CN107272405B - 匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取方法和装置 - Google Patents

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CN107272405B CN201710385739.2A CN201710385739A CN107272405B CN 107272405 B CN107272405 B CN 107272405B CN 201710385739 A CN201710385739 A CN 201710385739A CN 107272405 B CN107272405 B CN 107272405B
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Abstract

本发明属于智能交通领域，提供了一种匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取方法和装置，以较小的计算量求解布式控制器的增益。所述方法包括：确定所述匀质车辆队列的车辆跟驰误差收敛系数δ；求解使得不等式方程组
Figure DDA0001306308120000011
成立的对称正定矩阵P；根据公式
Figure DDA0001306308120000012
计算匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K。本发明的技术方案一方面使得车辆分布式控制器增益K的设计与匀质车辆队列的通信拓扑具体结构实现了很好的解耦，设计方法具有较好的通用性；另一方面，求解
Figure DDA0001306308120000013
和不等式方程组
Figure DDA0001306308120000014
的计算量较小，非常适用于工程实践。

Description

匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取方法和装置
技术领域
本发明属于智能交通领域，尤其涉及一种匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取方法和装置。
背景技术
近年来，随着汽车保有量的不断增加，交通拥堵、燃油短缺、空气污染等问题日益加剧。国际研究表明，在高速路行驶过程中，如果让车辆排成队列行驶，则可以通过缩短跟驰间距来改变整体空气动力学阻力，有望提高交通流量，减少燃油消耗。
普通驾驶员的跟驰行为通常偏保守，具体表现在跟驰间距较大，不能充分利用道路资源，对车辆队列整体空气动力学的改变也不大，并且，由于驾驶员的反应延迟，当多辆车连续跟驰形成车辆队列时，头车的轻微制动行为容易造成后车的制动强度不断增大，对安全性造成威胁。自动驾驶是解决上述问题的有效途径，但现有纵向自动跟驰***，例如，自适应巡航***，只是基于前车信息进行控制，无法兼顾整个车辆队列的安全性，通常会造成队列尾部车辆的控制强度过大，影响舒适性和安全性。
对于匀质车辆队列的车辆跟驰***，如何设计匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益是业界一个重要问题，这是因为，合适的车辆分布式控制器增益能够使得匀质车辆队列保持内稳定性，而稳定是一个***得以持续运行的首要条件。虽然目前已有的车路协同***有望解决上述问题，但在求取车辆的分布式控制器增益时往往要与匀质车辆队列的通信拓扑相耦合，而且涉及的计算量较大，并不适用于工程实践。
发明内容
本发明的目的在于提供一种匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取方法和装置，以较小的计算量求解布式控制器的增益。
本发明第一方面提供一种匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取方法，所述方法包括：
确定所述匀质车辆队列的车辆跟驰误差收敛系数δ；
求解使得不等式方程组
Figure BDA0001306308100000021
成立的对称正定矩阵P，其中，
Figure BDA0001306308100000022
k＝1/τ，τ为***时滞，λi为H的特征值，H为对称通信拓扑矩阵，H＝L+R，R为通信拓扑拉普拉斯矩阵L的邻接矩阵，μ为预设的参数；
根据公式
Figure BDA0001306308100000023
计算匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K，其中，K＝[k1k2 k3]，k1为位置反馈系数，k2为速度反馈系数，k3为加速度反馈系数。
本发明第二方面提供一种匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取装置，所述装置包括：
系数确定模块，用于确定所述匀质车辆队列的车辆跟驰误差收敛系数δ；
求解模块，用于求解使得不等式方程组
Figure BDA0001306308100000024
成立的对称正定矩阵P，其中，
Figure BDA0001306308100000025
k＝1/τ，τ为***时滞，λi为H的特征值，H为对称通信拓扑矩阵，H＝L+R，R为通信拓扑拉普拉斯矩阵L的邻接矩阵，μ为预设的参数；
计算模块，用于根据公式
Figure BDA0001306308100000026
计算匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K，其中，K＝[k1 k2 k3]，k1为位置反馈系数，k2为速度反馈系数，k3为加速度反馈系数。
本发明第三方面提供一种匀质车辆队列的车辆跟驰方法，所述方法包括：
接收匀质车辆队列中N个成员车辆交互至第i个成员车辆的信息，所述N个成员车辆是所述匀质车辆队列中除第i个成员车辆之外的其他所有成员车辆；
根据匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K和所述匀质车辆队列中N个成员车辆交互至第i个成员车辆的信息，输出所述第i个成员车辆的期望加速度ui；
根据所述第i个成员车辆的期望加速度ui，求取所述第i个成员车辆的期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes并输出给所述第i个成员车辆的下层动力学模块，以使所述第i个成员车辆的实际加速度达到所述期望加速度ui；
根据所述期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes，输出使所述第i个成员车辆的实际加速度达到所述期望加速度ui时的状态量；
所述匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K采用如下方法求取：确定所述匀质车辆队列的车辆跟驰误差收敛系数δ；
求解使得不等式方程组
Figure BDA0001306308100000031
成立的对称正定矩阵P，其中，
Figure BDA0001306308100000032
k＝1/τ，τ为***时滞，λi为H的特征值，H为对称通信拓扑矩阵，H＝L+R，R为通信拓扑拉普拉斯矩阵L的邻接矩阵，μ为预设的参数；
根据公式
Figure BDA0001306308100000033
计算匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K，其中，K＝[k1 k2k3]，k1为位置反馈系数，k2为速度反馈系数，k3为加速度反馈系数。
本发明第四方面提供一种匀质车辆队列的车辆跟驰***，所述***包括分布式控制器、下层控制器和下层动力学模块，所述分布式控制器包括接收模块和输出模块；
所述接收模块，用于接收匀质车辆队列中N个成员车辆交互至第i个成员车辆的信息，所述N个成员车辆是所述匀质车辆队列中除第i个成员车辆之外的其他所有成员车辆；
所述输出模块，用于根据匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K和所述匀质车辆队列中N个成员车辆交互至第i个成员车辆的信息，向下层控制器输出所述第i个成员车辆的期望加速度ui；
所述下层控制器，用于根据所述第i个成员车辆的期望加速度ui，求取所述第i个成员车辆的期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes并输出给所述第i个成员车辆的下层动力学模块，以使所述第i个成员车辆的实际加速度达到所述期望加速度ui；
