基于实车数据的CACc车辆队列纵向控制测试平台 邓晓峰',赵祥模’,田彬',徐志刚',张宇琴 (1.长安大学车联网教育部一中国移动联合实睑室,陕西西安710064) 摘要:随着电子商务的发展和网络购物需求的增加,道路物流运输压力不断增大。 车辆队列技术是解决这一问题的关键,该技术能够有效提高道路交通的安全性与通 行效率,是当前缓解交通拥堵、减轻污染与节约能源的重要手段。协同式自适应巡 航控制( Cooperat i veAdapt i veCrui Control,CAC)利用车辆间无线通信技术为车 辆编队提供了有效的编队方法。然而,由于该技术的实地测试成本过高、场景受限 并具有一定的危险性,CAG车辆队列纵向控制的测试是一个难题。因此,本文搭建 了∂AC∂车辆队列纵向控制半物理测试平台,实现了真实车辆数据,真实无线通信 传输与车辆队列仿真平台的结合,在尽可能贴近真实的交通状况和网络状况下降低 了测试成本与风险,并在此平台上研究多种交通场景下不同的通信延时对车辆队列 纵向控制性能的影响。结果表明,该測测试平台利用实车数据得出的测试结果,与理 论推导的结果相吻合。 关镳词:车辆队列;协同式自适应巡航控制;实车数据;纵向控制 中图分类号:TP302 CACC Platoon Longitudinal Control Test Platform based on realvehicle data Deng Xiao-feng, Zhao Xiang-mo, Tian Bin Xu Zhi-gang, Zhang Yu-qin (1.JointLaboratoryforInternetofvehicles MinistryofEducation& ChinaMobile Communications Corporation, Chang'an University, Xian, 710064) Abstract: Withthedevelopmentofe-commerceandtheincreasingdemandforonlineshopping, the pressure of logistics transportation continues to rise. Vehicle platoons the key to solve this problem. This technologycan effectively improve thesafety and efficiencyofroadtraffic, which is an important means to alleviate traffic congestion, reduce pollution and save energy. CACC idesanefficientmethodforvehicleplatooning usinginter-vehiclewirelesscommunicationtechnology. However, duetothehigh limitedscenariosandcertainrisksoffieldtest CACC longitudinalcontroltestisstilladifficultproblem. Therefore, this paper builds a CACC platoon itudinal control semi-physical test platform, which succeedincombining real vehicle data real wirelesscommunicationtransmission and vehicleplatoonsimulation platform, reducing the (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
