CN113012459B - 一种基于分布式切换控制的异构车队协同安全控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式切换控制的异构车队协同安全控制方法，首先建立车辆的运动学模型；然后设计跟随控制器，经过频域分析之后针对跟随控制器参数进行限制；在限制范围内用二分法搜索每辆车需要使用的控制参数；通过V2V通信获得前车的信息；再利用搜索得到的控制参数与步骤2定义的分布式跟随控制输入对车辆i进行控制；通过安全控制器根据其状态判断是否需要输出最小控制量。本发明采用三阶动力学模型，相比于传统的二阶车辆模型多考虑了车辆的发动机惯性，更接近真实情况；控制器参数设置的限制范围直接给出，不需要车辆进行计算，大大减小了计算负担；车队跟随车辆采用线性反馈控制器，对跟随车辆的计算能力的要求极低。

Description

一种基于分布式切换控制的异构车队协同安全控制方法

技术领域

本发明属于车辆自动驾驶领域，尤其针对高速公路异质车队***，具体涉及一种基于分布式切换控制的异构车队协同安全控制技术。

背景技术

智能交通***主要由车辆通过先进车载传感器和V2X(Vehicle To Everything，车联万物)通信技术实时获取周围车辆状态和附近道路信息，包括行人、车辆、道路基础设施等实体之间有效的数据传输，以此来支撑道路安全、车队控制、交通调度和其它应用场景。其中基于V2V(Vehicle To Vehicle，车联车)通信的智能车队协同控制能够实现快速和精确地智能控制，减少人为因素导致的交通事故，增强车辆主动安全，而且能简化交通控制与管理，有效缓解交通拥堵。

车队协同控制***实质上是一种网络化控制***，因此为了实现高效的车队协同控制，在设计控制器时需要考虑通信、丢包和传感器信息传输等因素产生的延迟。为了保证安全，队列稳定性是车队控制要满足的必要条件，但是当车辆前方扰动较大时，满足队列稳定性的车队仍然可能发生车辆碰撞，这是需要切换到设计的安全控制器来保证车辆安全。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提出了一种基于分布式切换控制的异构车队协同安全控制方法，分布式切换控制协议包括基于频域分析的跟随控制器和基于安全不变集的安全控制器，当跟随控制器的控制作用可能危害车辆安全时，安全控制器就会被激活发挥作用，从而确保车队行驶安全。具体的设计按照以下步骤进行：

步骤1、由车辆自身的参数建立车辆i的运动学模型：

其中p_i(t)，v_i(t)，a_i(t)和u_i(t)分别是车辆i的位置、速度、加速度和控制输入，τ_i和θ_i是车辆i的发动机惯性时间常数和输入延迟。

步骤2、利用步骤1所建立的车辆运动学模型设计跟随控制器，其中车辆i跟随控制输入定义如下：

u_i(t)＝k_i，ve_i，v(t)+k_i，pe_i，p(t)+k_i，ae_i，a(t)

其中e_i，v(t)，e_i，p(t)和e_i，a(t)分别是当前车辆和相邻前方车辆的速度误差、位置误差和加速度误差，定义为：

其中h_i为车辆的控制时隙，用于使车辆与前车的距离与本车当前的速度保持正比关系。而k_i，v，k_i，p和k_i，a分别为速度误差的增益系数，位置误差的增益系数和加速度误差的增益系数。

