一种基于加速度信息的移动跟随模型设计方法

摘要

本发明公开了一种基于加速度信息的移动跟随模型设计方法，更好的模拟实际交通场景中车辆移动的跟随情况。本发明首先提出一种加速减速转换机制，根据前方车辆不同的行驶状态（加速或减速），采用不同的移动跟随模型。在此基础上，本发明进一步设计了两种跟随模型：加速跟随模型和减速跟随模型，前方车辆处于加速状态采用加速跟随模型，否则采用减速跟随模型。相比现有的跟随模型，本发明的跟随模型设计方法，解决了在仿真过程中，车辆行驶时出现的速度跳跃等现象，使得车辆的加速和减速得以平滑进行，且能有效的降低仿真的交通网络中交通拥堵的情形，提高了道路的通畅性。

说明书

技术领域

本发明涉及仿真车载自组织网络(Vehicular Ad-hoc Networks，VANETs)中的车辆跟 随模型的技术领域，特别是一种基于加速度信息的移动跟随模型设计方法。

背景技术

VANETs是一种特殊的移动自组织网络，对智能交通的研究和发展具有重要的意义。 在实际的VANETs网络中，具有以下几个显著特性：

(1)节点高速移动变化，且节点的移动行为受到实际交通环境中路面设施、行人、车 辆等障碍物因素的影响；

(2)网络规模宏大，交通微观因素复杂。

(3)网络中路段之间节点的疏密情况不一。在实际场景中，城市环境下路段上的节点 密度较大，而郊外路段上的节点则较稀疏；

(4)节点的移动受道路的限制，只能在道路上移动。

受这些特点的影响，在实际研究VANETs的应用和网络协议的时候，对其进行性能测 试时，将面临着实地测试的不易控制、危险性大、不可再现等困难，因而对这些新应用的 性能验证主要通过模拟仿真技术来完成。

而在模拟仿真的过程中如何更真实的对实际交通场景建模，是一个重要的课题。在这 一过程中，车辆移动行驶的建模是关键。因为在VANETs网络中，主要研究的便是节点(车 辆)之间，节点与路边设施之间等的通信问题。

车辆移动模型(VMM,Vehicular Mobile Model)指的是车辆在交通道路上行驶情况的数 学模型，包括车辆的跟驰、超车、停车、变道、加减速以及在交通规则下的移动等，该模 型能够较准确的模拟实际车辆移动情况和行驶规律。

在当前的一些研究成果中，SUMO(Simulation of Urban Mobility)是由德国宇航中心研发 的，一个用于仿真城市交通情况，微观且空间连续的交通仿真平台。该平台能够很好的模 拟实现交通场景。

该平台主要实现了三个移动跟随模型：IDM移动跟随模型，Gipps移动跟随模型，Krauss 移动跟随模型。

IDM移动跟随模型的设计只考虑单轨道情形，没有考虑行驶车辆的变道情况，该模型 反映的是一种绝对理想情形下的移动跟随模型，并不能模拟实际行驶过程中非理性的驾驶 行为，这是该跟随模型的缺点所在。Gipps移动跟随模型不管是在自由行驶过程还是在跟 随行驶过程，都是以行驶的绝对安全为前提来设计实现的。

Krauss移动跟随模型是在Gipps移动跟随模型的基础上改进的。Krauss跟随模型要求 车辆行驶在非常平滑的道路上时，且在减速的情况下，其对实际车辆行驶的建模会比较接 近真实的驾驶情况，在加速情况下会出现跳跃现象。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提出一种基于加速度信息的移 动跟随模型设计方法，通过跟踪前方车辆的速度变化情况，改变车辆加速或减速行驶，使 得车辆的加速或减速得以平稳进行。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于加速度信息的移动跟随模型设计方法，包括以下步骤：

步骤1、预先设置当前车辆行驶速度的合理边界条件；

步骤2、若当前车辆的速度v_f大于前车速度v_l，则执行步骤3；若v_f小于或等于v_l，则 执行步骤4；

步骤3、根据步骤1中的合理边界条件、当前车辆与前车的期望距离、车身的有效长 度、期望松弛时间、前车速度大小、以及减速时的最大加速度，计算当前车辆的行驶状态 为减速时的合理边界条件，从而得到减速时最大的安全行驶速度v_safe＝v_{d_safe}，执行步骤5；

步骤4、根据步骤1中的合理边界条件、当前车辆与前车的期望距离、车身的有效长 度、期望松弛时间、前车速度大小、以及加速时的最大加速度，计算当前车辆行驶状态为 加速时的合理边界条件，从而得到加速时最大的安全行驶速度v_safe＝v_{a_safe}；