基于实车数据的 CACC 车辆队列纵向控制测试平台 邓晓峰 1 ，赵祥模 1 ，田彬 1 ，徐志刚 1 ，张宇琴 1 （1. 长安大学 车联网教育部—中国移动联合实验室，陕西西安 710064） 摘 要： 随着电子商务的发展和网络购物需求的增加，道路物流运输压力不断增大。 车辆队列技术是解决这一问题的关键，该技术能够有效提高道路交通的安全性与通 行效率，是当前缓解交通拥堵、减轻污染与节约能源的重要手段。协同式自适应巡 航控制(CooperativeAdaptiveCruiseControl, CACC)利用车辆间无线通信技术为车 辆编队提供了有效的编队方法。然而，由于该技术的实地测试成本过高、场景受限 并具有一定的危险性，CACC 车辆队列纵向控制的测试是一个难题。因此，本文搭建 了 CACC 车辆队列纵向控制半物理测试平台，实现了真实车辆数据，真实无线通信 传输与车辆队列仿真平台的结合，在尽可能贴近真实的交通状况和网络状况下降低 了测试成本与风险，并在此平台上研究多种交通场景下不同的通信延时对车辆队列 纵向控制性能的影响。结果表明，该测试平台利用实车数据得出的测试结果，与理 论推导的结果相吻合。 关键词： 车辆队列；协同式自适应巡航控制；实车数据；纵向控制 中图分类号：TP302 CACC Platoon Longitudinal Control Test Platform based on RealVehicle Data DengXiao-feng1 , Zhao Xiang-mo1 ,Tian Bin1 ,Xu Zhi-gang1 ,Zhang Yu-qin1 (1.JointLaboratoryforInternetofVehicles, MinistryofEducation&ChinaMobileCommunicationsCorporation, Chang’an University, Xi’an, 710064） Abstract: Withthedevelopmentofe-commerceandtheincreasingdemandforonlineshopping, the pressure of logistics transportation continues to rise.Vehicle platoonis the key to solve this problem. This technologycan effectively improve thesafety and efficiencyofroadtraffic, which is an important means to alleviate traffic congestion, reduce pollution and save energy. CACC providesanefficientmethodforvehicleplatooning by usinginter-vehiclewirelesscommunicationtechnology.However,duetothehigh costs, limitedscenariosandcertainrisksoffieldtest, the CACC platoon longitudinalcontroltestisstilladifficultproblem.Therefore, this paper builds a CACC platoon longitudinal control semi-physical test platform, which succeedincombining real vehicle data, real wirelesscommunicationtransmission and vehicleplatoonsimulation platform, reducing the
costs and risksofthe experiment as closer as possible to the real traffic andnetworkconditions and do researchonthe effects of different communication delays on the longitudinal control ormance vehicle platoon varIous scenarios. Theresultsshowthatthetestresultsobtainedb platformusingrealvehicledataareconsistentwiththetheoreticalderivationresults key words: vehicle platoon; CACC; realvehicle data; longitudinal control 、引言 近年来,随着我国国民经济的快速增长,人民群众对网络购物的需求与日俱增,道路物 流运输压力不断增大。与此同时带来的一系列交通问题也越来越突出:交通拥堵严重、事故 频发、环境污染等已经成为许多城市所面临的难题。 