專利名稱：車輛跟馳運(yùn)動(dòng)的加速度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種用于車輛工程技術(shù)領(lǐng)域的車輛跟馳運(yùn)動(dòng)的控制方法，特別是一種車輛跟馳運(yùn)動(dòng)的加速度控制方法。
背景技術(shù)：
一直以來(lái)，車輛跟馳研究就是以研究車輛隊(duì)列中個(gè)體車輛的駕駛行為為主的。通常，當(dāng)一個(gè)駕駛員發(fā)現(xiàn)其相鄰前車比他快時(shí)，總是希望加快自己的速度，并且兩車間的距離越大，對(duì)加速度(或減速度)的調(diào)整越大；反之當(dāng)駕駛員發(fā)現(xiàn)其前車速度比他慢時(shí)，會(huì)減慢速度以避免碰撞，這時(shí)，兩車間的距離越小，對(duì)加速度(或減速度)的調(diào)整越大。假定屬性一致的車輛在一條封閉且足夠長(zhǎng)的單行車道上列隊(duì)行駛，相互間不能超車，傳統(tǒng)的車輛跟馳理論認(rèn)為每個(gè)駕駛員以某種方式對(duì)來(lái)自于其前方車輛的刺激進(jìn)行反應(yīng)，這種反應(yīng)往往被描述成車輛加速度的形式；其他的，如前方車輛的刺激等，則被描述為是兩車間的速度差，或車頭間距(車輛隊(duì)列中相鄰兩車頭之間的距離)等變量的函數(shù)。通常，這種后車跟隨前車的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)描述后車加速度變化的運(yùn)動(dòng)方程來(lái)決定。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，M.Bando，K.Hasebe，A.Nakayama，Dynamicalmodel of traffic congestion and numerical simulation(“交通擁塞動(dòng)態(tài)模型及數(shù)值仿真”)，Physical ReviewE，1995，511035-1042。作為描述車輛跟馳運(yùn)動(dòng)的一個(gè)有效方法，優(yōu)化速度車輛跟馳模型OVM，用在t時(shí)刻車輛的實(shí)際速度與其優(yōu)化速度之間的差來(lái)控制其在t+τ時(shí)刻的加速度變化(τ為駕駛員反應(yīng)時(shí)間)，該方法不僅表達(dá)的形式簡(jiǎn)單，易于理解和處理，而且也融合了傳統(tǒng)跟馳模型的優(yōu)點(diǎn)。然而OVM在模擬一些特殊的交通情形(例如勻速行駛的車輛隊(duì)列前方出現(xiàn)一輛慢車)，當(dāng)τ大于一定值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)車速急劇震蕩甚至車輛碰撞的現(xiàn)象。根據(jù)調(diào)查，駕駛員實(shí)際的反應(yīng)時(shí)間至少為0.75s，而OVM中所能取到的駕駛員反應(yīng)時(shí)間(小于0.3s)遠(yuǎn)小于這個(gè)取值。OVM的這一不足之處在Davis提出的MOV模型中得到了改善(LC.Davis，Modifications of the optimal velocity traffic model to include delaydue to driver reaction time(“考慮了駕駛員反應(yīng)時(shí)間的優(yōu)化速度交通模型的改進(jìn)”)。Physica A，2003，319557-567)。在描述相同的交通情形時(shí)，MOV可以取到符合實(shí)際的駕駛員反應(yīng)時(shí)間值(1s左右)，但是仍會(huì)出現(xiàn)十分嚴(yán)重的車速震蕩現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上技術(shù)中的不足，我們給出了一種改良的車輛跟馳運(yùn)動(dòng)加速度控制方法。使其避免運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)車速振蕩甚至車輛碰撞的現(xiàn)象，因此主要的考察對(duì)象是車速vn(t)，要保證運(yùn)動(dòng)過(guò)程車速不會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，在模擬類似交通情形時(shí)可以取到符合實(shí)際的反應(yīng)時(shí)間值同時(shí)不會(huì)出現(xiàn)車速震蕩的現(xiàn)象。
