CN115128956A - 一种周期型控制结构车辆队列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能汽车与交通技术领域，且公开了一种周期型控制结构车辆队列，通过车载雷达和车‑车通信获取前方车辆的运动信息来决策自身运动；整个车辆队列共有p(p≥2)种不同的节点车辆控制增益组

并且这p种节点车辆控制增益组沿纵向车辆队列呈周期分布，位置相差p辆车的节点车辆都采用相同的控制增益组，一个周期内的p辆车的控制增益组各不相同。该周期型控制结构车辆队列,通过节点车辆控制增益组的合理设计，可以对某些频率范围内的交通波进行抑制，在实际应用中可以根据交通波的频率特征有针对性设计节点车辆的控制增益组和周期布置形式，从而可以有效改善车辆队列的动态特性，提高交通流稳定性，提升道路的通行能力。

Description

一种周期型控制结构车辆队列

技术领域

本发明涉及智能汽车与智能交通技术领域，具体为一种周期型控制结构车辆队列。

背景技术

在汽车队列中节点车辆通过车载传感器或车-车通信获取前方车辆的速度、位移等信息，并基于相应的跟驰控制策略决策输出安全跟驰行驶的目标加速度，再通过下层车辆运动控制将队列跟驰的目标加速度转化为车辆油门开度或制动力矩，使车辆尽可能实现队列跟驰的目标加速度，但是由于外界干扰以及前方车辆运动的扰动会使整个队列的跟驰运动产生波动，影响队列动力学甚至导致队列失稳，进而影响交通流，产生交通拥堵，甚至引发追尾碰撞事故。

同时，在振动控制领域，一种抑制振动的思路是采用周期性结构，通过合理设计周期性结构就能够在结构内部产生阻带，某些频率的波通过阻带时振幅会降低，从而达到抑制波传递的效果，受这一思路启发，提出了本发明的周期型控制结构车辆队列，在车辆队列中可以通过队列节点车辆控制增益的周期设置达到“周期性结构”的效果，实现对某些频率范围的交通波进行抑制，达到改善车辆队列和交通流动力学稳定性的目的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种周期型控制结构车辆队列，具备通过节点车辆控制增益组的周期设置和合理设计的优点，抑制了某些频率的交通波的传播，改善队列的动态特性，提升了交通流稳定性。

本发明提供如下技术方案：一种周期型控制结构车辆队列，包括：

由n辆车组成纵向车辆队列，队列中各节点车辆通过车载雷达获取与其前方最近车辆的车间距和相对车速，并且可以通过车与车通信的方式获取其前方m辆车的加速度信息，整个车辆队列采用分布式控制方式，各节点车辆根据车载雷达和车与车通信所获取的信息进行跟驰运动；

整个车辆队列共有p(p≥2)种节点车辆控制增益组

并且这p种节点车辆控制增益组沿纵向车辆队列呈周期分布，位置相差p辆车的节点车辆都采用相同的控制增益组，一个周期内的p辆节点车辆的控制增益组各不相同；

各节点车辆的分布式跟驰控制，是由对最近前车的间距跟驰控制、对最近前车的速度跟驰控制以及对前方m辆车的加速度跟驰控制三个部分组成，其中对最近前车的间距跟驰控制采用定时距的控制策略；