为了解决上述难题,研究人员提出了车辆编队策略,基本思想是通过车车通信(2V)的 方式实现车辆协同驾驶,研究表明车辆队列能够有效提高车辆安全性与通行效率、缩短行驶 时间、减少油耗,同时缓解交通拥堵,减轻污染并提高驾驶舒适性习。协同式自适应巡航 控制( Cooperative Adaptive Cruise Control,CACC)是目前主流的车辆编队方法,随着车载通信 技术的快速发展,CACC能够使车辆在行驶过程中获得前方车辆的速度、加速度、相对距离 等信息,达到跟随前方车辆行驶的目的。与传统ACC技术相比,CACC能够显著地减小车辆 稳定跟驰时的间距,同时也能够有效地稳定车辆队列的速度、减小波动,以提高驾驶舒适性, 对提高交通安全有显著意义。 目前已经有许多针对车辆队列的实车测试,Demo2000于2000年11月在一条配备5辆自 动驾驶汽车的试车道上举行,演示了包括停止、启动、编队、融合以及避障等场景阿 GCDC2011专注于基本车辆编队,包括如何形成与维持车辆队列等:而GCDC2016则更加注 重协同驾驶方面,重点演示了车辆队列融合以及交叉口协同通行两个场景,加速了在真实交 通环境下引入CACC车辆队列的进程9 但是实车测试也暴露出了一系列问题,如车辆队列的规模受限,且当前符合测试条件的 测试道路少、测试场景单一等等。因此,我们提出一种CACC车辆队列纵向控制的半物理测 试平台。其中,头车动态数据由真实车辆获得,由头车相连的DSRC设备发给后车的DSRC 设备,后车DSRC设备接收到之后可以计算真实DSRC信道的通信延时及丢包率;将头车数 据导入到 Plex车辆队列仿真平台中,本文中上位机纵向控制器采用CACC恒定时距策略 ( Constant Time Gap,CIG),利用现有下位机纵向控制器模拟出后车的动态跟驰过程,从而可 以实现真实头车数据与仿真平台的结合,进而可以实现多种测试场景(跟驰间距,城市地图, 高速公路)、多种上位机控制器以及多种通信延时条件下的测试。将测试结果与相关理论分 析10进行比较,可以更好的印证理论分析的结论。车辆DSRC通信延时及丢包率测试场景见 图1 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
costs and risksofthe experiment as closer as possible to the real traffic andnetworkconditions, and do researchonthe effects of different communication delays on the longitudinal control performance of the vehicle platoon in various traffic scenarios.Theresultsshowthatthetestresultsobtainedby the test platformusingrealvehicledataareconsistentwiththetheoreticalderivationresults. key words: vehicle platoon; CACC; realvehicle data; longitudinal control 一、引言 近年来，随着我国国民经济的快速增长，人民群众对网络购物的需求与日俱增，道路物 流运输压力不断增大。与此同时带来的一系列交通问题也越来越突出：交通拥堵严重、事故 频发、环境污染等已经成为许多城市所面临的难题。 为了解决上述难题，研究人员提出了车辆编队策略，基本思想是通过车车通信(V2V)的 方式实现车辆协同驾驶，研究表明车辆队列能够有效提高车辆安全性与通行效率、缩短行驶 时间、减少油耗，同时缓解交通拥堵，减轻污染并提高驾驶舒适性[1-3]。协同式自适应巡航 控制(Cooperative Adaptive Cruise Control, CACC)是目前主流的车辆编队方法，随着车载通信 技术的快速发展，CACC能够使车辆在行驶过程中获得前方车辆的速度、加速度、相对距离 等信息，达到跟随前方车辆行驶的目的。与传统ACC技术相比，CACC能够显著地减小车辆 稳定跟驰时的间距，同时也能够有效地稳定车辆队列的速度、减小波动，以提高驾驶舒适性， 对提高交通安全有显著意义[4,5]。 目前已经有许多针对车辆队列的实车测试，Demo 2000于2000年11月在一条配备5辆自 动驾驶汽车的试车道上举行，演示了包括停止、启动、编队、融合以及避障等场景[6]。 