本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明的方法步驟如下(1)交通情形設(shè)定，通過(guò)運(yùn)動(dòng)可控的干擾車來(lái)設(shè)定需要模擬的交通情形；(2)選取參數(shù)值，根據(jù)設(shè)定的交通情形選取描述加速度控制方法的運(yùn)動(dòng)方程中未知參數(shù)的取值，包括參數(shù)速度松弛時(shí)間的倒數(shù)α、調(diào)節(jié)系數(shù)β、駕駛員反應(yīng)時(shí)間τ、加速度調(diào)節(jié)時(shí)間τ1以及優(yōu)化速度函數(shù)V和加速度調(diào)節(jié)函數(shù)G的表達(dá)形式；(3)獲取所有車輛的初始狀態(tài)，車輛n在時(shí)刻t(t≥0)的狀態(tài)由其所在位置xn(t)、速度vn(t)以及加速度an(t)共同定義，n＝1，…，N，N為所有車輛的總數(shù)。在這一步驟中t＝0，即確定xn(0)、vn(0)和an(0)，n＝1，…，N；(4)考察t＞0時(shí)車輛隊(duì)列的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，假定干擾車按照預(yù)先指定的方案運(yùn)動(dòng)，而車輛隊(duì)列中的車輛按照本發(fā)明中提出的加速度控制方法進(jìn)行跟馳運(yùn)動(dòng)，考察t＞0時(shí)所有車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)車輛的速度與位置xn(t)、vn(t)和an(t)，n＝1，…，N。
所述的加速度控制方法，其運(yùn)動(dòng)方程an(t)＝α(V(xn-1(t-τ)-xn(t-τ))-vn(t-τ))+βG(vn-1(t-τ1)-vn(t-τ1)，xn-1(t-τ1)-xn(t-τ1))其中n＝2，…，N；α為速度松弛時(shí)間—指駕駛員將速度變化到某個(gè)確定的速度所用的時(shí)間，Tr的倒數(shù)；V為優(yōu)化速度函數(shù)；β為正常數(shù)，表示駕駛員為適應(yīng)當(dāng)前交通狀況而進(jìn)行的調(diào)節(jié)系數(shù)；G加速度調(diào)節(jié)函數(shù)；τ1為加速度調(diào)節(jié)時(shí)間。
所述的所有車輛的速度與位置，其計(jì)算公式速度vn(t)＝vn(t-Δt)+an(t-Δt)×Δt，n＝1，…，N；位置xn(t)＝xn(t-Δt)+vn(t-Δt)×Δt+1/2×an(t-Δt)×(Δt)2，n＝1，…，N。
相較于OVM，本發(fā)明中車輛跟馳運(yùn)動(dòng)加速度控制方法的運(yùn)動(dòng)方程加入了調(diào)節(jié)項(xiàng)(即運(yùn)動(dòng)方程右面第二項(xiàng))，并引入了加速度調(diào)節(jié)時(shí)間的概念。
調(diào)節(jié)函數(shù)G(x，y)滿足與x具有相同的正負(fù)且分別關(guān)于x和y是單調(diào)遞增的，G的加入表示當(dāng)駕駛員發(fā)現(xiàn)其相鄰前車比他快時(shí)，他總是希望加快自己的速度，并且車頭間距越大，G的值越大以獲得較大的加速度(或較小的減速度)；反之當(dāng)駕駛員發(fā)現(xiàn)其前車速度比他慢時(shí)，他會(huì)減慢速度以避免碰撞，這時(shí)，車頭間距越小，G的值越小以獲得較小的加速度(或較大的減速度)。
加速度調(diào)節(jié)時(shí)間τ1的加入表示駕駛員根據(jù)t-τ時(shí)刻的刺激和t-τ1時(shí)刻的調(diào)節(jié)來(lái)決定時(shí)刻t的行為。實(shí)際上，在時(shí)刻t-τ1，若前車速度大于跟車速度，則函數(shù)G的取值在時(shí)刻t應(yīng)該為正以得到更大的加速度或更小的減速度，并且在時(shí)刻t-τ1的車頭間距越大，G值也應(yīng)該越大；反之，在時(shí)刻t-τ1，若前車速度小于跟車速度，則G值在時(shí)刻t應(yīng)該為負(fù)以得到更小的加速度或更大的減速度，同樣在時(shí)刻t-τ1的車頭間距越大，G值也應(yīng)該越大。
本發(fā)明方法使得在模擬類似交通情形時(shí)可以取到符合實(shí)際的反應(yīng)時(shí)間值同時(shí)不會(huì)出現(xiàn)車速震蕩甚至車輛碰撞的現(xiàn)象，并且易于理解和處理。


圖1.本發(fā)明中車輛隊(duì)列跟馳運(yùn)動(dòng)示意2.本發(fā)明實(shí)施例1中應(yīng)用反應(yīng)時(shí)間為1s時(shí)部分跟車的速度曲線圖其中β＝3.5s-1，Tr＝40s。
圖3.實(shí)施例1中應(yīng)用反應(yīng)時(shí)間為1s時(shí)本發(fā)明方法與OVM部分跟車的速度曲線比較圖其中β＝3.5s-1，Tr＝10s。
圖4.本發(fā)明實(shí)施例2中應(yīng)用反應(yīng)時(shí)間為1s時(shí)部分跟車的速度曲線圖其中β＝1.5s-1，Tr＝10s。
