考虑相邻车辆间速度差的车辆队列控制方法

摘要

本发明公开了一种考虑相邻车辆间速度差的车辆队列控制方法，首先建立单前车时队列的动力学模型，并构建期望间距策略，基于此设计出单前车时的一致性控制律。然后，基于单前车的一致性控制律，在考虑数据丢包情况下设计多前车时的一致性控制律，由此实现车辆队列的控制。本发明方法能够有效减少车辆速度波动，提高整体控制过程的经济性，能够提高车辆队列的稳定性与可行性。

说明书

技术领域

本发明涉及车辆队列控制方法领域，具体是考虑相邻车辆间速度差的车辆队列控制方法。

背景技术

车辆队列控制是网联车辆的研究方向之一，其实现网联车联的自动控制行进。目前，大多数车辆队列控制的研究是基于固定头车时距的间距策略，而为了维持固定间距会存在车辆速度波动的问题，过多的速度波动会导致车辆燃料资源浪费，因此现有大多数车辆队列控制的经济性并不理想。此外，由于车辆在行驶过程中常常会因为信道衰落，网络拥堵等通信技术的缺陷而导致数据包的丢失，进而影响车辆队列的稳定性。因此有必要针对减少速度波动和数据丢包这些目标，对车辆队列控制展开研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑相邻车辆间速度差的车辆队列控制方法，以解决现有技术固定间距的车辆队列控制方法存在的速度波动的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

考虑相邻车辆间速度差的车辆队列控制方法，包括以下步骤：

步骤1、设一组车队在行驶过程中包含n+1辆车，其中一个为领导车辆，记为编号0，其余为跟随车辆，以驱动/制动转矩视为控制输入，则可得到以下的车辆纵向动力学特性：

其中，p

设计线性反馈控制律如下：

其中，u

其中，a

则结合公式(2.10)和(2.12)，可将车辆队列系统改写为动力学模型如下所示：

其中，ζ

步骤2、定义新的期望间距策略如下所示：

d

其中，d为车辆静止时的安全间距，h＞0为固定头车时距，k＞0表示速度差的系数；当h＝0,k＝0时，期望间距策略采用固定距离策略，当h≠0,k＝0，期望间距表示为固定头车时距的策略；

L

e

对于车辆i，分别对公式(2)求一阶、二阶和三阶导，可得：

对于车辆i-1，其间距误差的一阶和二阶导表示为：

结合车辆动力学模型公式(2.13),化简得：

步骤3、设计单前车信息时的一致性控制律如下所示：

其中，a

将公式(6)带入公式(5)可得：

由此，基于所述一致性控制律如公式(7)所示，对单前车的车辆队列进行控制。

进一步的步骤1中，以车体被认为是刚体的且对称的，并忽略车辆轮胎纵向滑移、俯仰和偏航运动的影响，由此得到车辆纵向动力学特性如公式(2.10)所示。

进一步的步骤3中，设计的单前车信息时的一致性控制律的Laplacian误差传递函数可表示为：

其中s为Laplacian变量；

进一步的，还包括步骤4如下：

步骤4、多前车的队列中，每辆车都可以收到来自α个前车信息，当i≤α，可以收到α个前车信息，当i＞α时，可以收到i-α个前车信息；

由此，在公式(6)基础上，设计多前车时的一致性控制律如下所示：

其中k

由此，基于所述一致性控制律如公式(23)所示，对多前车的车辆队列进行控制。

进一步的步骤4中，结合公式(2.13)和控制律公式(23)，将其写成跟踪误差相关的式子，可得：

将公式(24)进行Laplacian变换，并写成误差传递函数可得：

其中，H

令k

其中，H

则多前车时的一致性控制律的误差传递函数可写为：

进一步的，在多前车情况中考虑数据丢包的影响，结合多前车时的一致性控制律公式(23)，设计如下丢包控制器：

其中

与现有技术相比，本发明充分考虑了相邻车辆间减少速度波动的需求，以此形成一种新型间距控制策略，能够有效减少车辆速度波动，提高整体控制过程的经济性。同时本发明找到了丢包率与间距策略的参数之间的关系，由此结合单前车、多前车情况下的队列控制策略，能够提高车辆队列的稳定性与可行性。

