力出口边界、普通壁面边界、异构车队模型组成；其中，异构车队模型由多种不同类别的异构车辆以安全距离5m为车辆间距构成；速度进口边界设置速度为车辆行驶速度90km/h、压力出口边界设置压强为1*103pa、普通壁面边界设置壁面为滑移面。
[0044]
计算模块：用于通过节油率模型进行计算节油率μ；(计算模块主要用来计算车队排布策略包括车辆排布顺序(通过计算节油率来确定排布顺序)、车辆间距、车辆行驶速度区间；计算模块输入为重力加速度、每种车辆的满载质量、迎风面积、车辆数目、滚动阻力系数、车辆行驶速度、每个车辆单独行驶时的风阻系数以及在车队内行驶时的风阻系数；输出为异构车队的节油率；计算模型为节油率模型，结合现有空气动力学理论推导而来)
[0045]
决策模块：用于分析组成队列和加入队列的可行性，由控制中心发出决策。
[0046]
本发明主要包括以下两个方面：
[0047]
第一方面，本技术提供了一种由多个异构车辆组成队列的方法，应用于货运车辆和管理货运车辆的控制中心，所述方法包括：
[0048]
步骤一：在控制中心的通信模块接收到要执行运输任务的货运车辆发出的组队申请时，信息采集模块同步接收所有货运车辆的车辆基本信息；
[0049]
步骤二：控制中心的决策模块需基于各货运车辆的车辆基本信息来判断车辆是否符合编队的任务要求，若不符合任务要求，拒绝该组队申请并由控制中心重新调度货运车辆；若符合任务要求，则需判断各车辆是否为异构车辆，若为异构车辆，则在计算模块中计算完整编队策略；若为同构车辆，则无需计算编队策略中的车辆排布顺序；
[0050]
其中，编队策略由计算模块计算得来，包括确定经济时速区间、车辆排布顺序以及车辆间距(经济时速区间由具体任务与公路最高时速来计算；车辆间距由通信时延与经济时速区间上限计算；车辆排布顺序由计算模块计算的节油率得出；取节油率最高的编队策略作为异构车队的排布顺序)；
[0051]
根据运输任务的距离dm结合任务要求最长时间tm计算时速下限v
min
，由公路对货运车辆的最高时速v
(1)
来限制时速上限v
max
，完成经济时速区间v的确定；
[0052][0053]vmax
≤v
(1)
[0054]vmin
≤v≤v
max
[0055]
根据各货运车辆的满载质量分为小型货运车辆、中型货运车辆以及大型货运车辆，其中小型货运车辆满载质量在4500kg以内、中型货运车辆满载质量在4500kg到12000kg之间、大型货运车辆满载质量在12000kg之上，将车辆数目n、满载质量m、迎风面积aw、行驶速度ua、滚动阻力系数f和重力加速度为g，以及第i辆车在车队内行驶时的空气阻力系数c
di
、第i辆车在车队内行驶时的迎风面积a
wi
，第i辆车单独行驶时的空气阻力系数c
′
di
、第i辆车单独行驶时的迎风面积a
′
wi
，i取值为1到n，导入仿真模块中通过仿真输出每辆货运车
辆在车队中行驶时的风阻系数cd、单独行驶时的风阻系数c
′d，并通过下列公式计算节油率μ，通过对比得出节油率最高的即为编队的最优排布顺序；
[0056][0057]
其中，i表示第i辆车，mi表示第i辆车的满载质量，c
di
表示第i辆车在车队内行驶时的空气阻力系数，a
wi
表示第i辆车在车队内行驶时的迎风面积，c
′
di
表示第i辆车单独行驶时的空气阻力系数，a
′
wi
表示第i辆车单独行驶时的迎风面积，g表示重力加速度；
[0058]
车辆间距的确定过程如下：由于货运车辆均为自动驾驶车辆，故不考虑各车辆本身的制动距离，仅需根据各车辆之间的通信时延与行驶速度计算出各车辆之间的间距；
[0059]
车辆间距为d、通信时延为t、安全系数为a、行驶速度ua，ua取经济时速的上限为v
max
[0060]
d＝auat
[0061]
其中，安全系数a取2、行驶速度ua取90km/h、通信时延t取100ms，计算可得车辆间距d为5m；
[0062]
步骤三：由控制中心的通信模块向执行运输任务的货运车辆发出组队指令以及编队策略；
[0063]
步骤四：执行运输任务的货运车辆的通信模块收到组队指令以及编队策略并开始组队操作；
[0064]
步骤五：组队操作完成，准备开始执行运输任务。
[0065]
第二方面，本发明提供了一种加入异构车队的方法，应用于申请加入车队的待加入车辆及车队中的领航车，所述加入方法包括：
[0066]
步骤一：待加入车辆的通信模块向目标车队领航车发出加入车队的申请，车队领航车通过信息采集模块采集目标车辆的车辆基本信息；
[0067]