步骤3、为了保证车队和车辆的稳定性，经过频域分析之后针对跟随控制器参数进行限制，具体限制规则如下：

步骤4、在限制范围内用二分法搜索每辆车需要使用的控制参数。其中k_i，v，k_i，p和k_i，a为待搜索的控制参数。

步骤5、通过V2V通信获得前车的信息，所述的信息包括前车i-1的位置p_i-1、速度v_i-1、加速度a_i-1、控制输入所属的闭集

加速度的上下限a_i-1，max,a_i-1，min。

步骤6、利用步骤4中搜索得到的控制参数k_i，v，k_i，p和k_i，a与步骤2定义的分布式跟随控制输入u_i(t)对车辆i进行控制。

步骤7、根据当前车辆状态和前方车辆状态，由基于安全不变集的安全控制器根据其状态判断是否需要输出最小控制量，具体操作如下：

车辆i和车辆i-1的控制输入u_i和u_i-1分别处于闭集

和

中。其中

其中u _i，min，

u _i-1，min和

分别代表不同道路下车辆i控制输入的最小值的下边界值，最大值的上边界值和车辆i-1控制输入的最小值的下边界值，最大值的上边界值。

当车辆i的状态向量x_i＝[p_i v_i a_i]^T和车辆i-1的状态向量x_i-1＝[p_i-1 v_i-1 a_i-1]^T位于安全不变集

时，对于车辆i至少存在一个控制输入

能够使得两车的状态仍然保持在

中，

表示为：

其中：

其中a_i，max,a_i，min分别为当前车辆的加速度上下限。若当前跟随控制器的控制作用会导致车辆的状态在未来跳出安全不变集时，则安全控制器被激活，输出控制输入的最小值的下边界值u _i，min以保证车辆的下一个状态会位于安全集中。

步骤8、在行驶过程中不断重复步骤5到步骤7，使得车队中的每一辆车可以在保持稳定行驶。

本发明的优点如下：

1、采用三阶动力学模型，相比于传统的二阶车辆模型多考虑了车辆的发动机惯性，更接近真实情况；

2、控制器参数设置的限制范围直接给出，不需要车辆进行计算，大大减小了计算负担；

3、车队跟随车辆采用线性反馈控制器，对跟随车辆的计算能力的要求极低。

附图说明

图1是本发明所述控制***的流程框图；

图2是本发明所述车队的通信模式的示意图；

图3是本发明的内部稳定性示意图；

图4是对于不同控制输入整个车队的加速度变化情况示意图；

图5是当领头车辆紧急刹车且没有启动安全控制器时时车队的距离变化情况示意图；

图6是当领头车辆紧急刹车且启动安全控制器时时车队的距离变化情况示意图。

具体实施方式

以下结合附图与实施例对本发明方法进行进一步描述。

一种基于分布式切换控制的异构车队协同安全控制方法，包括如下步骤：

步骤1、由车辆自身的参数建立车辆i的运动学模型：

其中pi(t)，v_i(t)，a_i(t)和u_i(t)分别是车辆i的位置、速度、加速度和控制输入，τ_i和θ_i是车辆i的发动机惯性时间常数和输入延迟。

步骤2、利用步骤1所建立的车辆运动学模型设计跟随控制器，其中车辆i跟随控制输入定义如下：

u_i(t)＝k_i，ve_i，b(t)+k_i，pe_i，p(t)+k_i，ae_i，a(t)

其中e_i，v(t)，e_i，p(t)和e_i，a(t)分别是当前车辆和相邻前方车辆的速度误差、位置误差和加速度误差，定义为：

其中h_i为车辆的控制时隙，用于使车辆与前车的距离与本车当前的速度保持正比关系。而k_i，v，k_i，p和k_i，a分别为速度误差的增益系数，位置误差的增益系数和加速度误差的增益系数。

步骤3、为了保证车队和车辆的稳定性，经过频域分析之后针对跟随控制器参数进行限制，具体限制规则如下：

步骤4、在限制范围内用二分法搜索每辆车需要使用的控制参数。其中k_i，v，k_i，p和k_i，a为待搜索的控制参数。

步骤5、通过V2V通信获得前车的信息，所述的信息包括前车i- 1的位置p_i-1、速度v_i-1、加速度a_i-1、控制输入所属的闭集

加速度的上下限a_i-1，max,a_i-1，min。

步骤6、利用步骤4中搜索得到的控制参数k_i，v，k_i，p和k_i，a与步骤2定义的分布式跟随控制输入u_i(t)对车辆i进行控制。

步骤7、根据当前车辆状态和前方车辆状态，由基于安全不变集的安全控制器根据其状态判断是否需要输出最小控制量。安全控制器的引入是为了应对一些突发状况，如车队前方车辆紧急制动或车队侧面有车辆突然***，具体操作如下：