所述下层动力学模块，用于根据所述期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes，输出使所述第i个成员车辆的实际加速度达到所述期望加速度ui时的状态量；
所述匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K采用匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取装置求取，所述装置包括：
系数确定模块，用于确定所述匀质车辆队列的车辆跟驰误差收敛系数δ；
求解模块，用于求解使得不等式方程组
Figure BDA0001306308100000041
成立的对称正定矩阵P，其中，
Figure BDA0001306308100000042
k＝1/τ，τ为***时滞，λi为H的特征值，H为对称通信拓扑矩阵，H＝L+R，R为通信拓扑拉普拉斯矩阵L的邻接矩阵，μ为预设的参数；
计算模块，用于根据公式
Figure BDA0001306308100000043
计算匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K，其中，K＝[k1 k2 k3]，k1为位置反馈系数，k2为速度反馈系数，k3为加速度反馈系数。
本发明第五方面提供一种匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如下方法的步骤：
确定所述匀质车辆队列的车辆跟驰误差收敛系数δ；
求解使得不等式方程组
Figure BDA0001306308100000051
成立的对称正定矩阵P，其中，
Figure BDA0001306308100000052
k＝1/τ，τ为***时滞，λi为H的特征值，H为对称通信拓扑矩阵，H＝L+R，R为通信拓扑拉普拉斯矩阵L的邻接矩阵，μ为预设的参数；
根据公式
Figure BDA0001306308100000053
计算匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K，其中，K＝[k1 k2k3]，k1为位置反馈系数，k2为速度反馈系数，k3为加速度反馈系数。
本发明第六方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如下方法的步骤：
确定所述匀质车辆队列的车辆跟驰误差收敛系数δ；
求解使得不等式方程组
Figure BDA0001306308100000054
成立的对称正定矩阵P，其中，
Figure BDA0001306308100000055
k＝1/τ，τ为***时滞，λi为H的特征值，H为对称通信拓扑矩阵，H＝L+R，R为通信拓扑拉普拉斯矩阵L的邻接矩阵，μ为预设的参数；
根据公式
Figure BDA0001306308100000056
计算匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K，其中，K＝[k1k2 k3]，k1为位置反馈系数，k2为速度反馈系数，k3为加速度反馈系数。
本发明第七方面提供一种匀质车辆队列的车辆跟驰设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如下方法的步骤：
接收匀质车辆队列中N个成员车辆交互至第i个成员车辆的信息，所述N个成员车辆是所述匀质车辆队列中除第i个成员车辆之外的其他所有成员车辆；
根据匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K和所述匀质车辆队列中N个成员车辆交互至第i个成员车辆的信息，输出所述第i个成员车辆的期望加速度ui；
根据所述第i个成员车辆的期望加速度ui，求取所述第i个成员车辆的期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes并输出给所述第i个成员车辆的下层动力学模块，以使所述第i个成员车辆的实际加速度达到所述期望加速度ui；
根据所述期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes，输出使所述第i个成员车辆的实际加速度达到所述期望加速度ui时的状态量；
所述匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K采用如下方法求取：确定所述匀质车辆队列的车辆跟驰误差收敛系数δ；
求解使得不等式方程组
Figure BDA0001306308100000061
成立的对称正定矩阵P，其中，
Figure BDA0001306308100000062
k＝1/τ，τ为***时滞，λi为H的特征值，H为对称通信拓扑矩阵，H＝L+R，R为通信拓扑拉普拉斯矩阵L的邻接矩阵，μ为预设的参数；
根据公式
Figure BDA0001306308100000063
计算匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K，其中，K＝[k1 k2k3]，k1为位置反馈系数，k2为速度反馈系数，k3为加速度反馈系数。
本发明第八方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如下方法的步骤：
接收匀质车辆队列中N个成员车辆交互至第i个成员车辆的信息，所述N个成员车辆是所述匀质车辆队列中除第i个成员车辆之外的其他所有成员车辆；
根据匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K和所述匀质车辆队列中N个成员车辆交互至第i个成员车辆的信息，输出所述第i个成员车辆的期望加速度ui；
根据所述第i个成员车辆的期望加速度ui，求取所述第i个成员车辆的期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes并输出给所述第i个成员车辆的下层动力学模块，以使所述第i个成员车辆的实际加速度达到所述期望加速度ui；
根据所述期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes，输出使所述第i个成员车辆的实际加速度达到所述期望加速度ui时的状态量；
所述匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K采用如下方法求取：确定所述匀质车辆队列的车辆跟驰误差收敛系数δ；
求解使得不等式方程组
Figure BDA0001306308100000071
成立的对称正定矩阵P，其中，
Figure BDA0001306308100000072
k＝1/τ，τ为***时滞，λi为H的特征值，H为对称通信拓扑矩阵，H＝L+R，R为通信拓扑拉普拉斯矩阵L的邻接矩阵，μ为预设的参数；
根据公式
Figure BDA0001306308100000073
计算匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K，其中，K＝[k1 k2k3]，k1为位置反馈系数，k2为速度反馈系数，k3为加速度反馈系数。
从上述本发明技术方案可知，在求取车辆分布式控制器增益K时，主要是求解使得不等式方程组
Figure BDA0001306308100000074
成立的对称正定矩阵P以及
Figure BDA0001306308100000075
一方面，由于不等式方程组
Figure BDA0001306308100000076
与匀质车辆队列的通信拓扑无关，因此，车辆分布式控制器增益K的设计与匀质车辆队列的通信拓扑具体结构实现了很好的解耦，设计方法具有较好的通用性；另一方面，求解
Figure BDA0001306308100000077
和不等式方程组
Figure BDA0001306308100000078
的计算量较小，非常适用于工程实践；第三方面，由于是接收了匀质车辆队列中除第i个成员车辆之外的其他所有成员车辆交互至第i个成员车辆的信息，据此和匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K计算第i个成员车辆的期望加速度ui、期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes并反馈到动力学模块，因此，改变了匀质车辆队列的整体动力学特性，使跟驰误差更快收敛，可以采用比人类驾驶更小的跟驰间距，从而增加交通流量，而更小的跟驰间距会改变匀质车辆队列的整体空气动力学作用力，降低整体风阻，从而减小车辆队列的整体能耗。