$v_{a\_\mathrm{safe}}=v_l+\frac{g-g_{\mathrm{des}}}{{\tau }_a+\tau }$

${\tau }_a=\frac{v_{\max }-\bar{v}}{a\left(\bar{v}\right)}$

$\bar{v}=\frac{v_l+v_f}{2}$

其中，g是前车与当前车的间距，g_des是驾驶员期望的车间间距，τ_a是车辆从当前速度 加速到最大速度v_max的时间，τ是驾驶员做出确切行为的反应时间，v_max是驾驶员期望行驶 的最大速度，表示在加速行驶过程中的加速度大小；

执行步骤5；

步骤5、根据交通道路的最大限速和此时车辆的最大安全行驶速度，以及人为的反应 时间，得到当前车辆的实际行驶速度v_real，若v_real为0则返回步骤1，否则根据v_real来更新 车辆行驶速度和位置。

作为本发明所述的一种基于加速度信息的移动跟随模型设计方法进一步优化方案，所 述步骤3中，

$v_{d\_\mathrm{safe}}=v_l+\frac{g-g_{\mathrm{des}}}{{\tau }_b+\tau }$

${\tau }_b=\bar{v}/b\left(\bar{v}\right)$

其中，τ_b表示车辆从当前速度减速到0的时间，表示在减速行驶过程中的加速度 大小。

作为本发明所述的一种基于加速度信息的移动跟随模型设计方法进一步优化方案，所 述步骤5中更新后的行驶速度，位置分别为：

v_real(t+Δt)＝max[0,rand[v_des(t)-ε·a,v_des(t)]]

x(t+Δt)＝x(t)+v_real·Δt

其中，v_des(t)＝min[v_max，v_f+a(v)·Δt，v_safe]，v_real(t+Δt)为更新后的行驶速度，x(t+ Δt)为更新后的位置，a(v)表示此时的加速度大小，ε表示最大加速度a受环境影响的一个 影响因子，Δt是时间段，x(t)表示时刻t时车辆的位置。

作为本发明所述的一种基于加速度信息的移动跟随模型设计方法进一步优化方案，所 述期望距离是当前车辆在行驶过程中与前车保持的期望安全距离g_des。

作为本发明所述的一种基于加速度信息的移动跟随模型设计方法进一步优化方案，所 述期望松弛时间是在满足加速或减速的情况下，达到期望距离g_des所需的时间τ_des，该时间 由最大的加速度和驾驶员的反应时间决定。

作为本发明所述的一种基于加速度信息的移动跟随模型设计方法进一步优化方案，所 述步骤3的边界条件，具体指：根据实际的情况，车辆减速过程的最大加速度b，以及车 辆行驶的最小速度0，且b大于0。

作为本发明所述的一种基于加速度信息的移动跟随模型设计方法进一步优化方案，步 骤4中的边界条件，具体指：根据实际的情况，车辆加速过程的最大加速度a，以及v_max， 且a大于0。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明方法通过跟踪前方车辆的速度变化情况，提出一种加速减速转换机制，解决了 现有某些移动模型中存在的速度跳跃缺点，使得车辆的加速或减速得以平稳进行，且提高 了网络中行驶车辆的平均速度。同时，有效的降低仿真的交通网络中交通拥堵的情形，提 高了道路的通畅性。

附图说明

图1是基于加速度信息的移动跟随模型实现框图。

图2是加速减速转换机制设计示意图。

图3是最大安全行驶速度实现示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

参照图1，一种基于加速度信息的移动跟随模型设计方法，包括以下步骤：

步骤1、预先设置当前车辆的行驶速度的合理边界条件；

步骤2、若当前车辆的速度v_f大于前车速度v_l，则执行步骤3；若v_f小于或等于v_l，则 执行步骤4；

步骤3、根据步骤1中的合理边界条件、当前车辆与前车的期望距离、车身的有效长 度、期望松弛时间、前车速度大小、以及减速时的最大加速度，计算当前车辆的行驶速度 为减速时的合理边界条件，从而得到减速时最大的安全行驶速度v_safe＝v_{d_safe}，执行步骤5；

步骤4、根据步骤1中的合理边界条件、当前车辆与前车的期望距离、车身的有效长 度、期望松弛时间、前车速度大小、以及加速时的最大加速度，计算当前车辆行驶速度为 加速时的合理边界条件，从而得到加速时最大的安全行驶速度v_safe＝v_{a_safe}；执行步骤5；

步骤5、根据交通道路的最大限速和此时车辆的最大安全行驶速度，以及人为的反应 时间，得到当前车辆的实际行驶速度v_real，若v_real为0则返回步骤1，否则根据v_real来更新 车辆行驶速度和位置。