圖5.實(shí)施例2中應(yīng)用反應(yīng)時(shí)間為1s時(shí)本發(fā)明方法與OVM部分跟車的速度曲線比較圖其中β＝1.5s-1，Tr＝10s。
具體實(shí)施例方式
為了更好地理解本發(fā)明提出的方法，選取兩種典型的交通狀況來(lái)進(jìn)行模擬，結(jié)合附圖1、2、3、4、5與實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)的敘述。
實(shí)施例1勻速行駛的車輛隊(duì)列前方出現(xiàn)一輛慢車。
(1)交通情形設(shè)定選取一列正勻速行駛的車輛隊(duì)列，車間距均為h0＝25m；設(shè)定零時(shí)刻(初始時(shí)刻)時(shí)在車輛隊(duì)列的前方距離為25m處出現(xiàn)慢車，慢車將一直保持較低速的勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。車輛總數(shù)為N＝500，慢車編號(hào)為1，按行駛方向依次為車輛編號(hào)。
(2)選取參數(shù)值根據(jù)以上設(shè)定，選取α＝1/40s-1、β＝3.5s-1、τ＝1s、τ1＝0.1s以及V(Δxn(t-τ))＝16.8(tanh(0.0860(Δxn(t-τ)-25))+0.913)G(Δvn(t-τ1),Δxn(t-τ1))=Δvn(t-τ1)(1+(tanh(Δxn(t-τ1)-25))3),Δvn(t-τ1)≥0;Δvn(t-τ1)(1-(tanh(Δxn(t-τ1)-25))3),Δvn(t-τ1)<0.]]>其中，Δxn(·)＝xn-1(·)-xn(·)，Δvn(·)＝vn-1(·)-vn(·)，n＝2，...，N。
(3)獲取所有車輛的初始狀態(tài)根據(jù)步驟(1)和(2)，令x1(0)＝0m，v1(0)＝14m/s，a1(0)＝0m/s2；xn(0)＝-(n-1)×25m，vn(0)＝V(h0)＝15.34m/s，an(0)＝0m/s2，n＝2，…，N。
(4)考察t＞0時(shí)車輛隊(duì)列的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)根據(jù)步驟(1)，頭車(慢車)以勻速14m/s行進(jìn)。車輛隊(duì)列中的車(第2到第N輛車)按照本發(fā)明中提出的加速度控制方法進(jìn)行跟馳運(yùn)動(dòng)，圖2即為通過(guò)計(jì)算得到的相當(dāng)時(shí)間內(nèi)部分跟車的速度曲線，從圖中可以看出沒有出現(xiàn)振蕩和負(fù)值(即車輛發(fā)生碰撞)的現(xiàn)象，并且即使對(duì)很大的車輛數(shù)(第500輛車)，車速也是在可以接受的范圍之內(nèi)的。
圖3為通過(guò)計(jì)算得到的相當(dāng)時(shí)間內(nèi)本發(fā)明方法和OVM實(shí)施例1部分跟車的速度比較曲線，從中可以看出本發(fā)明方法消除了OVM中的車輛速度為負(fù)的這一不合實(shí)際的現(xiàn)象。
實(shí)施例2交通燈前等待的車輛隊(duì)列在紅燈變綠后的運(yùn)動(dòng)(1)交通情形設(shè)定選取一列等待的車輛隊(duì)列，車間距均為h0＝7m；設(shè)定零時(shí)刻(初始時(shí)刻)時(shí)停在車輛隊(duì)列的前方距離為7m處的干擾車以加速度5m/s2一直加速到15m/s，然后一直保持勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)車輛隊(duì)列啟動(dòng)。車輛總數(shù)為N＝500，同樣干擾車編號(hào)為1，按行駛方向依次為車輛編號(hào)。
(2)選取參數(shù)值根據(jù)以上設(shè)定，選取α＝1/10s-1、β＝1.5s-1、τ＝1s、τ1＝0.1s以及V(Δxn(t-τ))＝16.8(tanh(0.0860(Δxn(t-τ)-25))+0.913)
G(Δvn(t-τ1),Δxn(t-τ1))=Δvn(t-τ1)(1+(tanh(Δxn(t-τ1)-25))3),Δvn(t-τ1)≥0;Δvn(t-τ1)(1-(tanh(Δxn(t-τ1)-25))3),Δvn(t-τ1)<0.]]>其中，Δxn(·)＝xn-1(·)-xn(·)，Δvn(·)＝vn-1(·)-vn(·)，n＝2，...，N。
(3)獲取所有車輛的初始狀態(tài)根據(jù)步驟(1)和(2)，令x1(0)＝0m，v1(0)＝0m/s，a1(0)＝0m/s2；xn(0)＝-(n-1)×7m，vn(0)＝0m/s，an(0)＝0m/s2，n＝2，…，N。
(4)考察t＞0時(shí)車輛隊(duì)列的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)根據(jù)步驟(1)，頭車先以加速度5m/s2加速到15m/s，然后勻速行進(jìn)。車輛隊(duì)列中的車(第2到第N輛車)按照本發(fā)明中提出的加速度控制方法進(jìn)行跟馳運(yùn)動(dòng)，圖4即為通過(guò)計(jì)算得到的相當(dāng)時(shí)間內(nèi)部分跟車的速度曲線，同樣在圖中沒有看到振蕩和負(fù)值的現(xiàn)象。