附图说明
图1是本发明实施例提供的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取方法的实现流程示意图；
图2是本发明实施例提供的匀质车辆队列的车辆跟驰方法的实现流程示意图；
图3是本发明实施例提供的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取装置的结构示意图；
图4是本发明另一实施例提供的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取装置的结构示意图；
图5-a是本发明另一实施例五提供的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取装置的结构示意图；
图5-b是本发明另一实施例五提供的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取装置的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的匀质车辆队列的车辆跟驰***的结构示意图；
图7是本发明另一实施例提供的匀质车辆队列的车辆跟驰***的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取设备的结构示意图；
图9是本发明实施例提供的匀质车辆队列的车辆跟驰设备的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取方法，所述方法包括：确定所述匀质车辆队列的车辆跟驰误差收敛系数δ；求解使得不等式方程组
Figure BDA0001306308100000091
成立的对称正定矩阵P，其中，
Figure BDA0001306308100000092
k＝1/τ，τ为***时滞，λi为H的特征值，H为对称通信拓扑矩阵，H＝L+R，R为通信拓扑拉普拉斯矩阵L的邻接矩阵，μ为预设的参数；根据公式
Figure BDA0001306308100000093
计算匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K，其中，K＝[k1 k2 k3]，k1为位置反馈系数，k2为速度反馈系数，k3为加速度反馈系数。本发明实施例还提供相应的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取装置。以下分别进行详细说明。
请参阅附图1，是本发明实施例一提供的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取方法的实现流程示意图，主要包括以下步骤S101至步骤S103，详细说明如下：
S101，确定匀质车辆队列的车辆跟驰误差收敛系数δ。
所谓匀质车辆队列，在本发明实施例中是指由动力学特性相近的自动挡乘用车所组成的多个车辆组成，队列中的成员车均具有自动驾驶能力，车辆队列跟驰的控制***仅对队列成员车的纵向动力学行为进行自动控制，不对成员车的横向动力学行为做控制，驾驶员不再需要进行制动和油门的操作，仅需要操作方向盘；匀质车辆队列由N+1个成员车辆组成，包括1辆头车(编号为0)和N辆跟驰车辆(编号依次为1、2、，…，N)，其中N为大于1的自然数。
匀质车辆队列的车辆跟驰误差收敛系数δ决定了车辆跟驰***的跟驰误差的收敛速度，是跟驰误差按指数收敛时的指数值。在本发明实施例中，质车辆队列的车辆跟驰误差收敛系数δ可根据工程实践的仿真、实验值或经验值等多种渠道来源确定。
S102，求解使得不等式方程组
Figure BDA0001306308100000101
成立的对称正定矩阵P。
上述不等式方程组
Figure BDA0001306308100000102
中，
Figure BDA0001306308100000103
k＝1/τ，τ为***时滞，λi为H的特征值，H为对称通信拓扑矩阵，H＝L+R，R为通信拓扑拉普拉斯矩阵L的邻接矩阵，μ为预设的参数。
上述不等式方程组
Figure BDA0001306308100000104
中的矩阵A和B分别是匀质车辆队列的动力学高维耦合状态方程的状态矩阵和输入矩阵。以下说明动力学高维耦合状态方程的状态矩阵和输入矩阵的获取过程。
在匀质车辆队列中，第i个成员车辆的状态量xi包括：实际的纵向位置pi、纵向速度vi和纵向加速度ai。每个成员车辆的下层动力学模块即为车辆本身的底层动力学特性，它接收输入的参量即期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes，产生车辆状态量即实际的纵向位置、纵向速度和纵向加速度，这与驾驶员直接踩油门或踩制动的效果相同，只是本发明实施例中采用自动控制，由执行器自动去执行油门和制动操作。成员车辆的下层动力学模块包括发动机、自动变速器、电控制动***等几个主要构成要素，其中，Te为发动机输出扭矩，Td为变速器输出扭矩，ωw为变速器输出轴转速，ωe为发动机输出轴转速，Tb为车轮制动力矩，而下层控制器根据分布式控制器即上层动力学***给出的期望加速度来计算所需的期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes。当ui≥0时，输出：
Figure BDA0001306308100000105
当ui<0时，输出：
Figure BDA0001306308100000106
其中，Tedes为期望发动机输出转矩，rw为车轮滚动半径，m为车辆质量，CA为车辆风阻系数，v为车辆速度，τe为发动机响应时滞，
Figure BDA0001306308100000107
为车辆速度对时间的导数，g为重力加速度，f为车轮滚动摩阻，ηT为车辆传动***机械效率，i0为车辆主减速器速比，ig为变速器速比，MAP-1(·,·)表示发动机逆MAP图，τb为电控制动***响应时滞，Kb为车辆轮边制动器增益系数。
一般而言，有τe≈τb，于是可以证明，采用上面的非线性算法后，第i辆车实际的纵向加速度ai与期望加速度ui之间的关系可以用下面的式子描述：
Figure BDA0001306308100000111
其中，τ＝τe为***时滞，s为拉普拉斯算子。于是节点动力学模块的动力学行为可以被下面的状态方程即第i个成员车辆的节点动力学状态方程所描述：
Figure BDA0001306308100000112
其中，
Figure BDA0001306308100000113
并且κ＝1/τ。由于本发明实施例仅考虑匀质车辆队列，所以对车辆队列中的所有成员车而言，其状态矩阵A和输入矩阵B是相同的。本发明实施例在反馈线性化模块即下层控制器的前端添加了一个PI模块，用于消除静态残差。
S103，根据公式
Figure BDA0001306308100000114
计算匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K。
增益K＝[k1 k2 k3]，k1为位置反馈系数，k2为速度反馈系数，k3为加速度反馈系数。将上式求出的增益K代入匀质车辆队列的车辆分布式控制器中，即可保证匀质车辆队列的车辆跟驰***的内稳定性，让匀质车辆队列在跟驰行驶过程中保持期望的几何构型。
从上述附图1示例的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取方法可知，在求取车辆分布式控制器增益K时，主要是求解使得不等式方程组
Figure BDA0001306308100000115
成立的对称正定矩阵P以及
Figure BDA0001306308100000116
一方面，由于不等式方程组
Figure BDA0001306308100000117
与匀质车辆队列的通信拓扑无关(参数μ的
取值在工程实践中通常比较小，对于任意的λi，一般都能满足0<μ<min(λi))，因此，车辆分布式控制器增益K的设计与匀质车辆队列的通信拓扑具体结构实现了很好的解耦，其方案具有较好的通用性；另一方面，求解
Figure BDA0001306308100000121
和不等式方程组
Figure BDA0001306308100000122
的计算量较小，非常适用于工程实践。
为了验证车辆分布式控制器增益K是否合适，例如，是否使得匀质车辆队列保持内稳定性(匀质车辆队列保持内稳定性也就是匀质车辆队列的车辆跟驰***的内稳定性)，附图1示例的方法还可以包括根据标量不等式判断计算得到的增益K是否使匀质车辆队列保持内稳定性，其中，标量不等式根据匀质车辆队列的动力学高维耦合状态方程得到。具体地，根据标量不等式判断计算得到的增益K是否使匀质车辆队列保持内稳定性可以是获取第一标量不等式
