一种采用滑行模式的经济性协同自适应巡航策略

摘要

本发明属于车辆工程技术领域，具体的说是一种采用滑行模式的经济性协同自适应巡航策略。本发明可以根据目标车辆所处区域确定相应的执行策略，并给出相应的指导速度。本发明是一种在有交通信号灯的路口，考虑了在红灯管制情况下前方等待车队长度的影响，从而采用发动机怠速空挡滑行策略，通过选择合适的滑行时机，以使目标车辆能够在不停车等待的情况下顺利通过该路口，使其在与前车保持最小车距的同时实现最好的燃油经济性的经济性协同自适应巡航策略。

说明书

技术领域

本发明属于车辆工程技术领域，具体的说是一种采用滑行模式的经济性协同自适应巡航策略。

背景技术

协同性自适应巡航策略(CACC)是属于美国国家高速交通安全协会(NHTSA)与美国汽车工程师协会(SAE)提出的一种二级的自动驾驶，它由自适应巡航(ACC)发展而来，由于车辆之间，车路之间甚至车辆与各种基础设施之间的通讯，协同性自适应巡航可以使跟随车辆与被跟随车辆之间保持更小的车间距离，而且由于车辆与环境的信息交互可以使车辆实现更好的燃油经济性。

Malakorn和Park提出了一种协同自适应巡航策略，它能够运用SpaT信息来减少跟随车辆的绝对加速度，来达到更好的舒适性和燃油经济性。清华大学Shengbo Eben Li提出了一种对于具有离散传动比的车辆采用加速滑行策略来实现协同自适应巡航的策略，由于采用了空挡滑行策略，可以很好的释放车辆在行驶过程中的惯性能量，从而达到节能的目的。Hao Yang提出了一种在具有交通管制的交通路口考虑了前方队列影响的经济性自适应巡航策略。该策略通过规划速度使车辆避免了行驶当中的启停，有效的节省了油耗，但是他采用了固定的速度规划的范围，导致车辆必须带挡减速。这也导致了该策略还有很大的节油潜力。

发明内容

本发明提供了一种在有交通信号灯的路口，考虑了在红灯管制情况下前方等待车队长度的影响，从而采用发动机怠速空挡滑行策略，通过选择合适的滑行时机，以使目标车辆能够在不停车等待的情况下顺利通过该路口，使其在与前车保持最小车距的同时实现最好的燃油经济性，解决了现有自适应巡航策略的上述不足。

本发明结合附图说明如下：

一种采用滑行模式的经济性协同自适应巡航策略，该策略为：

对于第k号目标车辆，一旦它进入区域[x_u,x_d]中，其中x_u是控制区域的起始点，单位为m，x_d是控制区域的终止点，单位为m；滑行自适应巡航策略就开始起作用，目标车辆根据所处区域确定相应的执行策略；

a、当目标车辆在交通信号灯路口的上方区域时；

按下列的两个情形中提供一个指导速度给目标车辆来限制他的速度；否则的话，车辆的自由行驶速度将会作为指导速度提供给车辆；

1)当前的交通信号灯为绿灯，但是如果车辆保持当前的速度，交通信号灯将会在车辆到达交通路口停止线使变为红灯；

2)当前的交通信号灯为红灯，但是如果车辆保持当前的速度，车辆到达交通信号灯停止线时还是红灯；

b、当目标车辆在交通信号灯路口的下方区域时；

滑行自适应巡航策略将会根据目标车辆的当前速度来寻找在自由行驶时的车速与车与车之间的距离，然后提供合适的加速度给车辆使车辆进行加速，其加速度为：

其中，v_f为目标车辆最终的速度，单位为m/s，v(t_c)为目标车辆当前的速度，单位为m/s，t_d为目标车辆的加速时间，单位为m/s²。

所述的指导速度具体表达式如下：

其中，v(t)表示在t时刻的车辆速度，单位为m/s；v₀为车辆初始的巡航速度，单位为m/s；t₀为车辆进入实际控制区域即离路口xo距离时的时刻，单位为s；t_p为开始进行空挡滑行的时刻，单位为s；a_p为车辆进行空挡滑行的加速度，单位为m/s²；t_c为车队释放的时间；v_min为车辆离合器再次平稳结合时的最小速度，单位为m/s；a₊为车辆的加速度，单位为m/s²；δt_q,2为其对应的加速时间，单位为s；v_f为其通过路口后的巡航速度，单位为m/s；T_q为车辆在整个控制区域内的行驶时间，时间为s。