步骤二：将该车辆的车辆基本信息导入仿真模块计算出加入队列的最佳位置以及与前后车辆的最佳车间距；
[0068]
其中，最佳车间距与原车队的车辆间距保持一致，无需另外计算；而加入队列有两种方式，一种是加入车队内部，一种是加入车队尾部。由于领航车不易更换，所以暂不考虑外部车辆加入车队成为领航车的方式，仿真模块需将待加入车辆加入车队内部不同位置与尾部之后的车队空气阻力系数与节油率计算完成并分析最佳加入位置；
[0069]
如最佳位置为加入车队内部，待加入车辆需向该位置靠拢，该位置前方车辆维持原速，后方车辆开始减速让出安全距离(即车辆间距d)后目标车辆加入队列，待加入车辆需与后车保持一致加速度追赶前方车辆，计算安全距离提前减速到与前方车辆速度一致即可；
[0070]
如最佳位置为加入车队尾部，待加入车辆从后方开始加速追赶车队，计算安全距离提前减速到与前方车辆速度一致即可；
[0071]
步骤三：领航车上的通信模块将可加入指令、加入位置和加入后车辆间距发送到
待加入车辆，等待其加入操作完成；
[0072]
步骤四：待加入车辆上的通信模块收到加入指令和加入信息，开始执行加入车队操作；
[0073]
步骤五：加入车队操作完成，车队继续执行运输任务。
[0074]
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
[0075]
图1为本发明实例提供的异构自动驾驶车辆的组队方法，组队过程包括如下步骤：
[0076]
该运输任务中，分别有一辆小型货车、中型货车与一辆重型货车执行任务，任务路段货运车辆行驶速度限制在90km/h以内；
[0077]
步骤一：货运车辆的通信模块向控制中心发送组队申请，并将执行任务的货运车辆基本信息同步发送至控制中心；
[0078]
步骤二：控制中心判断该三辆车辆信息符合任务要求，并按照其长宽高尺寸信息判断为异构车队，将异构车队基本信息转到计算模块；
[0079]
步骤三：计算模块解出三辆车的车辆间距、经济时速区间，将信息传送给领航车以及另两辆车中，并将基本信息导入仿真模块通过仿真模拟实验得到不同车辆排布顺序下车队的空气阻力系数；
[0080]
其中，通过空气动力学仿真计算出节油率最高的排布顺序为中型货车在前，小型货车在中间，重型货车在后，节油率为12.60％；
[0081]
经济时速区间上限已限制在90km/h，由任务要求时间与货运距离计算出时速下限为80km/h，得出经济时速区间为80-90km/h；
[0082]
车队通信时延取100ms，安全系数取2，行驶速度取经济时速上限90km/h，则车辆间距d＝auat＝5m；
[0083]
步骤四：控制中心将最优编队策略发送给领航车通信模块，并由领航车控制其他车辆完成组队操作；
[0084]
步骤五：领航车通信模块收到信息后按照计算模块给出的最优组队策略与其他车辆完成组队操作并开始执行任务，领航车控制车速在经济时速区间之内，后面的两辆车与前车保持在规定车辆距离内。
[0085]
图2为本发明实例提供的加入队列的方法，加入过程包括如下步骤：
[0086]
在车队执行运输任务时，一辆小型货运车辆试图加入车队；
[0087]
步骤一：同时执行运输任务的车辆发现自己脱离原有车队，前方有执行其他任务的目标车队，但待加入车辆目的地与目标车队一致，通过通信模块向目标车队发送请求加入的信息；
[0088]
步骤二：领航车通信模块收到其他车辆加入请求信息，将目标车辆信息发送给控制中心分析其加入车队可能性；
[0089]
步骤三：控制中心决策模块分析待加入车辆与车队任务目标一致，且加入后对车队运输任务效率无明显影响，允许加入车队，计算模块将待加入车辆基本信息导入仿真模块开始计算不同插入位置的队列空气阻力系数及节油率，经计算并对比得出该小型货车应
插入到原车队小型货车与重型货车中间，将加入许可与加入位置信息发送回领航车中；
[0090]
步骤四：领航车的通信模块收到加入许可与加入位置信息，向待加入车辆发送可加入指令，并向重型货车发送减速指令，让出前文计算的安全距离来让待加入车辆加入车队；
[0091]
步骤五：待加入车辆通信模块收到指令并开始加速追赶车队，在即将追上重型货车时开始减速到车队行驶速度并达到规定安全距离处完成加入车队动作，继续执行运输任务。

技术特征：
