1. 研究目的与意义
随着交通事故的频繁发生，交通安全成为备受关注的点，智能车队列控制研究也在此环境下应运而生。智能车队列控制不同于单个车的控制，一辆车可以根据相邻车辆信息自动地调整该车辆的纵向运动状态。本课题从研究的实际角度出发，基于微处理器设计一种智能车队列控制系统，该系统包括通信模块，电机驱动模块，车速检测模块，显示模块，报警模块等。最终实现车队能够保持在恒定的车速行驶，并且车间距离能够保持一致。
上个世纪 90 年代，美国加利福尼亚大学伯克利分校研究的 path 项目，控制车辆在高速公路上紧密地排成一列行驶。1997 年 8 月举行了公开演示，实验要求所有的车辆必须安装相应的系统，他们还在这段高速公路两车道的中间配备安装了磁铁，磁铁是自动操纵控制系统保证每辆车在车道中间行驶的参考标志。演示中使用了车辆通信和基于滑模变的控制律。实验证明了由充分协作的车队系统可以达到的车距性能和乘坐舒适性优于驾驶员所能达到的水平。在日本，由新能源与工业技术发展委员会发起的“energy its project”从 2008年开始为期五年，项目明确以节约能源消耗减少二氧化碳排放为目标，重点研究自主车辆驾驶系统和自动化卡车队列。在自主行驶的卡车队列中，要求车间距小且稳定，该项目最终实现了由三辆重型卡车和一辆轻型卡车组成的车队以 80km/h的速度行驶且车间距保持在 10m。车队中车辆完全具有车道线保持行驶、速度控制、避障、间距保持等功能。基于 5.8ghz 的专用短程通信技术可以确保 60m 以内车车通信的有效性。在每辆卡车的一侧安装了电荷耦合摄相机用于车道线的检测，同时安装了激光扫描仪用在恶劣天气状况下的辅助检测。车队中的头车安装了雷达用于障碍物的检测，其余的车辆安装了激光雷达用于测量车车之间的间距。车辆的侧向控制与纵向控制单独进行，纵向控制主要对速度误差和间距误差进行调节。经过实验测试，车队中的卡车能够在较高的车速下，最小保持 4.7m 的车间距，较小的车间距使得车间的气压变小，车辆在行驶过程中受到的空气动力阻力也会减小，当车辆行驶受到的阻力小时，车辆燃油的消耗和二氧化碳的排放会大大降低，这对节约资源和保护环境都具有重要的意义。致力于降低交通消耗、改善交通安全性、提高交通效率、增加乘车舒适性等多方面的考虑，2009 年 9 月，由欧洲委员会及七个重要合作单位资助的“sartre”项目（safe road trains for the environmentproject）希望通过共同努力，利用车辆自适应巡航系统和附加传感器，并添加车车间或车路间定的无线通讯，在高速公路上实现车队的行驶洲委员会的令一个重大项目 cvis（cooperative vehicle-infrastructuresystem）从2006 年开始到 2010 年结束。项目构建的信息平台是基于无线通信、传感探测等技术获取车辆和道路信息并进行交互和共享，最终实现车车之间、车路之间的智能协同和配合，达到优化利用系统资源的目标
我国在车车协同控制方面的研究起步较晚。2011 年北京航空航天大学成立了车路协同与安全控制北京重点实验室。同年，科技部经过充分论证，国家 863计划现代交通技术领域设立了“智能车路协同关键技术研究”为主题的项目，并把车车协同作为该项目的重要组成部分，设立了“车车交互式协同控制系统关键技术”课题，经过 3 年的研究，取得了一系列阶段性成果，并在河北廊坊搭建了实际交通环境下的车路协同测试系统。2014 年 ieee 智能交通系统国际会议 itsc在青岛举办，会议期间，组织方成功组织了车路协同专题研讨会和典型应用系统现场演示活动，建立了我国车路协同技术体系的框架。但是与国外协同技术研发及应用方面的进展相比较，我们还有很长的路需要发展。
2. 研究内容和预期目标
| 设计一种智能车队列控制系统，其中智能车由微处理器、各类传感器、智能控制器和通信单元等组成，系统能实现多个智能车形成预定的纵向队列。完成的功能：可选择带两个后驱动轮，一个前从动轮的电动车作为运动机构，用两个直流变速电机来驱动左右两个后车轮转动，采用车间通信的方式来获得相邻车辆之间的状态信息，包括位置信息、速度信息等，按照一定的控制规律自动修正两车间的距离和速度，实现智能车车队的协同控制。最后，完成整个系统的原理图和硬件电路图设计，以及整个系统的软件编程及功能调试。可考虑的扩展功能有：智能车队列控制可以根据相邻车辆信息自动地调整该车辆的运动状态，根据道路信息（如坡度，曲率等）以及交通信息（交通流，交通信号灯等）对车辆的速度和挡位进行优化，从而提高交通效率。
研究内容一：信息交互系统设计 由多辆自主车组成的协同车队对通讯系统的要求与构建智能交通系统，以此来解决车载环境下车车、车路之间的通信对系统的要求有所区别，前者要求无线通讯延迟小，除此之外，后者还要求无线通讯必须具备抗干扰能力强、安全性能高、接入速度快等特性。 研究内容二：车辆跟速度规划算法设计 间距策略决定了车队中车辆在行驶过称中的跟车间距，过小的车间距容易发生追尾导致交通事故，而过大的间距则损失了道路的利用率，降低了跟车的效率。与此同时，期望的车间距作为跟车控制的输入，影响着速度规划算法的设计，车辆行驶的安全性、乘车舒适性等都是算法设计中的重要指标 研究内容三：车队安全，稳定性分析与验证 车队的稳定性是衡量车车协同控制好坏的重要指标，它通常指的是队列中某辆车的速度产生较大波动或车车通信受到干扰时，后面车辆能否克服干扰，重新控制车辆的行驶，使车队调整到新的平衡上去而不发生追尾等危险事故，车队保持稳定性的能力对车辆的协同行驶至关重要。 预期目标：实现车队能够保持在恒定的车速行驶，并且车间距离能够保持一致。 |
3. 研究的方法与步骤