节点车辆的跟驰控制，一个周期里p辆车的跟驰控制目标加速度的计算方式如下：

1)假设队列中序号为i的车辆为某个周期里的第1辆车，其跟驰控制目标加速度为：

且满足

其中

为第1个增益组，且

2)对该周期里的第2辆车，即序号为i-1的节点车辆，其跟驰控制目标加速度为：

且满足

其中

为第2个增益组，且

3)以此类推，对这个周期里的第p辆车，即序号为i-p+1的节点车辆，其跟驰控制目标加速度为：

且满足

其中

为第p个增益组，且

4)根据上述节点车辆控制增益组沿纵向车辆队列呈周期分布，对序号为 i-p的节点车辆即下一周期的第1辆车，其跟驰控制目标加速度为：

且满足

其中

为第1个增益组，与上述车辆i也即上一周期第1辆车的增益组相同；

序号为i-p-1的节点车辆即下一周期的第2辆车，其控制增益组与上述节点车辆i-1也即上一周期的第2辆车的相同，即为

按照上述过程便可写出其跟驰控制目标加速度；

以此类推，可知其它节点车辆的增益组和跟驰控制目标加速度；

上述各式中：

1)x_i、x_i-1、x_i-2、x_i-p+1、x_i-p、x_i-p-1分别为节点车辆i、i-1、i-2、i-p+1、i-p和i-p-1的位移；

2)v_i、v_i-1、v_i-2、v_i-p+1、v_i-p、v_i-p-1分别为节点车辆i、i-1、i-2、i-p+1、 i-p和i-p-1的速度；

3)a_i、a_i-1、a_i-p+1、a_i-p分别为节点车辆i、i-1、i-p+1和i-p的目标加速度控制输出；

4)α_i-j、α_i-1-j、α_i-p+1-j、α_i-p-j分别为节点车辆i、i-1、i-p+1和i-p接收前方相应车辆的通信加速度的权重；

5)k_x1、k_v1、k_a1分别为控制增益组

的间距控制增益、速度控制增益和加速度控制增益；

6)k_x2、k_v2、k_a2分别为控制增益组

的间距控制增益、速度控制增益和加速度控制增益；

7)k_xp、k_vp、k_ap分别为控制增益组

的间距控制增益、速度控制增益和加速度控制增益；

8)h_w为车头时距；

根据节点车辆跟驰控制目标加速度，可独立采用四种跟驰控制方式来实现：

1)间距跟驰控制：满足k_v1＝k_v2＝…＝k_vp＝0且k_a1＝k_a2＝…＝k_ap＝0，而 k_x1，k_x2…k_xp均不为零；

2)间距跟驰控制+速度跟驰控制：满足k_a1＝k_a2＝…＝k_ap＝0，而k_x1，k_x2…k_xp均不为零，且k_v1，k_v2…k_vp均不为零；

3)间距跟驰控制+加速度跟驰控制：满足k_v1＝k_v2＝…＝k_vp＝0，而k_x1，k_x2…k_xp均不为零，且k_a1，k_a2…k_ap均不为零；

4)间距跟驰控制+速度跟驰控制+加速度跟驰控制：满足k_x1，k_x2…k_xp均不为零，k_v1，k_v2…k_vp均不为零，且k_a1，k_a2…k_ap均不为零；

一个周期内不同节点车辆可以采用相同的或者不同的跟驰控制实现方式。

作为本发明的一种优选技术方案，所述一个周期内增益组

的差异可能是跟驰控制实现方式的不同，也可能是同一跟驰控制实现方式下具体增益取值的不同。

作为本发明的一种优选技术方案，所述本周期型控制结构车辆队列既适用于同质的车辆队列，又适用于各种异质的车辆队列。

与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：

该周期型控制结构车辆队列，所提供的周期型控制结构车辆队列，各节点车辆控制增益沿纵向车辆队列周期布置形成“周期性结构”，通过节点车辆控制增益的合理设计可以对某些频率范围内的交通波进行抑制，在实际应用中可以根据交通波的频率特征有针对性设计节点车辆的控制增益和周期布置形式，从而可以改善车辆队列的动态特性，提升交通流稳定性，缓解交通拥堵。

附图说明

图1为本发明的周期型控制结构车辆队列示意图；

图2为本发明周期型控制结构车辆队列的质量-弹簧-阻尼等效机械模型示意图；

图3为本发明两种控制增益组

构成的周期型控制结构车辆队列等效机械模型示意图；

图4为本发明两种控制增益组

构成的周期型控制结构车辆队列的跟驰误差响应曲线图；

图5为本发明三种控制增益组

构成的周期型控制结构车辆队列等效机械模型示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，一种周期型控制结构车辆队列，包括：

由n辆车组成纵向车辆队列，队列中各节点车辆通过车载雷达获取与其前方最近车辆的车间距和相对车速，并且可以通过车与车通信的方式获取其前方m辆车的加速度信息，整个车辆队列采用分布式控制方式，各节点车辆根据车载雷达和车与车通信所获取的信息进行跟驰运动；