车辆i和车辆i-1的控制输入u_i和u_i-1分别处于闭集

和

中。其中

其中u _i，min，

u _i-1，min和

分别代表不同道路下车辆i控制输入的最小值的下边界值，最大值的上边界值和车辆i-1控制输入的最小值的下边界值，最大值的上边界值。

当车辆i的状态向量x_i＝[p_i v_i a_i]^T和车辆i-1的状态向量x_i-1＝[p_i-1 v_i-1 a_i-1]^T位于安全不变集

时，对于车辆i至少存在一个控制输入

能够使得两车的状态仍然保持在

中，

表示为：

其中：

其中a_i，max,a_i，mim分别为当前车辆的加速度上下限。若当前跟随控制器的控制作用会导致车辆的状态在未来跳出安全不变集时，则安全控制器被激活，输出控制输入的最小值的下边界值u _i，min以保证车辆的下一个状态会位于安全集中。

步骤8、在行驶过程中不断重复步骤5到步骤7，使得车队中的每一辆车可以在保持稳定行驶。

图1是本发明所述控制***的流程框图；图2是本发明所述车队的通信模式的示意图；图3是本发明的内部稳定性示意图；

实施例：

在本实施例中我们取由6辆车组成的车队，车辆的参数分别为τ分别为0.38，0.45，0.2，0.3，0.20和0.40，θ分别为0.24，0.27，0.21，0.3，0.22，0.28，h分别为1，0.8，0.85，0.9，0.95，0.9，L分别为10，11，9.8，10.5，10.2，9.6。跟随车辆的控制参数k_p分别设置为0.1，0.48，0.12，0.12，0.04，k_v分别设置为2，1.5，1.36，1.68，1.5。离散时间间隔Δt＝0.01s。设各车辆的控制输入u的上、下限分别为3和-12。所有车辆的初始速度为20，队列尾部车辆的初始位置设置为0，前面其他车辆的初始位置步骤2中的距离误差公式计算，使得所有车辆初始的距离误差均为0。

本实施例中所有参数都步骤3中的参数范围。为了证明***的内部稳定性，将5辆随车辆的初始加速度设置为不同的非零值，分别为2，1，-1，-2和-3m/s²，领头车辆的控制输入为零。不同车辆的加速度变化如图3所示，可以看出，在本发明提出的控制器的控制下，所有车辆的加速度都趋于零，也就是满足内部稳定性。为了证明队列的稳定性，我们模拟了在领头车辆的加速度突然变化的情况下，跟随车辆的加速度变化。以领头车辆的控制输入作为***的扰动，其给定值为

图4是对于不同控制输入整个车队的加速度变化情况示意图；从图4中可以看出，后方车辆的加速度可以跟随前车的加速度变化而变化，而且每辆车的加速度变化都比前车慢也就是在加速度增大的过程中，跟随车辆的加速度总是小于前车的加速度，在加速度减小的过程中，跟随车辆的加速度总是大于前车的加速度。为了证明安全性。在t＝5s时，前车的减速度设为-10m/s2。所有车辆的初始速度为30m/s，初始加速度为0m/s2，初始位置设置为93.57m、73.69m、56.52m、37.09m、19.14m、0m。图5表示安全控制器未启用时车队的间距变化，而图6是安全控制器启用的情况。由于通信延迟和执行器时滞，线性反馈控制器无法保证在这种高速低距离的情况下的安全，第二辆、第四辆和第六辆车都与前车相撞，在图中表现为为两车的距离小于0，图6表示即使在这种危险的情况下，安全控制器也能保证车队的安全。