所述步骤3的边界条件，具体指：根据实际的情况，车辆减速过程的最大加速度b， 以及车辆的行驶的最小速度0，且b大于0。

步骤4中的边界条件，具体指：根据实际的情况，车辆加速过程的最大加速度a，以 及v_max，且a大于0。

作为优选的实施方式，所述步骤3、4中的期望距离是根据实际情况，获得当前车辆 在行驶过程中与前车应该保持的期望安全距离g_des。

作为优选的实施方式，步骤3、4中期望松弛时间是指在满足的情况下加速(或减速) 的情况下，达到期望距离g_des所需的时间τ_des，该时间由最大的加速度(或减速度)和驾驶 员的反应时间等决定。

加速减速转换机制采用的是一种基于距离预测的方法来决策车辆的跟随模型，该方法 最终的判决条件是比较当前时刻车辆速度大小。

参照图2，说明具体的加速减速机制：

在给定的时间段(t，t+T)内，根据此时当前车的位置x_f与前车的位置x_l，预测该时 间段内，前车l与当前车辆f的行驶距离

x_l^*＝x_l+v_l·T    公式(1)

x_f^*＝x_f+v_f·T        公式(2)

从而得到：

当前两车的欧式距离：D＝|x_l-x_f|公式(3)

预测两车的欧式距离：      公式(4)

$\stackrel{·}{D}=|x_l-x_f+(v_l-v_f)·T|$       公式(5)

很明显，由于两车的初始位置都已确定，当前车辆f在预测过程中只需要与前车l比 较当前的行驶速度即可。为安全起见，当前车辆的行驶速度与前车的行驶速度相等时，即 v_f＝v_l时，采用减速跟随模型。具体转换判断机制如下：

减速模型→加速模型＝v_f<v_l

加速模型→减速模型＝v_f≥v_l

作为优选的实施方式，所述减速模型的最大安全行驶速度，具体指：从v_f减速到0 的过程中，移动车辆的理想行驶速度。

参照图3，说明减速模型的最大安全行驶速度v_{d_safe}的计算过程：

(1)行驶模型的边界条件

在自由行驶模型中，车辆在道路上的移动速度v_f边界条件是：

v_f≤v_max         公式(6)

该最大速度v_max是驾驶员期望行驶的速度。

驾驶员的意图总是避免与其他任何车辆发生碰撞，因此在跟随行驶模型下，某一时刻 各个车辆所做出的行驶决定，依据的是避免碰撞方法。所以，v_f不应该大于最大的安全 行驶速度v_safe：

v_f≤v_safe          公式(7)

最大的安全行驶速度v_safe受车辆自身条件的限制，还受到其他车辆行驶情况的影响， 将在下面内容导出v_safe的计算模型。

根据实际的情况，车辆加速过程的加速度为a，减速过程的加速度为b(并在本发明 中称其为减速度)；

由此推出以下关于车辆行驶加速度a和减速度b的两个合理边界条件：

$-b\le \frac{{\mathrm{dv}}_f}{\mathrm{dt}}\le a$          公式(8)

a,b>0        公式(9)

其中，t为时间；

(2)行驶时间连续模型分析

根据图3所展示的移动模型基本情况，我们可以分析出车辆之间，在时刻t时，前车 与后车的间距g：

g＝x_l-x_f-L_l        公式(10)

$\frac{\mathrm{dg}}{\mathrm{dt}}\ge \frac{g_{\mathrm{des}}-g}{{\tau }_{\mathrm{des}}}$            公式(11)

其中，x_l、x_f分别表示当前车的位置与前车的位置，L_l表示前车的有效长度，g_des是期 望的车间间距，τ_des＝τ_b+τ是期望的松弛时间，由车辆的最大减速度和驾驶员 意愿决定，τ是驾驶员做出确切行为的反应时间。由此，得到减速模型的安全跟随模型：

d(v_f)+v_f·τ≤d(v_l)+g         公式(12)

公式(12)中，d(v_f)是后车需要紧急刹车时，以减速度从速度v_f到0所行驶的距离，该速度是一个与车辆行驶的速度有关的函数。为了更合理的贴近实际 驾驶策略，需要在处扩展d(v_f)的泰勒级数，最终得到：

$d^{\prime }\left(\bar{v}\right)·v_f+v_f·\tau \le d^{\prime }\left(\bar{v}\right)·v_l+g$    公式(13)

$d^{\prime }\left(v_f\right)=-\frac{d}{{\mathrm{dv}}_f}{\int }_{v_f}^0\frac{{v_f}^{\prime }}{b\left(v^{\prime }\right)}{\mathrm{dv}}^{\prime }=\frac{v_f}{b\left(v_f\right)}$    公式(14)