圖5為通過(guò)計(jì)算得到的相當(dāng)時(shí)間內(nèi)本發(fā)明方法和OVM實(shí)施例2部分跟車的速度比較曲線，同樣得出有益的效果。
從實(shí)施例中可以看出按照本發(fā)明提供的方法來(lái)控制車輛隊(duì)列跟馳運(yùn)動(dòng)的加速度，可以取到符合實(shí)際的駕駛員反應(yīng)時(shí)間值，避免了車輛間的碰撞和車速的振蕩。
權(quán)利要求
1.一種車輛跟馳運(yùn)動(dòng)的加速度控制方法，其特征在于，具體步驟如下(1)交通情形設(shè)定；(2)選取參數(shù)值；(3)獲取所有車輛的初始狀態(tài)，車輛n在時(shí)刻t(t≥0)的狀態(tài)由其所在位置xn(t)、速度vn(t)以及加速度an(t)共同定義，n＝1，…，N，N為所有車輛的總數(shù)，在這一步驟中t＝0，即確定xn(0)、vn(0)和an(0)，n＝1，…，N；(4)考察t＞0時(shí)車輛隊(duì)列的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，設(shè)定干擾車按照預(yù)先指定的方案運(yùn)動(dòng)，而車輛隊(duì)列中的車輛按照本發(fā)明中提出的加速度控制方法進(jìn)行跟馳運(yùn)動(dòng)，考察t＞0時(shí)所有車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)車輛的速度與位置xn(t)、vn(t)和an(t)，n＝1，…，N；所述的加速度控制方法，其運(yùn)動(dòng)方程an(t)＝α(V(xn-1(t-τ)-xn(t-τ))-vn(t-τ))+βG(vn-1(t-τ1)-vn(t-τ1)，xn-1(t-τ1)-xn(t-τ1))其中n＝2，…，N；α為速度松弛時(shí)間—指駕駛員將速度變化到某個(gè)確定的速度所用的時(shí)間，Tr的倒數(shù)；V為優(yōu)化速度函數(shù)；β為正常數(shù)，表示駕駛員為適應(yīng)當(dāng)前交通狀況而進(jìn)行的調(diào)節(jié)系數(shù)；G加速度調(diào)節(jié)函數(shù)；τ1為加速度調(diào)節(jié)時(shí)間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車輛跟馳運(yùn)動(dòng)的加速度控制方法，其特征是，所述的步驟(1)，是指通過(guò)運(yùn)動(dòng)可控的干擾車來(lái)設(shè)定需要模擬的交通情形設(shè)定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車輛跟馳運(yùn)動(dòng)的加速度控制方法，其特征是，所述的步驟(2)，根據(jù)設(shè)定的交通情形選取描述加速度控制方法的運(yùn)動(dòng)方程中未知參數(shù)的取值，包括參數(shù)速度松弛時(shí)間的倒數(shù)α、調(diào)節(jié)系數(shù)β、駕駛員反應(yīng)時(shí)間τ、加速度調(diào)節(jié)時(shí)間τ1以及優(yōu)化速度函數(shù)V和加速度調(diào)節(jié)函數(shù)G的表達(dá)形式選取參數(shù)值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車輛跟馳運(yùn)動(dòng)的加速度控制方法，其特征是，所述的所有車輛的速度與位置，其計(jì)算公式速度vn(t)＝vn(t-Δt)+an(t-Δt)×Δt，n＝1，…，N；位置xn(t)＝xn(t-Δt)+vn(t-Δt)×Δt+1/2×an(t-Δt)×(Δt)2，n＝1，…，N。
全文摘要
一種用于車輛工程技術(shù)領(lǐng)域的車輛跟馳運(yùn)動(dòng)的加速度控制方法。具體步驟如下(1)交通情形設(shè)定；(2)選取參數(shù)值；(3)獲取所有車輛的初始狀態(tài)，(4)考察t＞0時(shí)車輛隊(duì)列的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所述的加速度控制方法，其運(yùn)動(dòng)方程a
文檔編號(hào)G05B13/04GK1719354SQ20051002566
公開日2006年1月11日 申請(qǐng)日期2005年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月8日
發(fā)明者李莉, 施鵬飛 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)