Figure BDA0001306308100000123
根据第一标量不等式判断所述增益K是否使所述匀质车辆队列保持内稳定性。根据标量不等式判断计算得到的增益K是否使匀质车辆队列保持内稳定性也可以是。获取第二标量不等式
Figure BDA0001306308100000124
根据第二标量不等式判断增益K是否使匀质车辆队列保持内稳定性。
上述第一标量不等式或第二标量不等式即为使匀质车辆队列***保证内稳定性的控制器增益可行域，它以标量的形式显式地表达了可行域，计算量很小，利于在工程实践中快速判断匀质车辆队列的车辆跟驰***的内稳定性。以下说明上述第一标量不等式和第二标量不等式的获取过程。
在本发明实施例提及的匀质车辆队列中，成员车之间通过无线通信所进行的信息交互关系用有向图描述，该有向图是信息交互关系的数学描述，即通信拓扑拉普拉斯矩阵L(简称拉普拉斯阵)。如前所述，本发明实施例中使用静态状态反馈系数，包括位置反馈系数k1，速度反馈系数k2和加速度反馈系数k3。在本发明实施例中，匀质车辆队列跟驰***的控制目标是所期望的几何拓扑得以维持，并且匀质车辆队列的所有成员车辆的车速与头车趋于一致，即：
Figure BDA0001306308100000125
上述表达是中，v0表示匀质车辆队列的头车的实际纵向速度，pi+1表示匀质车辆队列第i+1个成员车辆的实际纵向位置，di,i+1表示匀质车辆队列第i个成员车辆与第i+1个成员车辆即任意两个相邻成员车辆之间的期望间距。令K＝[k1 k2 k3]，Di,j＝[di,j 0 0]T，于是第i个成员车辆的期望加速度ui为：
Figure BDA0001306308100000131
其中，lij为通信拓扑拉普拉斯矩阵L中第i行、第j列元素，ri为L的邻接矩阵R(即通信拓扑拉普拉斯阵L的伴随矩阵)的第i个主对角元，此处的K即为静态状态反馈系数(即车辆分布式控制器增益)。于是匀质车辆队列的动力学高维耦合状态方程可用下面方式描述：
Figure BDA0001306308100000132
上述匀质车辆队列的动力学高维耦合状态方程中各个矩阵、向量和符号的含义可参考前文的说明，此处不做赘述。
在本发明实施例中，通信拓扑矩阵H是以矩阵的形式描述了匀质车辆队列中各个成员车辆之间的信息流网络结构，决定了匀质车辆队列中各个成员车辆之间的信息交互关系。需要说明的是，在本发明实施例中，H不仅是通信拓扑矩阵，而且是对称通信拓扑矩阵，即匀质车辆队列中各个成员车辆之间的通信是双向的，当第i个成员车辆收到来自第j个成员车辆的通信信息时，第j个成员车辆也同时能收到来自第i个成员车辆的通信信息。
上述第一标量不等式或第二标量不等式是根据匀质车辆队列的动力学高维耦合状态方程得到。如前所述，匀质车辆队列保持内稳定性也就是匀质车辆队列的车辆跟驰***的内稳定性，因此，若根据匀质车辆队列的动力学高维耦合状态方程，分析出匀质车辆队列保持内稳定性的充分必要条件，满足这个充分必要条件，则计算得到的增益K能够使匀质车辆队列保持内稳定性。
作为本发明一个实施例，根据匀质车辆队列的动力学高维耦合状态方程，分析匀质车辆队列保持内稳定性的充分必要条件可通过如下步骤S1至S3实现：
S1，获取动力学高维耦合状态方程
Figure BDA0001306308100000141
的高维稳定性判据。
根据控制理论可得，动力学高维耦合状态方程的高维稳定性判据为：由上述动力学高维耦合状态方程所描述的匀质车辆队列保证内稳定性的充要条件是闭环高维状态矩阵
Figure BDA0001306308100000142
的所有特征值均具有负实部，其中，所述的内稳定性是指匀质车辆队列中所有跟驰车辆的跟驰误差随时间收敛到零，即，匀质车辆队列的瞬态几何构型随时间逐渐趋向于期望的几何构型。
S2，将动力学高维耦合状态方程
Figure BDA0001306308100000143
的高维稳定性判据等价转换为低维子模态稳定性判据。
上述动力学高维耦合状态方程
Figure BDA0001306308100000144
的高维稳定性判据涉及高维状态阵的特征值，判定计算量大，且不能为车辆的分布式控制器增益K的求取提供便利。为克服该问题，本发明实施例构造了拓扑解耦方法，以将高维稳定性判据等价转化为低维度子模态稳定性判据。由于本发明实施例仅考虑对称通信拓扑，所以可以证明对称通信拓扑矩阵H为对称正定矩阵，所以存在正交阵Q使得Q-1HQ＝J，其中J为对角阵，且其对角元由H的特征值组成。于是可以证明：
Figure BDA0001306308100000145
即，闭环高维状态矩阵AC的特征值谱与矩阵
Figure BDA0001306308100000146
的特征值谱相同。由于J为对角阵，所以进一步有：
Figure BDA0001306308100000147
即，闭环高维状态矩阵AC的特征值谱等于子模态A-λiBK的特征值谱之和。其中λi为J的特征值。于是低维度子模态稳定性判据为：由上述高维耦合状态方程所描述的车辆队列保证内稳定性的充要条件是所有子模态A-λiBK的特征值均具有负实部。
S3，根据劳斯判据推导低维子模态稳定性判据标量形式的稳定性判据，得到匀质车辆队列保持内稳定性的充分必要条件。
根据劳斯判据可进一步推导低维子模态稳定性判据标量形式的稳定性判据：由上述动力学高维耦合状态方程所描述的匀质车辆队列保证内稳定性的充要条件是以下的标量不等式得到满足：
Figure BDA0001306308100000151
上述标量不等式即为第一标量不等式。
工程实践中，通常k3不会选择小于零，因此，可以对上述匀质车辆队列保持内稳定性的充分必要条件做进一步简化，即，上述匀质车辆队列保持内稳定性的充分必要条件在实用中可以进一步加强为：
Figure BDA0001306308100000152
上述标量不等式即为第二标量不等式。
请参阅附图2，是本发明实施例二提供的匀质车辆队列的车辆跟驰方法的实现流程示意图，主要包括以下步骤S201至步骤S204，详细说明如下：
S201，接收匀质车辆队列中N个成员车辆交互至第i个成员车辆的信息，其中，N个成员车辆是匀质车辆队列中除第i个成员车辆之外的其他所有成员车辆。
步骤S201的执行主体可以是匀质车辆队列中每个成员车辆的分布式控制器，本实施例的匀质车辆队列和分布式控制器的概念与前述本发明实施例提及的匀质车辆队列和分布式控制器分别相同，此处不做赘述。
S202，根据匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K和匀质车辆队列中N个成员车辆交互至第i个成员车辆的信息，向下层控制器输出第i个成员车辆的期望加速度ui。
步骤S202的执行主体可以是匀质车辆队列中每个成员车辆的分布式控制器。需要说明的是，在本实施例中，匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K采用如附图1示例的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取方法求取。与前述实施例相同，此处K＝[k1，k2，k3]，k1为位置反馈系数，k2为速度反馈系数，k3为加速度反馈系数。下层控制器。
作为本发明一个实施例，可通过如下步骤S2021至S2023实现：
S2021，求取xj-xi-Di，j。
其中，xj和xi分别为匀质车辆队列中第j个成员车辆的状态量和第j个成员车辆的状态量，xj＝[pj vj aj]T，xi＝[pi vi ai]T，Di,j＝[di,j 0 0]T，pj、vj和aj分别为匀质车辆队列中第j个成员车辆的实际纵向位置、实际纵向速度和实际纵向加速度，pi、vi和ai分别为所述匀质车辆队列中第i个成员车辆的实际纵向位置、实际纵向速度和实际纵向加速度，di,j为匀质车辆队列中第i个成员车辆的状态量与第j个成员车辆的期望间距。
S2022，计算
Figure BDA0001306308100000161
以及ri(x0-xi-Di,0)。
其中，li,j为通信拓扑拉普拉斯矩阵L中第i行第j列的元素，ri为通信拓扑拉普拉斯矩阵L的伴随矩阵R的第i个主对角元，x0为匀质车辆队列的头车的状态量，xi为匀质车辆队列中第i个成员车辆的状态量，x0＝[p0 v0 a0]T，Di,0＝[di,0 0 0]T，di,0为匀质车辆队列中第i个成员车辆与匀质车辆队列的头车之间的距离。
S2023，计算期望加速度
Figure BDA0001306308100000162
期望加速度ui可输出给下层控制器。