GCDC2011专注于基本车辆编队，包括如何形成与维持车辆队列等；而GCDC2016则更加注 重协同驾驶方面，重点演示了车辆队列融合以及交叉口协同通行两个场景，加速了在真实交 通环境下引入CACC车辆队列的进程[7-9]。 但是实车测试也暴露出了一系列问题，如车辆队列的规模受限，且当前符合测试条件的 测试道路少、测试场景单一等等。因此，我们提出一种CACC车辆队列纵向控制的半物理测 试平台。其中，头车动态数据由真实车辆获得，由头车相连的DSRC设备发给后车的DSRC 设备，后车DSRC设备接收到之后可以计算真实DSRC信道的通信延时及丢包率；将头车数 据导入到Plexe车辆队列仿真平台中，本文中上位机纵向控制器采用CACC恒定时距策略 (Constant Time Gap, CTG)，利用现有下位机纵向控制器模拟出后车的动态跟驰过程，从而可 以实现真实头车数据与仿真平台的结合，进而可以实现多种测试场景（跟驰间距，城市地图， 高速公路）、多种上位机控制器以及多种通信延时条件下的测试。将测试结果与相关理论分 析[10]进行比较，可以更好的印证理论分析的结论。车辆DSRC通信延时及丢包率测试场景见 图1
图1车辆DsRC通信延时及丢包率测试 二、CAcG车辆队列纵向控制测试平台 (一)头车数据获取模块 本文中头车数据获取是利用北理慧动单片机控制器连接车辆CAN总线,并通过MOXA NPort5110串口服务器连接上位机,能够获取当前车辆的方向盘角度、车速、转向灯状态 发动机转速、使用档位等关键信息。测试过程中上位机每隔0.ls读取并保存一次车辆CAN总 线的数据,保存格式见图 015 1647 4863 编号(16) 使用柄位(8)使用档位(8) 接收时间(64) 车速(32) 左后轮速(32) 右后轮速(32) 紧急制动(8)左转向灯(8)右转向灯(8)制动踏板(8) ESC右油压(32) ESC故障(8)ESC过热(⑧8) 图2车辆CAN总线数据保存格式(单位:bit) (二)无线通信模块 本文中头车与跟随车辆使用的无线通信模块均是金溢车载专用短程通信(DSRC)设备 WB-120B,该设备工作于58-49GHz微波频段,支持EEE802.1lp、IEEE1609x及SAE-J2735 等标准协议栈,用于实现车车(V2V)、车路(V2D)和车人(V2P)等各种Ⅴ2X通信功能。测试过 程中由头车的DSRC设备将保存好的头车数据每隔0.ls(设置发送频率为10Hz)发送到跟随车 辆的DSRC设备上,通过发送/接收时间戳与消息发送/接收序号计算真实DSRC信道的通信延 时及丢包率。WB-120B的主要参数见表1。 表1靶-1208主夏参数 参数 规格内容 IEEE 802. llp 支持标准 IEEE1609.2-4 SAE J2735 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
图 1 车辆 DSRC 通信延时及丢包率测试 二、CACC 车辆队列纵向控制测试平台 （一）头车数据获取模块 本文中头车数据获取是利用北理慧动单片机控制器连接车辆CAN总线，并通过MOXA NPort 5110串口服务器连接上位机，能够获取当前车辆的方向盘角度、车速、转向灯状态、 发动机转速、使用档位等关键信息。测试过程中上位机每隔0.1s读取并保存一次车辆CAN总 线的数据，保存格式见图2。 015 1647 4863 编号(16) 方向盘角度(32) 使用柄位(8) 使用档位(8) 接收时间(64) 车速(32) 左后轮速(32) 右后轮速(32) 紧急制动(8) 左转向灯(8) 右转向灯(8) 制动踏板(8) 发动机转速(32) ESC左油压(32) ESC右油压(32) ESC故障(8) ESC过热(8) 图 2 车辆 CAN 总线数据保存格式（单位：bit） （二）无线通信模块 本文中头车与跟随车辆使用的无线通信模块均是金溢车载专用短程通信(DSRC)设备 WB-120B，该设备工作于5.8-4.9GHz微波频段，支持IEEE 802.11p、IEEE 1609.x及SAE-J2735 等标准协议栈，用于实现车车(V2V)、车路(V2I)和车人(V2P)等各种V2X通信功能。测试过 程中由头车的DSRC设备将保存好的头车数据每隔0.1s(设置发送频率为10Hz)发送到跟随车 辆的DSRC设备上，通过发送/接收时间戳与消息发送/接收序号计算真实DSRC信道的通信延 时及丢包率。WB-120B的主要参数见表1。 表1 WB-120B主要参数 参数 规格内容 支持标准 IEEE 802.11p IEEE 1609.2-4 SAE J2735