综合(1)中分析的车辆行驶边界条件，得到下式：

$v_l-v_f\ge \frac{v_l\tau -g}{\frac{\bar{v}}{b\left(\bar{v}\right)}+\tau }$   公式(15)

$\frac{\mathrm{dg}}{\mathrm{dt}}=v_l-v_f$    公式(16)

从而得到在时刻t时，当所有行驶条件都达到最大容忍边界值的情况下，减速模型最 大安全行驶速度v_{d_safe}的值为：

$v_{d\_\mathrm{safe}}=v_{\mathrm{safe}}=v_l+\frac{g-g_{\mathrm{des}}}{{\tau }_b+\tau }$公式(17)

其中，τ_b表示车辆从当前速度减速到0的时间，表示在减速行驶过程中的加速度 大小。

作为优选的实施方式，所述加速模型的最大安全行驶速度，具体指：从当前速度v 加速到期望的最大速度v_max的过程中，移动车辆的理想行驶速度。

参照图3，说明加速模型时最大安全行驶速度v_{a_safe}的计算过程：

即以加速度(a(v)>0)行驶，该加速度是一个与车辆行驶速度有关的函数，速度 从v_f到v_max的加速平稳跟随模型。这里我们修改公式(14)，得到：

$s^{\prime }\left(v_f\right)=-\frac{d}{{\mathrm{dv}}_f}{\int }_{v_f}^{v_{\max }}\frac{v_{\max }-{v_f}^{\prime }}{a\left(v^{\prime }\right)}{{\mathrm{dv}}_f}^{\prime }$    公式(18)

下面对该微分进行展开计算：

$s^{\prime }\left(v_f\right)=-\frac{d}{{\mathrm{dv}}_f}{\int }_v^0\frac{v_{\max }-{v_f}^{\prime }}{a\left(v^{\prime }\right)}{\mathrm{dv}}^{\prime }-\frac{d}{{\mathrm{dv}}_f}{\int }_0^{v_{\max }}\frac{v_{\max }-{v_f}^{\prime }}{a\left(v^{\prime }\right)}{{\mathrm{dv}}_f}^{\prime }$    公式(19)

由于：

$\frac{d}{{\mathrm{dv}}_f}{\int }_0^{v_{\max }}\frac{v_{\max }-{v_f}^{\prime }}{a\left(v^{\prime }\right)}{{\mathrm{dv}}_f}^{\prime }=0$   公式(20)

所以公式(18)可以化简为：

$s^{\prime }\left(v_f\right)=-\frac{d}{{\mathrm{dv}}_f}{\int }_{v_f}^0\frac{v_{\max }-{v_f}^{\prime }}{a\left(v^{\prime }\right)}{\mathrm{dv}}^{\prime }=\frac{v_{\max }-v_f}{a\left(v_f\right)}$    公式(21)

依据减速模型的建模过程，继而得到在时刻t时，加速跟随模型过程的最大安全行驶 速度v_{a_safe}的值为：

$v_{a\_\mathrm{safe}}=v_{\mathrm{safe}}=v_l+\frac{g-g_{\mathrm{des}}}{{\tau }_a+\tau }$       公式(22)

${\tau }_a=\frac{v_{\max }-\bar{v}}{a\left(\bar{v}\right)}$           公式(23)

其中，g是前车与当前车的间距，g_des是驾驶员期望的车间间距，τ_a是车辆从当前速度 加速到最大速度v_max的时间，τ是驾驶员做出确切行为的反应时间，v_max是驾驶员期望行驶 的最大速度，表示在加速行驶过程中的加速度大小；

优选地，步骤3中的边界条件，具体指：根据实际的情况，车辆有一个减速过程的最 大加速度b(称其为最大减速度)，以及车辆行驶的最小速度0，且b大于0。

优选地，步骤4中的边界条件，具体指：根据实际的情况，车辆有一个加速过程的最 大加速度a，以及车辆的最大行驶速度v_max，且a大于0。

优选地，所述步骤5中更新后的行驶速度v_real(t+Δt)，位置x(t+Δt)分别为：

v_real(t+Δt)＝max[0,rand[v_des(t)-ε·a,v_des(t)]]     公式(24)

x(t+Δt)＝x(t)+v_real·Δt      公式(25)

其中，v_des(t)＝min[v_max，v_f+a(v)·Δt，v_safe]，a(v)表示此时的加速度大小，ε表示最大 加速度a受环境影响的一个影响因子，Δt是时间段，x(t)表示时刻t时车辆的位置。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何 熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本 发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。