由于第i个成员车辆的期望加速度
Figure BDA0001306308100000163
成立的先决条件是
Figure BDA0001306308100000164
因此，当第i个成员车辆的期望加速度
Figure BDA0001306308100000165
时，匀质车辆队列所期望的几何拓扑得以维持，并且匀质车辆队列的所有成员车辆的车速与头车趋于一致。
S203，根据第i个成员车辆的期望加速度ui，求取第i个成员车辆的期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes并输出给第i个成员车辆的下层动力学模块，以使第i个成员车辆的实际加速度达到期望加速度ui。
步骤S203的执行主体可以是匀质车辆队列中每个成员车辆的下层控制器。
S204，根据期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes，输出使第i个成员车辆的实际加速度达到期望加速度ui时的状态量。
步骤S204的执行主体可以是匀质车辆队列中每个成员车辆的下层动力学模块。
从上述附图2示例的匀质车辆队列的车辆跟驰方法可知，由于是接收了匀质车辆队列中除第i个成员车辆之外的其他所有成员车辆交互至第i个成员车辆的信息，据此和匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K计算第i个成员车辆的期望加速度ui、期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes并反馈到动力学模块，因此，改变了匀质车辆队列的整体动力学特性，可以使跟驰误差更快收敛，可以采用比人类驾驶更小的跟驰间距，从而增加交通流量，而更小的跟驰间距会改变匀质车辆队列的整体空气动力学作用力，降低整体风阻，从而减小车辆队列的整体能耗。
请参阅附图3，是本发明实施例三提供的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取装置的结构示意图。为了便于说明，附图3仅示出了与本发明实施例相关的部分。附图3示例的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取装置包括系数确定模块301、求解模块302和计算模块303，其中：
系数确定模块301，用于确定匀质车辆队列的车辆跟驰误差收敛系数δ；
求解模块302，用于求解使得不等式方程组
Figure BDA0001306308100000171
成立的对称正定矩阵P，其中，
Figure BDA0001306308100000172
k＝1/τ，τ为***时滞，λi为H的特征值，H为对称通信拓扑矩阵，H＝L+R，R为通信拓扑拉普拉斯矩阵L的邻接矩阵，μ为预设的参数；
计算模块303，用于根据公式
Figure BDA0001306308100000173
计算匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K，其中，K＝[k1,k2,k3]，k1为位置反馈系数，k2为速度反馈系数，k3为加速度反馈系数。
附图3示例的装置还可以包括分析模块401，如附图4所示本发明实施例四提供的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取装置。分析模块401用于根据标量不等式判断计算得到的增益K是否使所述匀质车辆队列保持内稳定性，其中，所述标量不等式根据所述匀质车辆队列的动力学高维耦合状态方程得到。
附图4示例的分析模块401可以包括第一获取单元501和第一判断单元502，如附图5-a所示本发明实施例五提供的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取装置，其中：
第一获取单元501，用于获取第一标量不等式
Figure BDA0001306308100000181
第一判断单元502，用于根据第一标量不等式判断匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K是否使匀质车辆队列保持内稳定性。
附图4示例的分析模块401可以包括第二获取单元503和第二判断单元504，如附图5-b所示本发明实施例六提供的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取装置，其中：
第二获取单元503，用于获取第二标量不等式
Figure BDA0001306308100000182
第二判断单元504，用于根据第二标量不等式判断匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K是否使匀质车辆队列保持内稳定性。
请参阅附图6，是本发明实施例六提供的匀质车辆队列的车辆跟驰***的结构示意图。为了便于说明，附图6仅示出了与本发明实施例相关的部分。附图6示例的匀质车辆队列的车辆跟驰***包括分布式控制器601、下层控制器602和下层动力学模块603，分布式控制器601包括接收模块604和输出模块605，其中：
接收模块604，用于接收匀质车辆队列中N个成员车辆交互至第i个成员车辆的信息，其中，N个成员车辆是匀质车辆队列中除第i个成员车辆之外的其他所有成员车辆；
输出模块605，用于根据匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K和匀质车辆队列中N个成员车辆交互至第i个成员车辆的信息，向下层控制器602输出第i个成员车辆的期望加速度ui，其中，匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K采用如附图1的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取方法求取，其中，车辆分布式控制器增益K＝[k1,k2,k3]，k1为位置反馈系数，k2为速度反馈系数，k3为加速度反馈系数；
下层控制器602，用于根据第i个成员车辆的期望加速度ui，求取第i个成员车辆的期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes并输出给第i个成员车辆的下层动力学模块，以使第i个成员车辆的实际加速度达到期望加速度ui；
下层动力学模块603，用于根据期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes，输出使第i个成员车辆的实际加速度达到期望加速度ui时的状态量。
附图6示例的输出模块605可以包括第一计算单元701、第二计算单元702和第三计算单元703，如附图7所示本发明实施例七提供的匀质车辆队列的车辆跟驰***，其中：
第一计算单元701，用于求取xj-xi-Di,j，其中，xj和xi分别为匀质车辆队列中第j个成员车辆的状态量和第j个成员车辆的状态量，xj＝[pj vj aj]T，xi＝[pi vi ai]T，Di,j＝[di,j 0 0]T，pj、vj和aj分别为匀质车辆队列中第j个成员车辆的实际纵向位置、实际纵向速度和实际纵向加速度，pi、vi和ai分别为匀质车辆队列中第i个成员车辆的实际纵向位置、实际纵向速度和实际纵向加速度，di,j为匀质车辆队列中第i个成员车辆与第j个成员车辆的期望间距；
第二计算单元702，用于计算
Figure BDA0001306308100000191
以及ri(x0-xi-Di,0)，其中，li,j为通信拓扑拉普拉斯矩阵L中第i行第j列的元素，ri为通信拓扑拉普拉斯矩阵L的伴随矩阵的第i个主对角元，x0为匀质车辆队列的头车的状态量，xi为匀质车辆队列中第i个成员车辆的状态量，x0＝[p0 v0 a0]T，Di,0＝[di,0 0 0]T，di,0为匀质车辆队列中第i个成员车辆与匀质车辆队列的头车之间的距离；
第三计算单元703，用于计算期望加速度
Figure BDA0001306308100000192
Figure BDA0001306308100000193
作为第i个成员车辆的期望加速度输出给下层控制器602。