最大输出功率 +23dBm(不包含天线增益与调节) 作频率:5.850GHz-5.925GH 通信距离:800m DSRC参数 延时:平均低于10ms(4096bit负载) 数据速率:3M,4.5M,6M,9M,12M,18M,24M,27Mbps 信道带宽:10M(172184),20M V2X接口:DSRC,3G/4G移动数据通信 外部接口 主机接口:RJ45,WIFI, Bluetooth 汽车接口:CAN,RS232 (三) Plex车辆队列仿真模块 Plex是基于 Veins的开源车载网络仿真平台,它不仅继承了 Veins详细的IEE802.lp和 IEEE 16094 DSRC/WAVE协议栈用以实现车载网络的真实模拟,而且具有逼真的车辆动力 学和多种巡航控制模型,能够真实地模拟车辆队列跟驰系统。在 Veins的基础上, Plex能够 轻松生成和分析大规模以及混合交通流场景,这对研究部署自动车辆队列跟驰系统意重大, 因为混合交通流是传统驾驶过度到自动驾驶所必须经历的发展过程。此外,Pexe易于拓展 且拥有丰富的文档注释,还提供了实例用以演示如何使用及修改Demo,被广泛应用于车辆 控制理论与车载网络领域研究中 (四)CACC恒定时距策略 本文中上位机纵向控制器采用CACC恒定时距策略,利用头车通过无线通信传来的加速 度、速度以及跟随车辆传感器检测到的车距信息计算出跟随车辆的期望加速度u k。an+k,(vn-v)+k2(g 其中,k。、k、k分别为加速度增益、速度增益与间距增益;a、v为前车的加速度 与速度;v为跟随车辆的速度;g为跟随车辆与前车之前的间距;G=为定义的最小安全车 距:T为恒定时距。 根据我们此前关于通信延时建模的工作,当r=045,72=1s时,且CACC恒定时距 策略参数取k。=02,k,=0.75,k2=025,Gm=2m,则其通信延时的边界在025。以此理论值 为依据,我们利用提出的测试平台开展进一步测试工作。 三、测试结果 本文主要进行三个场景的测试:加速-巡航-减速场景,急刹车场景以及DSRC信道的通 信延时及丢包率测试。其中前两个场景是将头车数据导入Pexe车辆队列仿真平台,作为仿 真场景下的头车,利用仿真平台内的下位机纵向控制器模拟出跟随车辆的动态跟驰过程,通 过设置不同的通信延时并分析其跟驰过程能够得出保证车辆队列安全跟驰的通信延时边界 第三个场景是利用DSRC设备将头车的数据发送到跟随车辆上,达到计算真实DSRC信道的 通信延时及丢包率的目的 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
最大输出功率 +23dBm(不包含天线增益与调节) DSRC参数 工作频率：5.850GHz-5.925GHz 通信距离：800m 延时：平均低于10ms(4096bit负载) 数据速率：3M,4.5M,6M,9M,12M,18M,24M,27Mbps 信道带宽：10M(172~184),20M 外部接口 V2X接口：DSRC,3G/4G移动数据通信 主机接口：RJ45,WIFI,Bluetooth 汽车接口：CAN,RS232 外设接口：USB （三）Plexe 车辆队列仿真模块 Plexe是基于Veins的开源车载网络仿真平台，它不仅继承了Veins详细的IEEE 802.11p和 IEEE 1609.4 DSRC/WAVE协议栈用以实现车载网络的真实模拟，而且具有逼真的车辆动力 学和多种巡航控制模型，能够真实地模拟车辆队列跟驰系统。在Veins的基础上，Plexe能够 轻松生成和分析大规模以及混合交通流场景，这对研究部署自动车辆队列跟驰系统意重大， 因为混合交通流是传统驾驶过度到自动驾驶所必须经历的发展过程。此外，Plexe易于拓展 且拥有丰富的文档注释，还提供了实例用以演示如何使用及修改Demo，被广泛应用于车辆 控制理论与车载网络领域研究中。 （四）CACC 恒定时距策略 本文中上位机纵向控制器采用CACC恒定时距策略，利用头车通过无线通信传来的加速 度、速度以及跟随车辆传感器检测到的车距信息计算出跟随车辆的期望加速度 id u : min ( )( ) id a p v p g g u k a k v v k g G vT （1） 其中， a k 、 v k 、 g k 分别为加速度增益、速度增益与间距增益； p a 、 p v 为前车的加速度 与速度；v 为跟随车辆的速度； g 为跟随车辆与前车之前的间距；Gmin 为定义的最小安全车 距；Tg 为恒定时距。 