| 研究内容一：采用无线数据通信传输，车车信息交互拓扑结构 “前车”安装的超宽带通信模块实时与后车进行通信，把从惯性组合导航中 获得的车的位置、加速度、速度等信息发送给后车；“后车”安装的超宽带测距模块实时测得两车之间的距离，后车获取本车和前车的信息之后进行上层速度规划，规划出来的跟踪速度发给车辆底层控制，通过控制油门和刹车，车辆底层控制负责快速的响应上层的规划速度，实现车辆期望距离的跟踪。 研究内容二：采用车间距控制策略 跟驰驾驶要求自主车队中的车车之间保持安全的、稳定的相对距离，但是车辆在跟驰行驶的过程中具有几个明显的特性：第一，受到车辆自身加减速性能的影响，同时为了保持车辆的平稳行驶，车辆运动具有一定程度的制约性；第二，在跟驰过程中，车车之间的通信延时、车辆底层执行机构的响应延时都是需要考虑到的因素，它们有可能影响着系统的安全；第三，后车的驾驶行为受到前车驾驶行为的影响，它需要不断地根据两车的相对距离、两车的速度等参数调整车速，但是车车交互的信息在向后传递的过程中具有不平滑和不连续性 研究内容三：车辆在行驶过程中，有很多因素影响着协同车队的稳定性，比如当车车之间的无线通信受到干扰时，车辆就无法正常接收其余车辆发送的信息，也就无法正常进行速度规划则导致车辆失去控制。除此之外，速度规划算法中的一些参数也会影响着车辆的控制和控制精度，而速度规划算法又与跟驰车间距策略和车车通信的拓扑结构有关，综上，可以从不同的角度去分析车队稳定性，这里采用频域的方法进行分析和论证
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4. 参考文献
| [1] 李科志. 车联网环境下基于反馈的智能车辆编队控制研究[D].重庆邮电大学,2017. [2] 王沛东. 自主车队的纵向协同控制技术研究[D]. 国防科技大学, 2015. [3] 覃频频, 裴世康, 侯晓磊等. 不同车辆工况对协同自适应巡航控制车队行驶安全的影响[J]. 交通运输系统工程与信息,2019. [4] 王玥玥. 分布式车队协同控制研究[D]. 西南交通大学, 2018. [5] 李克强，戴一凡等. 智能网联汽车（ICV）技术的发展现状及趋势[J]. 汽车安全与节能学报, 2017. [6] 陈明哲, 冀杰, 唐志荣, 等. 商用半挂车队列纵向运动协同控制及仿真[J]. 重庆大学学报, 2018,41(9): 39-47. [7] 赵光辉. 探讨智能网联汽车技术发展现状及前景[J]. 科技创新导报, 2019 (18): 123. [8] 汽车自适应巡航控制及相应宏观交通流模型研究. Available: http://www.docin.com/p-919964120.html. [9] 王赓.试论城市智能交通管理系统及其经济效益.城市建设理论研究,2013年 24 期. [10] 陈唐民.国外公路运输发展新动态.武汉汽车工业大学学报,2000 年 5 期. [11] 魏秀岭.高速公路车辆超速警示系统关键技术研究. 西安：长安大学,2009. [12] 智能交通发展现状. Available: http://www.docin.com/p-712795451.html. [13] 王国业，江发潮等译. 车辆动力学及控制. [14] 李升波. 车辆多目标协调式自适应巡航控制 [D]. 北京: 清华大学, 2009. [15] Zheng Y, Li S E, Wang J, et al. Stability andscalability of homogeneous vehicular platoon: Study on the influence of informationflow topologies[J]. IEEE Transactions on intelligent transportation systems,2015, 17(1): 14-26. [16] Feng S, Zhang Y, Li S E, et al. Stringstability for vehicular platoon control: Definitions and analysis methods[J].Annual Reviews in Control, 2019. [17]Sadayuki Tsugawa. An Overview on an AutomatedTruck Platoon within theEnergy ITS Project. The International Federation ofAutomatic Control,2013. [18] Sadayuki Tsugawa. Results and Issues of anAutomated Truck Platoon withinthe Energy ITS Project. Intelligent VehiclesSymposium, Dearborn,Michigan, USA, 2014. [19] ShinKato, Sadayuki Tsugawa. Lateral and Longitudinal Control Algorithms for Visual Platooning of Autonomous Vehicles, FISITAWorld AutomotiveCongress, Seoul, Korea, June 12-15, 2000. [20] Bergenhem, Erik Hedin, Daniel Skarin.Vehicle-to-Vehicle Communicationfor a Platooning System, Europe, 2012. |
5. 计划与进度安排
| （1）2022-02-24～2022-03-08 查阅技术资料，确定研究内容和系统架构，撰写开题报告； （2）2022-03-09～2022-03-22 结合总体架构，完成传感器选型、系统硬件功能分析和设计； （3）2022-03-23～2022-04-19 设计系统硬件电路，编写系统软件程序； （4）2022-04-20～2022-05-17 系统功能软硬件调试及改进； （5）2022-05-18～2022-05-31 整理毕业设计文档，撰写、修改毕业设计论文； （6）2022-06-01～2022-06-10 提交毕业论文，准备答辩。
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