图8是本发明一实施例提供的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取设备的结构示意图。如图8所示，该实施例的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取设备8包括：处理器80、存储器81以及存储在存储器81中并可在处理器80上运行的计算机程序82，例如匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取方法的程序。处理器80执行计算机程序82时实现上述匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤S101至S103。或者，处理器80执行计算机程序82时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图3所示系数确定模块301、求解模块302和计算模块303。
示例性的，匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取方法的计算机程序82主要包括：确定所述匀质车辆队列的车辆跟驰误差收敛系数δ；求解使得不等式方程组
Figure BDA0001306308100000201
成立的对称正定矩阵P，其中，
Figure BDA0001306308100000202
k＝1/τ，τ为***时滞，λi为H的特征值，H为对称通信拓扑矩阵，H＝L+R，R为通信拓扑拉普拉斯矩阵L的邻接矩阵，μ为预设的参数；根据公式
Figure BDA0001306308100000203
计算匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K。计算
机程序82可以被分割成一个或多个模块/单元，一个或者多个模块/单元被存储在存储器81中，并由处理器80执行，以完成本发明。一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序82在计算设备8中的执行过程。例如，计算机程序82可以被分割成系数确定模块301、求解模块302和计算模块303(虚拟装置中的模块)，各模块具体功能如下：系数确定模块301，用于确定匀质车辆队列的车辆跟驰误差收敛系数δ；求解模块302，用于求解使得不等式方程组
Figure BDA0001306308100000204
成立的对称正定矩阵P，其中，
Figure BDA0001306308100000205
k＝1/τ，τ为***时滞，λi为H的特征值，H为对称通信拓扑矩阵，H＝L+R，R为通信拓扑拉普拉斯矩阵L的邻接矩阵，μ为预设的参数；计算模块303，用于根据公式
Figure BDA0001306308100000211
计算匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K，其中，K＝[k1 k2 k3]，k1为位置反馈系数，k2为速度反馈系数，k3为加速度反馈系数。
匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取设备8可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取设备8可包括但不仅限于处理器80、存储器81。本领域技术人员可以理解，图8仅仅是匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取设备8的示例，并不构成对匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取设备8的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器80可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器81可以是匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取设备8的内部存储单元，例如匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取设备8的硬盘或内存。存储器81也可以是匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取设备8的外部存储设备，例如计算设备8上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，存储器81还可以既包括匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取设备8的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器81用于存储计算机程序以及匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取设备所需的其他程序和数据。存储器81还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
图9是本发明一实施例提供的匀质车辆队列的车辆跟驰设备的结构示意图。如图9所示，该实施例的匀质车辆队列的车辆跟驰设备9包括：处理器90、存储器91以及存储在存储器91中并可在处理器90上运行的计算机程序92，例如匀质车辆队列的车辆跟驰方法的程序。处理器90执行计算机程序92时实现上述匀质车辆队列的车辆跟驰方法实施例中的步骤，例如图2所示的步骤S201至S204。或者，处理器90执行计算机程序92时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图6所示下层控制器602、下层动力学模块603、接收模块604和输出模块605。
示例性的，匀质车辆队列的车辆跟驰方法的计算机程序92主要包括：接收匀质车辆队列中N个成员车辆交互至第i个成员车辆的信息，所述N个成员车辆是所述匀质车辆队列中除第i个成员车辆之外的其他所有成员车辆；根据匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K和所述匀质车辆队列中N个成员车辆交互至第i个成员车辆的信息，输出所述第i个成员车辆的期望加速度ui；根据所述第i个成员车辆的期望加速度ui，求取所述第i个成员车辆的期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes并输出给所述第i个成员车辆的下层动力学模块，以使所述第i个成员车辆的实际加速度达到所述期望加速度ui；根据所述期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes，输出使所述第i个成员车辆的实际加速度达到所述期望加速度ui时的状态量；所述匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K采用如下方法求取：确定所述匀质车辆队列的车辆跟驰误差收敛系数δ；求解使得不等式方程组
Figure BDA0001306308100000221
成立的对称正定矩阵P，其中，
Figure BDA0001306308100000222
k＝1/τ，τ为***时滞，λi为H的特征值，H为对称通信拓扑矩阵，H＝L+R，R为通信拓扑拉普拉斯矩阵L的邻接矩阵，μ为预设的参数；根据公式
Figure BDA0001306308100000223
计算匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K，其中，K＝[k1 k2 k3]，k1为位置反馈系数，k2为速度反馈系数，k3为加速度反馈系数K。计算机程序92可以被分割成一个或多个模块/单元，一个或者多个模块/单元被存储在存储器91中，并由处理器90执行，以完成本发明。一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序92在计算设备9中的执行过程。例如，计算机程序92可以被分割成下层控制器602、下层动力学模块603、接收模块604和输出模块605(虚拟装置中的模块)，各模块具体功能如下：接收模块604，用于接收匀质车辆队列中N个成员车辆交互至第i个成员车辆的信息，所述N个成员车辆是所述匀质车辆队列中除第i个成员车辆之外的其他所有成员车辆；输出模块605，用于根据匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K和所述匀质车辆队列中N个成员车辆交互至第i个成员车辆的信息，向下层控制器输出所述第i个成员车辆的期望加速度ui；下层控制器602，用于根据所述第i个成员车辆的期望加速度ui，求取所述第i个成员车辆的期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes并输出给所述第i个成员车辆的下层动力学模块，以使所述第i个成员车辆的实际加速度达到所述期望加速度ui；下层动力学模块603，用于根据所述期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes，输出使所述第i个成员车辆的实际加速度达到所述期望加速度ui时的状态量。