1.一种面向节能的异构自动驾驶车辆编队方法，应用于运输任务系统中，运输任务系统包括多个执行运输任务待组成队列的货运车辆和一个管理货运车辆的控制中心，多个执行运输任务待组成队列的货运车辆和控制中心通信连接，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤一：执行运输任务待组成队列的货运车辆向控制中心发出组队申请，并在发出组队申请的同时将车辆基本信息发送给控制中心；步骤二：控制中心根据车辆基本信息判断该货运车辆是否符合编队的任务要求，若不符合任务要求，拒绝该组队申请并由控制中心重新调度货运车辆；若符合任务要求，则判断各货运车辆是否为异构车辆，若为异构车辆，则确定完整编队策略，若为同构车辆，则无需确定编队策略中的车辆排布顺序；其中，编队策略为确定经济时速区间、车辆排布顺序以及车辆间距；所述经济时速区间的确定过程如下：根据运输任务的距离d
m
结合任务要求最长时间t
m
计算时速下限v
min
，由公路对货运车辆的最高时速v
(1)
来限制时速上限v
max
，完成经济时速区间v的确定；v
max
≤v
(1)
v
min
≤v≤v
max
所述车辆排布顺序的确定过程如下：根据各货运车辆的满载质量分为小型货运车辆、中型货运车辆以及大型货运车辆，将车辆数目n、每辆车的满载质量m、每辆车的迎风面积a
w
、行驶速度u
a
以及滚动阻力系数f导入控制中心的仿真模块，通过空气动力学仿真来确定每辆车辆在车队中行驶时的风阻系数c
d
和单独行驶时的风阻系数c
′
d
，并通过下列公式计算节油率μ，通过对比得出节油率μ最高的即为编队的最优车辆排布顺序；其中，i表示第i辆车，m
i
表示第i辆车的满载质量，c
di
表示第i辆车在车队内行驶时的空气阻力系数，a
wi
表示第i辆车在车队内行驶时的迎风面积，c
′
di
表示第i辆车单独行驶时的空气阻力系数，a
′
wi
表示第i辆车单独行驶时的迎风面积，g表示重力加速度；车辆间距的确定过程如下：由于货运车辆均为自动驾驶车辆，故不考虑各车辆本身的制动距离，仅需根据各车辆之间的通信时延与行驶速度计算出各车辆之间的间距；车辆间距为d、通信时延为t、安全系数为a、行驶速度u
a
，u
a
取经济时速的上限为v
max
；d＝au
a
t步骤三：控制中心向执行运输任务的货运车辆发出组队指令以及编队策略；
步骤四：执行运输任务的货运车辆收到组队指令以及编队策略，并开始执行组队操作任务；步骤五：组队操作完成，准备开始执行运输任务。2.根据权利要求1所述的面向节能的异构自动驾驶车辆编队方法，其特征在于：所述车辆基本信息包括车辆的长宽高尺寸、迎风面积和满载质量。3.根据权利要求1所述的面向节能的异构自动驾驶车辆编队方法，其特征在于，还包括：加入异构车队的方法，应用于申请加入车队的待加入车辆及车队中的领航车，所述加入方法包括：步骤一：待加入车辆向目标车队的领航车发出加入车队的申请，领航车采集所述待加入车辆的车辆基本信息；步骤二：将该车辆的车辆基本信息导入控制中心中的仿真模块计算出加入队列的最佳位置以及与前后车辆的最佳车间距；其中，最佳车间距与原车队的车辆间距保持一致；加入队列有两种方式，一种是加入车队内部，另一种是加入车队尾部；仿真模块将待加入车辆加入车队内部不同位置与尾部之后的车队空气阻力系数与节油率计算完成并分析最佳加入位置；若最佳位置为加入车队内部，待加入车辆需向该位置靠拢，该位置前方车辆维持原速，后方车辆开始减速让出安全距离后目标车辆加入队列，其中安全距离即为所述的车辆间距d，待加入车辆需与后车保持一致加速度追赶前方车辆，计算安全距离提前减速到与前方车辆速度一致即可；若最佳位置为加入车队尾部，待加入车辆从后方开始加速追赶车队，计算安全距离提前减速到与前方车辆速度一致即可；步骤三：领航车将加入指令、加入位置和加入后车辆间距发送到待加入车辆，等待其加入操作完成；步骤四：待加入车辆收到加入指令加入位置和加入后车辆间距，开始执行加入车队操作；步骤五：加入车队操作完成，车队继续执行运输任务。

技术总结
本发明提出一种面向节能的异构自动驾驶车辆编队方法，属于车辆组队技术领域，该方法在执行运输任务前合理安排车队的车辆数目、类别、排布顺序、行驶速度与车辆间距，可以更高效、节能的完成运输任务；通过仿真利用空气动力学原理计算不同编队策略下的节油率来分析异构自动驾驶车辆的最佳编队策略，使异构车队的油耗降低，降低运输成本；并在外来车辆试图加入车队时给出最优加入位置。加入车队时给出最优加入位置。加入车队时给出最优加入位置。


技术研发人员：杨志发 孙勃 董朔 马骎 李宗尧 王龙 田晶晶 孙宁 于卓
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/8/14