附图说明

图1是本发明实施例h＝0.6,k＝1时车辆队列跟踪性能图，其中：(a)是车辆位置跟踪图，(b)是车辆速度跟踪图，(c)是车辆加速度跟踪图。

图2是本发明实施例车辆间距误差图。

图3是本发明实施例h＝0.6,k＝0.6,ρ＝1车辆队列跟踪性能图，其中：(a)是车辆位置跟踪图，(b)是车辆速度跟踪图，(c)是车辆加速度跟踪图。

图4是本发明实施例h＝0.6,k＝0.6,ρ＝0.25车辆队列跟踪性能图，其中：(a)是车辆位置跟踪图，(b)是车辆速度跟踪图，(c)是车辆加速度跟踪图。

具体实施方式

本发明相较于现有技术的车辆间距策略，基于减少跟随车辆间的速度波动考虑，提出了一种考虑相邻车辆间速度差的车辆队列控制方法，以下结合实施例和附图进行进一步说明。

一、考虑单前车信息下的车辆队列控制

1、单前车的车辆队列模型

本发明设一组车队在行驶过程中包含n+1辆车，其中一个为领导车辆，记为编号0，其余为跟随车辆。对于每个跟随车辆i(i∈N)，纵向动力学模型中包括引擎作用力、制动力、驱动力、空气阻力、轮胎摩擦力、滚动阻力和重力等。为了讨论方便，本发明忽略轮胎纵向滑移，车体被认为是刚体的且对称的，俯仰和偏航运动的影响被忽略，并以驱动/制动转矩视为控制输入，则可得到以下的车辆纵向动力学特性：

其中，p

由于公式(2.10)含有非线性项，为简化分析，受文献：Zheng Y,Li S E,Wang J,etal.Stability and Scalability of Homogeneous Vehicular Platoon:Study on theInfluence of Information Flow Topologies[J].IEEE Transactions on IntelligentTransportation Systems,2015,17(1):14-26.的启发，设计线性反馈控制律如下所示：

其中，u

其中，a

结合公式(2.10)和(2.12)，可将车辆队列系统改写为：

2、定义新的期望间距策略如下所示：

d

其中，d为车辆静止时的安全间距，h＞0为固定头车时距，k＞0表示速度差的系数。当h＝0,k＝0时，期望间距策略就采用相同的固定距离策略(CS)，当h≠0,k＝0，期望间距就表示为固定头车时距的策略(CTH)，因而本发明提出的策略是这两种策略的一般形式。