匀质车辆队列的车辆跟驰设备9可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。匀质车辆队列的车辆跟驰设备9可包括但不仅限于处理器90、存储器91。本领域技术人员可以理解，图9仅仅是匀质车辆队列的车辆跟驰设备9的示例，并不构成对匀质车辆队列的车辆跟驰设备9的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如匀质车辆队列的车辆跟驰设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器90可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器91可以是匀质车辆队列的车辆跟驰设备9的内部存储单元，例如匀质车辆队列的车辆跟驰设备9的硬盘或内存。存储器91也可以是计算设备9的外部存储设备，例如匀质车辆队列的车辆跟驰设备9上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，存储器91还可以既包括匀质车辆队列的车辆跟驰设备9的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器91用于存储计算机程序以及终端设备所需的其他程序和数据。存储器91还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述***中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，处理计时器计时异常的方法的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取方法，其特征在于，所述方法包括：
确定所述匀质车辆队列的车辆跟驰误差收敛系数δ；
求解使得不等式方程组
Figure FDA0002752639900000011
成立的对称正定矩阵P，其中，
第i辆车实际的纵向加速度ai与期望加速度ui之间的关系可以用下面的式子描述：
Figure FDA0002752639900000012
其中，s为拉普拉斯算子，节点动力学模块的动力学行为被下面的状态方程即第i个成员车辆的节点动力学状态方程所描述：
Figure FDA0002752639900000013
其中，
Figure FDA0002752639900000014
k＝1/τ，τ为***时滞，λi为H的特征值，H为对称通信拓扑矩阵，H＝L+R，R为通信拓扑拉普拉斯矩阵L的邻接矩阵，μ为预设的参数，pi为实际的纵向位置，vi为纵向速度，ai为纵向加速度；
根据公式
Figure FDA0002752639900000015
计算匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K，其中，K＝[k1 k2k3]，k1为位置反馈系数，k2为速度反馈系数，k3为加速度反馈系数；
其中，车辆的下层动力学模块包括发动机、自动变速器、电控制动***，下层控制器根据分布式控制器给出的期望加速度来计算所需的期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes，当ui≥0时，输出：
Figure FDA0002752639900000016
当ui<0时，输出：
Figure FDA0002752639900000021
其中，Tedes为期望发动机输出转矩，rw为车轮滚动半径，m为车辆质量，CA为车辆风阻系数，v为车辆速度，τe为发动机响应时滞，
Figure FDA0002752639900000024
为车辆速度对时间的导数，g为重力加速度，f为车轮滚动摩阻，ηT为车辆传动***机械效率，i0为车辆主减速器速比，ig为变速器速比，MAP-1表示发动机逆MAP图，τb为电控制动***响应时滞，Kb为车辆轮边制动器增益系数，ωe为发动机输出轴转速。
2.如权利要求1所述的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据标量不等式判断计算得到的增益K是否使所述匀质车辆队列保持内稳定性，其中，所述标量不等式根据所述匀质车辆队列的动力学高维耦合状态方程得到。
3.如权利要求2所述的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取方法，其特征在于，所述根据标量不等式判断计算得到的增益K是否使所述匀质车辆队列保持内稳定性，包括：
获取第一标量不等式
Figure FDA0002752639900000022
根据所述第一标量不等式判断所述增益K是否使所述匀质车辆队列保持内稳定性。
4.如权利要求2所述的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取方法，其特征在于，所述根据标量不等式判断计算得到的增益K是否使所述匀质车辆队列保持内稳定性包括：
获取第二标量不等式
Figure FDA0002752639900000023
根据所述第二标量不等式判断所述增益K是否使所述匀质车辆队列保持内稳定性。
5.一种匀质车辆队列的车辆跟驰方法，其特征在于，所述方法包括：
接收匀质车辆队列中N个成员车辆交互至第i个成员车辆的信息，所述N个成员车辆是所述匀质车辆队列中除第i个成员车辆之外的其他所有成员车辆；
根据匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K和所述匀质车辆队列中N个成员车辆交互至第i个成员车辆的信息，输出所述第i个成员车辆的期望加速度ui，所述匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K采用如权利要求1所述的方法求取；
根据所述第i个成员车辆的期望加速度ui，求取所述第i个成员车辆的期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes并输出给所述第i个成员车辆的下层动力学模块，以使所述第i个成员车辆的实际加速度达到所述期望加速度ui；
根据所述期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes，输出使所述第i个成员车辆的实际加速度达到所述期望加速度ui时的状态量；
其中，车辆的下层动力学模块包括发动机、自动变速器、电控制动***，下层控制器根据分布式控制器给出的期望加速度来计算所需的期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes，当ui≥0时，输出：
Figure FDA0002752639900000031
当ui<0时，输出：
Figure FDA0002752639900000032
其中，Tedes为期望发动机输出转矩，rw为车轮滚动半径，m为车辆质量，CA为车辆风阻系数，v为车辆速度，τe为发动机响应时滞，
Figure FDA0002752639900000033
为车辆速度对时间的导数，g为重力加速度，f为车轮滚动摩阻，ηT为车辆传动***机械效率，i0为车辆主减速器速比，ig为变速器速比，MAP-1表示发动机逆MAP图，τb为电控制动***响应时滞，Kb为车辆轮边制动器增益系数。
6.如权利要求5所述的匀质车辆队列的车辆跟驰方法，其特征在于，所述根据匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K和所述匀质车辆队列中N个成员车辆交互至第i个成员车辆的信息，输出所述第i个成员车辆的期望加速度ui，包括：
求取xj-xi-Di,j，其中，xj和xi分别为所述匀质车辆队列中第j个成员车辆的状态量和第j个成员车辆的状态量，xj＝[pj vj aj]T，xi＝[pi vi ai]T，Di,j＝[di,j 0 0]T，pj、vj和aj分别为所述匀质车辆队列中第j个成员车辆的实际纵向位置、实际纵向速度和实际纵向加速度，pi、vi和ai分别为所述匀质车辆队列中第i个成员车辆的实际纵向位置、实际纵向速度和实际纵向加速度，di,j为所述匀质车辆队列中第i个成员车辆与第j个成员车辆的期望间距；
计算
Figure FDA0002752639900000041