所述的a_p由以下公式得出：

其中，C_A为空气阻力系数；M_g为整车重量，单位为N；f为摩擦阻力系>p为车辆进行空挡滑行的加速度，单位为m/s²；M为整车质量，单位为t；v₀为车辆初始的巡航速度，单位为m/s。

所述的t_p由以下公式得出：

d-d_p＝v₀(t₀-t_p)

其中，v₀为车辆初始的巡航速度，单位为m/s；v_min为车辆离合器再次平稳结合时的最小速度，单位为m/s；a_p为车辆进行空挡滑行的加速度，单位为m/s²；d_p为车辆滑行的距离，单位为m；t_p为开始进行空挡滑行的时刻，单位为s；d为在t时刻的队尾车辆的位置，单位为m。

当目标车辆到达距离x_d，该滑行自适应巡航策略将不再起作用。

本发明的有益效果为：

1、本发明专利所述策略在保证目标车辆与前车的跟随以实现自适应巡航的同时，通过运用大数据信息，对车辆的速度进行规划，使其能够在考虑车队长度的影响下，通过在合适的时机进行空挡滑行，从而使目标车辆在不停车的通过交通路口，从而实现了车辆的经济性巡航，相对于传统的考虑车队影响的自适应巡航策略，实现了节油可能性的最大化。

2、本发明专利所述减速策略由于采用了空挡滑行策略，与传统的考虑车队长度影响的自适应巡航策略相比，有效的利用了车辆自身的惯性进行行驶，在既保证经济性的同时减小了与前车的车距，有效避免了其它车道的车辆的加塞现象，保证了驾驶安全性与舒适性。

3、本发明发明所述策略简单，易于车辆控制系统的实时实现。

4、本发明专利的市场覆盖率达到80％以上时，节油效果将会大幅上升。

附图说明

图1为本发明交通路口动态图；

图2为本发明中专利算法推导曲线图；

图3为本发明中速度-时间曲线图；

图4为本发明油耗仿真结果曲线图。

具体实施方式

参阅图1，图1所示的Lighthill-Whitham-Richard(LWR)模型为一种经典的描述道路车辆交通动态特性的模型。该模型假设在流量与车流密度之间存在一种现有的，被广泛运用关系：

q(x,t)＝Q(ρ(x,t))；

其中，q(x,t)，ρ(x,t)分别表示在时间t与空间x的情况下的车辆流量与密度,q(x,t)的单位为辆/h，ρ(x,t)的单位为辆/km。在该模型中，由于红灯与绿灯的不停转换，会使该车队模型产生稀疏变化的波动，例如在图1中由于前方的突然红灯，车队前方未通过停止线的车辆必须减速到零，后方的跟随车辆也会随之停止，A区域为在停止线与干预开始线区域之间，车辆正常行驶的速度线没有受到红灯或前方车辆的任何影响，直线的斜率即为自由行使的车辆的车速，C区为车辆在受到红灯影响等待的时候，水平的速度直线被时间轴与速度波动线所围成的区域，而在A区到C区的过渡过程中会产生波动并向后方传播，其传播速度为：