L

e

对于车辆i，分别对公式(2)求一阶、二阶和三阶导，可得

对于车辆i-1，其间距误差的一阶和二阶导表示为：

结合车辆动力学模型公式(2.13),化简得：

3、控制律设计及稳定性分析

设计如下一致性控制律：

其中a

将(6)带入(5)可得：

其Laplacian误差传递函数H(s)可表示为：

由此，基于所述一致性控制律如公式(7)所示，对单前车的车辆队列进行控制。

4、下面对本发明单前车控制的有效性进行数学证明。

定理1：对于所有的k

证明：(一、证明必要性)在(8)中，令s＝jw，可得

在公式(8)中，D(s)对于ζ∈[0,ζ

由公式(10)可知，k

步骤一：证明k

(1)如果k

则

(2)如果k

很显然，当(k

因此，综上所述可知k

步骤二：接着证明

则可得到：

对于(14)，若：

(I)当ζ＝0时，则有：

((k

(II)当ζ∈(0,ζ

(A)2ζ(k

(B)在(14)中判别式Δ≤0

对于情形(A)，结合式子(15)，可得：

(1+k

公式(16)可化简为：

由于k

则

对于(B)，由Δ≤0可得：

则公式(19)化简可得：

综上所述，可得

如此对于任意给定的

(内稳定性：)对于

且由于k

(队列稳定性：)对于ζ＝0，由(15)可知，

k

则(21)可化简为

h(2k

则当

其中

对于ζ∈(0,ζ

则k

其中

为了保证

5、以下通过仿真实验对本发明单前车时的控制方法进行验证。

本发明验证控制律公式(6)所提出的优越性，选取n＝8辆跟随车辆以及1辆领导车辆共9辆车作为实验对象进行数值模拟。车队中每辆车的惯性延迟ζ＝0.5。L

案例一：当参数选择为k

案例二：当参数选择为k

案例三：k

二、考虑多前车信息和数据丢包时的车辆队列控制

本发明前述内容设计的控制器只考虑了单前车信息的车辆队列，对于含有与多前车信息交互的车辆队列更具有一般性，其间距误差的参数h+k的下限也值得分析。同时在数据丢包情况下，如何确定h+k与丢包率之间的关系也值得深思。

1、问题描述

本发明在公式(2.13)动力学模型的基础上，考虑多前车信息的车辆队列系统，每辆车都可以收到来自α个前车信息。特别地，当i≤α，可以收到α个前车信息，当i＞α时，可以收到i-α个前车信息。

2、控制律设计

在公式(6)的基础上，设计多前车信息的一致性控制律如下：

其中，k

结合公式(2.13)和公式(23)，将其写成跟踪误差相关的式子，可得：

将公式(24)进行Laplacian变换，并写成误差传递函数，可得：

其中，H

为了用定理1的结果，令k

其中H

则误差传递函数可写为：

由此，基于所述一致性控制律如公式(23)所示，对多前车的车辆队列进行控制。

3、下面对本发明多前车控制的有效性进行数学证明。

根据定理1给出的结论，可得到以下定理2。

定理2:对于可以收到α个前车信息的车辆队列系统公式(2.13)中，在控制器公式(23)的作用下，其中k

可实现系统的队列稳定性。

证明：针对公式(26)，可得：

定义

比较定理1中的H

其次，在公式(23)多前车信息交互系统中考虑数据丢包的影响，设计如下丢包控制器：

其中

注1：可以发现只有前车的加速度信息与随机变量有关，这是由于车辆可以使用合适的雷达系统来测得相对速度和前车的距离，而不需要依赖V2V通信。

则公式(30)结合动力学模型公式(2.13)，可得到丢包条件下的状态空间方程：

其中：

由于随机微分方程

其中，

可得到以下引理3。

引理3：令Δt在任何[jΔt,(j+1)Δt]的区间内控制输入u(t)是常数，且

证明：假设Δt是足够小的，则u(t)在任何的时间段内是一个有限的常数，即对于j＝1,2,...,m，当t∈[jΔt,(j+1)Δt]，u(t)＝u

对于t∈[0,Δt]，第i辆车的状态向量表示为：

其中，

则公式(32)的确定性方程表示为：

其中，

由公式(32)与公式(33)做差，得：

同样地，t∈[Δt,2Δt]，有：

在公式(35)中，当t＝2Δt时，有：

重复以上相同的步骤，则有：

其中，

公式(37)给出了

由于第一辆车

根据定义可知

将公式(39)和(40)，带入公式(38)，且i＝1，得

接下来通过归纳假设，证明

假设

相似地，当l→∞时，

因此

由此可以观察到，随着实验次数的增加，队列中的车辆状态可以收敛到相应状态的期望值。则引理3可以将公式(30)随机微分方程等价于如下确定性等式：

其中，ρ表示数据成功接收概率，假设每辆车的成功接收概率相同，且在时间间隔[0,T]内保持不变，即对于车辆i∈N，

则写成Laplacian变化后可得到：

其中，

则利用定理2的结论，令

定理4：对于一个车辆队列系统(2.13)，当

4、以下通过仿真实验对本发明多前车和数据丢包时的控制方法进行验证。

该次仿真实验与单前车时仿真实验的参数选择相同，不同的是本次仿真实验的控制器设计考虑多前车信息的车辆队列仿真。α＝2，即每辆车可以收到两辆前车的信息。

案例一：不考虑丢包情况，k

案例二：考虑丢包情况，k

本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。