根据我们此前关于通信延时建模的工作[10]，当 0.4s ， 1 T s g 时，且CACC恒定时距 策略参数取 av g = 0.2, 0.75, 0.25, 2 min k k k Gm ，则其通信延时的边界在0.25s。以此理论值 为依据，我们利用提出的测试平台开展进一步测试工作。 三、测试结果 本文主要进行三个场景的测试：加速-巡航-减速场景，急刹车场景以及DSRC信道的通 信延时及丢包率测试。其中前两个场景是将头车数据导入Plexe车辆队列仿真平台，作为仿 真场景下的头车，利用仿真平台内的下位机纵向控制器模拟出跟随车辆的动态跟驰过程，通 过设置不同的通信延时并分析其跟驰过程能够得出保证车辆队列安全跟驰的通信延时边界。 第三个场景是利用DSRC设备将头车的数据发送到跟随车辆上，达到计算真实DSRC信道的 通信延时及丢包率的目的
(一)加速-巡航减速场景测试 实验场地为一条长约600m的直线单车道,在0~50m阶段驾驶头车尽量均加速至40km/h, 保持车速巡航至40m处,而后控制车辆缓慢减速行至终点位置停车。将整个行程中头车CAN 总线的数据保存下来,而后将其中头车的速度信息导入 Plex车辆队列仿真平台,观察、保 存并分析模拟跟驰过程 参数选取:动力传动系统时间常数r=04s;通信延时 delay=0~ls,步长为0.1s:CACC 恒定时距策略参数k。=02,k=0.75,k2=025,Gm=2m,T=l 通信延时为0s0.50.9s时的跟驰速度、加速度及间距结果见图3 Acceleration results Gap results with different delays 图3加速巡航减速场景下跟驰速度、加速度及间距仿真结果( delay=0s,0.5s,0.9s 仿真结果表明,随着通信延时的增大,车辆队列纵向控制的效果变差,具体表现为:跟 随车辆的速度波动更大,加速度变化更加剧烈且跟驰间距增大。当通信延时达到09s时,加 速-巡航-减速场景下的跟随车辆于81.3ls时刻与头车发生了碰撞。这与理论结果相差甚远。 原因是,在此测试中,头车运动震荡频率比较小,而理论推导出的延时边界是在头车动态震 荡角频率最大取2rad/s的情况下计算出来的。因此,实际测试表明,车辆的速度和加速度 的变化特征也是影响通信延时边界的一个实际因素 (二)急刹车场景测试 实验场地为一条长约600m的直线单车道,在0400m阶段驾驶头车加速至60km/h,越过 400m标志后,在保证安全的前提下进行急刹车。将整个行程中头车CAN总线的数据保存下 来,而后将其中头车的速度信息导入 Plex车辆队列仿真平台,观察、保存并分析模拟跟驰 过程 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
（一） 加速-巡航-减速场景测试 实验场地为一条长约600m的直线单车道，在0~50m阶段驾驶头车尽量均加速至40km/h， 保持车速巡航至400m处，而后控制车辆缓慢减速行至终点位置停车。将整个行程中头车CAN 总线的数据保存下来，而后将其中头车的速度信息导入Plexe车辆队列仿真平台，观察、保 存并分析模拟跟驰过程。 参数选取：动力传动系统时间常数 0.4s ；通信延时 delay s 0~1 ，步长为0.1s；CACC 恒定时距策略参数 av g g = 0.2, 0.75, 0.25, 2 , 1 min k k k G mT s 。 通信延时为0s,0.5s,0.9s时的跟驰速度、加速度及间距结果见图3。 图 3 加速-巡航-减速场景下跟驰速度、加速度及间距仿真结果(delay=0s,0.5s,0.9s) 仿真结果表明，随着通信延时的增大，车辆队列纵向控制的效果变差，具体表现为：跟 随车辆的速度波动更大，加速度变化更加剧烈且跟驰间距增大。当通信延时达到0.9s时，加 速-巡航-减速场景下的跟随车辆于81.31s时刻与头车发生了碰撞。这与理论结果相差甚远。 原因是，在此测试中，头车运动震荡频率比较小，而理论推导出的延时边界是在头车动态震 荡角频率最大取 2 rad/s 的情况下计算出来的。因此，实际测试表明，车辆的速度和加速度 的变化特征也是影响通信延时边界的一个实际因素。 （二） 急刹车场景测试 实验场地为一条长约600m的直线单车道，在0~400m阶段驾驶头车加速至60km/h，越过 400m标志后，在保证安全的前提下进行急刹车。将整个行程中头车CAN总线的数据保存下 来，而后将其中头车的速度信息导入Plexe车辆队列仿真平台，观察、保存并分析模拟跟驰 过程