其中，q₀为刚进入交通路口的车流流量，单位为辆/h，ρ₀为刚进入交通路口的车流密度，单位为辆/km，ρ_j为红灯时的最大车流密度，单位为辆/km。

同理，当由红灯变为绿灯时，车辆开始通行，并在初始阶段车流量达到饱和q_C，密度为ρ_C，此时的波动传播速度为：

所以，在t时刻的队尾车辆位置可由下式估计，队尾的位置用d表示：

在上式中t_r为变成红灯的时间，单位为s，t_g为变成绿灯的时间，单位为s，v₀为车辆的巡航速度，单位为m/s。

车辆的等待时间为：

其中，单位都为s。

另外，在图1中的虚线为本发明提出的滑行节能线。d_p为开始滑行距离，Δt_p为与常规考虑车队长度的策略相比，在考虑了前方车队的情况下，它会估计，在以最小的滑行速度行驶的情况下，延后多久开始减速，并能保证不停车的情况下通过该交通路口。

参阅图2，首先我们定义在车辆进入从道路的x_u到停止线x₀的范围为交通路口的下方，进入从道路的x₀到停止线x_d的范围为交通路口的上方。传统的经济性协同自适应巡航算法通过真实路况下的交通信号灯变绿灯的时间以及本车的车速来规划未来本车的速度，使本车能够顺利通过交通路口，或者现有的策略会将前方等候车队的长度信息考虑在内，以此来规划本车速度使自己顺利通过该交通路口，正如图2所示，在交通路口的下方区域，没有控制的车辆会保持其原来的速度v₀直到其遇到前方车辆后减速停止，如基本驾驶实线所示，该实线从一条斜率为v₀的斜线变为一条水平线，并在前车走后变为一条跟随前车的速度为v_f的斜线。而没有考虑车队长度影响的经济性协同自适应巡航会减速到一个理想的巡航速度使其能够不停车，顺利通过路口，但是由于车队长度的影响，会迫使它在队尾停车等待，正如传统自适应巡航实线所示，该实线刚开始为一条斜率比v₀小的斜直线，之后遇到前车都与基本驾驶直线重合。所以有人提出了考虑车队长度影响的策略，就是用减到更低的巡航速度来使车队被释放时目标车辆正好到达车队尾，从而正好通过路口而不用停车，如图中考虑队列的自适应巡航虚线所示，该虚线为一条比传统自适应巡航实线斜率还小的斜直线但其没有变为水平直线而是直接转为一条斜率为v_f的斜线。但是其固定的干预范围使得目标车辆与前车的距离很大，从而会导致其他车辆加塞，而且带挡减速也没有发挥车辆最大的节油潜力，所以就促使了本发明的诞生。本发明在进入控制区域后，根据车辆的行驶初速度和车辆在空挡怠速滑行条件下的加速度确定开始控制的时间与距离，也就是图2的d_p。

而在交通路口的上方区域，本发明与原来的经济性协同自适应巡航策略都会根据车队距离与巡航速度制定具体的加速度。

本发明所述的一种采用滑行模式的经济性协同自适应巡航策略，该策略为：

对于第k号目标车辆，一旦它进入区域[x_u,x_d]中，其中x_u是控制区域的起始点，单位为m，x_d是控制区域的终止点，单位为m；滑行自适应巡航策略就>

对于第k号目标车辆，一旦它进入区域[x_u,x_d]中，其中x_u是控制区域的起始点，单位为m，x_d是控制区域的终止点，单位为m；滑行自适应巡航策略就开始起作用，目标车辆根据所处区域确定相应的执行策略；