Claims (7)

1.一种基于分布式切换控制的异构车队协同安全控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、由车辆自身的参数建立车辆i的运动学模型；

步骤2、利用步骤1所建立的车辆运动学模型设计跟随控制器；

步骤3、为了保证车队和车辆的稳定性，经过频域分析之后针对跟随控制器参数进行限制；

步骤4、在限制范围内用二分法搜索每辆车需要使用的控制参数；

步骤5、通过V2V通信获得前车的信息；

步骤6、利用步骤4中搜索得到的控制参数与步骤2定义的分布式跟随控制输入对车辆i进行控制；

步骤7、根据当前车辆状态和前方车辆状态，由基于安全不变集的安全控制器根据其状态判断是否需要输出最小控制量；

步骤8、在行驶过程中不断重复步骤5到步骤7，使得车队中的每一辆车可以在保持稳定行驶。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式切换控制的异构车队协同安全控制方法，其特征在于，步骤1由车辆自身的参数建立车辆i的运动学模型，具体操作如下：

其中p_i(t)，v_i(t)，a_i(t)和u_i(t)分别是车辆i的位置、速度、加速度和控制输入，τ_i和θ_i是车辆i的发动机惯性时间常数和输入延迟。

3.根据权利要求2所述的一种基于分布式切换控制的异构车队协同安全控制方法，其特征在于，步骤2利用步骤1所建立的车辆运动学模型设计跟随控制器，具体操作如下：

其中车辆i跟随控制输入定义如下：

u_i(t)＝k_i，ve_i，v(t)+k_i，pe_i，p(t)+k_i，ae_i，a(t)

其中e_i，v(t)，e_i，p(t)和e_i，a(t)分别是当前车辆和相邻前方车辆的速度误差、位置误差和加速度误差，定义为：

其中h_i为车辆的控制时隙，用于使车辆与前车的距离与本车当前的速度保持正比关系；而k_i，v，k_i，p和k_i，a分别为速度误差的增益系数，位置误差的增益系数和加速度误差的增益系数。

4.根据权利要求3所述的一种基于分布式切换控制的异构车队协同安全控制方法，其特征在于，步骤3具体限制规则如下：

5.根据权利要求4所述的一种基于分布式切换控制的异构车队协同安全控制方法，其特征在于，步骤4在限制范围内用二分法搜索每辆车需要使用的控制参数，其中k_i，v，k_i，p和k_i，a为待搜索的控制参数。

6.根据权利要求5所述的一种基于分布式切换控制的异构车队协同安全控制方法，其特征在于，步骤5通过V2V通信获得前车的信息，所述的信息包括前车i-1的位置p_i-1、速度v_i-1、加速度a_i-1、控制输入所属的闭集u_i-1、加速度的上下限a_i-1，max，a_i-1，min。

7.根据权利要求6所述的一种基于分布式切换控制的异构车队协同安全控制方法，其特征在于，步骤7具体操作如下：

车辆i和车辆i-1的控制输入u_i和u_i-1分别处于闭集u_i和u_i-1中；其中

其中u _i，min，

u _i-1，min和

分别代表不同道路下车辆i控制输入的最小值的下边界值，最大值的上边界值和车辆i-1控制输入的最小值的下边界值，最大值的上边界值；

当车辆i的状态向量x_i＝[p_i v_i a_i]^T和车辆i-1的状态向量x_i-1＝[p_i-1 v_i-1 a_i-1]^T位于安全不变集

时，对于车辆i至少存在一个控制输入

能够使得两车的状态仍然保持在

中，

表示为：

其中：

其中a_i，max，a_i，min分别为当前车辆的加速度上下限；若当前跟随控制器的控制作用会导致车辆的状态在未来跳出安全不变集时，则安全控制器被激活，输出控制输入的最小值的下边界值u _i，min以保证车辆的下一个状态会位于安全集中。

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