以及ri(x0-xi-Di,0)，其中，li,j为通信拓扑拉普拉斯矩阵L中第i行第j列的元素，ri为所述通信拓扑拉普拉斯矩阵L的伴随矩阵的第i个主对角元，x0为所述匀质车辆队列的头车的状态量，xi为所述匀质车辆队列中第i个成员车辆的状态量，x0＝[p0v0 a0]T，Di,0＝[di,0 0 0]T，di,0为所述匀质车辆队列中第i个成员车辆与所述匀质车辆队列的头车之间的距离；
计算期望加速度
Figure FDA0002752639900000042
7.一种匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取装置，其特征在于，所述装置包括：
系数确定模块，用于确定所述匀质车辆队列的车辆跟驰误差收敛系数δ；
求解模块，用于求解使得不等式方程组
Figure FDA0002752639900000043
成立的对称正定矩阵P，其中，第i辆车实际的纵向加速度ai与期望加速度ui之间的关系可以用下面的式子描述：
Figure FDA0002752639900000051
其中，s为拉普拉斯算子，节点动力学模块的动力学行为被下面的状态方程即第i个成员车辆的节点动力学状态方程所描述：
Figure FDA0002752639900000052
其中，
Figure FDA0002752639900000053
k＝1/τ，τ为***时滞，λi为H的特征值，H为对称通信拓扑矩阵，H＝L+R，R为通信拓扑拉普拉斯矩阵L的邻接矩阵，μ为预设的参数；
计算模块，用于根据公式
Figure FDA0002752639900000054
计算匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K，其中，K＝[k1 k2 k3]，k1为位置反馈系数，k2为速度反馈系数，k3为加速度反馈系数；
其中，车辆的下层动力学模块包括发动机、自动变速器、电控制动***，下层控制器根据分布式控制器给出的期望加速度来计算所需的期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes，当ui≥0时，输出：
Figure FDA0002752639900000055
当ui<0时，输出：
Figure FDA0002752639900000056
其中，Tedes为期望发动机输出转矩，rw为车轮滚动半径，m为车辆质量，CA为车辆风阻系数，v为车辆速度，τe为发动机响应时滞，
Figure FDA0002752639900000057
为车辆速度对时间的导数，g为重力加速度，f为车轮滚动摩阻，ηT为车辆传动***机械效率，i0为车辆主减速器速比，ig为变速器速比，MAP-1表示发动机逆MAP图，τb为电控制动***响应时滞，Kb为车辆轮边制动器增益系数，ωe为发动机输出轴转速。
8.如权利要求7所述的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取装置，其特征在于，所述装置还包括：
分析模块，用于根据标量不等式判断计算得到的增益K是否使所述匀质车辆队列保持内稳定性，其中，所述标量不等式根据所述匀质车辆队列的动力学高维耦合状态方程得到。
9.如权利要求8所述的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取装置，其特征在于，所述分析模块包括：
第一获取单元，用于获取第一标量不等式
Figure FDA0002752639900000061
第一判断单元，用于根据所述第一标量不等式判断所述增益K是否使所述匀质车辆队列保持内稳定性。
10.如权利要求9所述的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取装置，其特征在于，所述分析模块包括：
第二获取单元，用于获取第二标量不等式
Figure FDA0002752639900000062
第二判断单元，用于根据所述第二标量不等式判断所述增益K是否使所述匀质车辆队列保持内稳定性。
11.一种匀质车辆队列的车辆跟驰***，其特征在于，所述***包括分布式控制器、下层控制器和下层动力学模块，所述分布式控制器包括接收模块和输出模块；
所述接收模块，用于接收匀质车辆队列中N个成员车辆交互至第i个成员车辆的信息，所述N个成员车辆是所述匀质车辆队列中除第i个成员车辆之外的其他所有成员车辆；
所述输出模块，用于根据匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K和所述匀质车辆队列中N个成员车辆交互至第i个成员车辆的信息，向下层控制器输出所述第i个成员车辆的期望加速度ui，所述匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益K采用如权利要求7所述的匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取装置求取；
所述下层控制器，用于根据所述第i个成员车辆的期望加速度ui，求取所述第i个成员车辆的期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes并输出给所述第i个成员车辆的下层动力学模块，以使所述第i个成员车辆的实际加速度达到所述期望加速度ui；
所述下层动力学模块，用于根据所述期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes，输出使所述第i个成员车辆的实际加速度达到所述期望加速度ui时的状态量；
其中，车辆的下层动力学模块包括发动机、自动变速器、电控制动***，下层控制器根据分布式控制器给出的期望加速度来计算所需的期望油门开度αdes和期望制动压力Pdes，当ui≥0时，输出：
Figure FDA0002752639900000071
当ui<0时，输出：
Figure FDA0002752639900000072
其中，Tedes为期望发动机输出转矩，rw为车轮滚动半径，m为车辆质量，CA为车辆风阻系数，v为车辆速度，τe为发动机响应时滞，
Figure FDA0002752639900000073
为车辆速度对时间的导数，g为重力加速度，f为车轮滚动摩阻，ηT为车辆传动***机械效率，i0为车辆主减速器速比，ig为变速器速比，MAP-1表示发动机逆MAP图，τb为电控制动***响应时滞，Kb为车辆轮边制动器增益系数。
12.如权利要求11所述的匀质车辆队列的车辆跟驰***，其特征在于，所述输出模块包括：
第一计算单元，用于求取xj-xi-Di,j，其中，xj和xi分别为所述匀质车辆队列中第j个成员车辆的状态量和第j个成员车辆的状态量，xj＝[pj vj aj]T，xi＝[pi vi ai]T，Di,j＝[di,j 00]T，pj、vj和aj分别为所述匀质车辆队列中第j个成员车辆的实际纵向位置、实际纵向速度和实际纵向加速度，pi、vi和ai分别为所述匀质车辆队列中第i个成员车辆的实际纵向位置、实际纵向速度和实际纵向加速度，di,j为所述匀质车辆队列中第i个成员车辆与第j个成员车辆的期望间距；
第二计算单元，用于计算
Figure FDA0002752639900000081
以及ri(x0-xi-Di,0)，其中，li,j为通信拓扑拉普拉斯矩阵L中第i行第j列的元素，ri为所述通信拓扑拉普拉斯矩阵L的伴随矩阵的第i个主对角元，x0为所述匀质车辆队列的头车的状态量，xi为所述匀质车辆队列中第i个成员车辆的状态量，x0＝[p0 v0 a0]T，Di,0＝[di,0 0 0]T，di,0为所述匀质车辆队列中第i个成员车辆与所述匀质车辆队列的头车之间的距离；
第三计算单元，用于计算期望加速度
Figure FDA0002752639900000082
13.一种匀质车辆队列的车辆分布式控制器增益求取设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至4任意一项所述方法的步骤。
14.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任意一项所述方法的步骤。
15.一种匀质车辆队列的车辆跟驰设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求5至6任意一项所述方法的步骤。
16.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求5至6任意一项所述方法的步骤。
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