a、当目标车辆在交通信号灯路口的上方区域时；

按下列的两个情形中提供一个指导速度给目标车辆来限制他的速度；否则的话，车辆的自由行驶速度将会作为指导速度提供给车辆；

1)当前的交通信号灯为绿灯，但是如果车辆保持当前的速度，交通信号灯将会在车辆到达交通路口停止线使变为红灯；

2)当前的交通信号灯为红灯，但是如果车辆保持当前的速度，车辆到达交通信号灯停止线时还是红灯；

b、当目标车辆在交通信号灯路口的下方区域时；

滑行自适应巡航策略将会根据目标车辆的当前速度来寻找在自由行驶时的车速与车与车之间的距离，然后提供合适的加速度给车辆使车辆进行加速，其加速度为：

其中，v_f为目标车辆最终的速度，单位为m/s，v(t_c)为目标车辆当前的速度，单位为m/s，t_d为目标车辆的加速时间，单位为m/s²。

参阅图2、图3对于考虑车队的经济性协同自适应巡航策略，滑行自适应巡航策略将会根据自身车辆在空挡滑行时的加速度还有初始速度和最小启动速度，计算出空挡滑行的距离，然后再由初始车速计算出还需要保持原速度行驶的距离，以此来达到最小燃油消耗与最小跟车距离，然后将此策略信息在下一步t+Δt提供给装有此系统的车辆，Δt是速度更新的最小时间间隔，根据图2中加粗虚线有，所述的指导速度具体表达式如下：

其中，v(t)表示在t时刻的车辆速度，单位为m/s；v₀为车辆初始的巡航速度，单位为m/s；t₀为车辆进入实际控制区域即离路口xo距离时的时刻，单位为s；t_p为开始进行空挡滑行的时刻，单位为s；a_p为车辆进行空挡滑行的加速度，>2；t_c为车队释放的时间；v_min为车辆离合器再次平稳结合时的最小速度，单位为m/s；a₊为车辆的加速度，单位为m/s²；δt_q,2为其对应的加速时间，单位为s；v_f为其通过路口后的巡航速度，单位为m/s；T_q为车辆在整个控制区域内的行驶时间，时间为s。

其中Tq,vq,t,δtq,1,δtq,2可由下式进行估计：

a_p,t_p可由下面的公式计算出：

d-d_p＝v₀(t₀-t_p)(3)

上式中C_A为空气阻力系数；M_g为整车重量，单位为N；f为摩擦阻力系数；a_p为车辆进行空挡滑行的加速度，单位为m/s²；M为整车质量，单位为t；v₀为车辆初始的巡航速度，单位为m/s；，v₀为车辆初始的巡航速度，单位为m/s；v_min为车辆离合器再次平稳结合时的最小速度，单位为m/s；a_p为车辆进行空挡滑行的加速度，单位为m/s²；d_p为车辆滑行的距离，单位为m；t_p为开始进行空挡滑行的时刻，单位为s；d为在t时刻的队尾车辆的位置，单位为m。

公式(1)计算出空挡下的加速度a_p，然后带入公式(2)，计算出最小滑行距离d_p，最后由滑行距离d_p带入公式(3)，得到开始滑行的时间t_p。车辆在空挡滑行下的加速度是由已有的车辆动力学方程推导而出的，其原始公式为：

F_t＝F_f+F_w+F_j+F_i。

其中F_t为驱动力，单位为N，由于汽车为空档滑行所以其为零，F_f为摩擦>f＝M_g·f。其中M_g为车重，单位为N，f为摩擦系数。F_w为汽车行驶空气阻力，单位为N，具体表达形式为其中，C_A为空气阻力系数，v₀为汽车开始滑行时的车速，单位为m/s。F_j为车辆的惯性力，具体表达式为F_j＝M·a_p，其中M为整车质量，单位为kg，a_p为空挡下的滑行加速度，单位为m/s²。F_i为车辆的坡道阻力，单位为N，但是我们假设车辆行驶的路况的坡道为零，所以其坡道阻力F_i也为零。将所有的具体公式带入到车辆动力学原始公式中，然后两边除以整车质量M，便可以得到公式(1)。

参阅图4，下面用AMESim搭建整车模型来对上述情形进行油耗仿真仿真分析，得到结果如下：

图4中上方实线为原来的考虑车队影响策略，图4中下方虚线为本发明的考虑车队影响而且采用空挡滑行策略的仿真结果，结果表明，由于采用了空挡滑行，可以有效的减少油耗，实现经济性驾驶。