整个车辆队列共有p(p≥2)种节点车辆控制增益组

并且这p种节点车辆控制增益组沿纵向车辆队列呈周期分布，位置相差p辆车的节点车辆都采用相同的控制增益组，一个周期内的p辆节点车辆的控制增益组各不相同；

各节点车辆的分布式跟驰控制，是由对最近前车的间距跟驰控制、对最近前车的速度跟驰控制以及对前方m辆车的加速度跟驰控制三个部分组成，其中对最近前车的间距跟驰控制采用定时距的控制策略；

节点车辆的跟驰控制，一个周期里p辆车的跟驰控制目标加速度的计算方式如下：

1)假设队列中序号为i的车辆为某个周期里的第1辆车，其跟驰控制目标加速度为：

且满足

其中

为第1个增益组，且

2)对该周期里的第2辆车，即序号为i-1的节点车辆，其跟驰控制目标加速度为：

且满足

其中

为第2个增益组，且

3)以此类推，对这个周期里的第p辆车，即序号为i-p+1的节点车辆，其跟驰控制目标加速度为：

且满足

其中

为第p个增益组，且

4)根据上述节点车辆控制增益组沿纵向车辆队列呈周期分布，对序号为 i-p的节点车辆即下一周期的第1辆车，其跟驰控制目标加速度为：

且满足

其中

为第1个增益组，与上述车辆i也即上一周期第1辆车的增益组相同；

序号为i-p-1的节点车辆即下一周期的第2辆车，其控制增益组与上述节点车辆i-1也即上一周期的第2辆车的相同，即为K₂，按照上述过程便可写出其跟驰控制目标加速度；

以此类推，可知其它节点车辆的增益组和跟驰控制目标加速度；

上述各式中：

1)x_i、x_i-1、x_i-2、x_i-p+1、x_i-p、x_i-p-1分别为节点车辆i、i-1、i-2、i-p+1、i-p和i-p-1的位移；

2)v_i、v_i-1、v_i-2、v_i-p+1、v_i-p、v_i-p-1分别为节点车辆i、i-1、i-2、i-p+1、 i-p和i-p-1的速度；

3)a_i、a_i-1、a_i-p+1、a_i-p分别为节点车辆i、i-1、i-p+1和i-p的目标加速度控制输出；

4)α_i-j、α_i-1-j、α_i-p+1-j、α_i-p-j分别为节点车辆i、i-1、i-p+1和i-p接收前方相应车辆的通信加速度的权重；

5)k_x1、k_v1、k_a1分别为控制增益组

的间距控制增益、速度控制增益和加速度控制增益；

6)k_x2、k_v2、k_a2分别为控制增益组

的间距控制增益、速度控制增益和加速度控制增益；

7)k_xp、k_vp、k_ap分别为控制增益组

的间距控制增益、速度控制增益和加速度控制增益；

8)h_w为车头时距；

根据节点车辆跟驰控制目标加速度，可独立采用四种跟驰控制方式来实现：

1)间距跟驰控制：满足k_v1＝k_v2＝…＝k_vp＝0且k_a1＝k_a2＝…＝k_ap＝0，而 k_x1，k_x2…k_xp均不为零；

2)间距跟驰控制+速度跟驰控制：满足k_a1＝k_a2＝…＝k_ap＝0，而k_x1，k_x2…k_xp均不为零，且k_v1，k_v2…k_vp均不为零；

3)间距跟驰控制+加速度跟驰控制：满足k_v1＝k_v2＝…＝k_vp＝0，而k_x1，k_x2…k_xp均不为零，且k_a1，k_a2…k_ap均不为零；

4)间距跟驰控制+速度跟驰控制+加速度跟驰控制：满足k_x1，k_x2…k_xp均不为零，k_v1，k_v2…k_vp均不为零，且k_a1，k_a2…k_ap均不为零；

一个周期内不同节点车辆可以采用相同的或者不同的跟驰控制实现方式。

具体的，所述一个周期内增益组

的差异可能是跟驰控制实现方式的不同，也可能是同一跟驰控制实现方式下具体增益取值的不同。

本实施方案中，按照上述给出的具体实施方式，考虑由n辆车组成的纵向车辆队列，假设由两种控制增益组

构成周期型控制结构车辆队列，各节点车辆都可通过车-车通信最多接收其前方三辆车的加速度信息，该周期型控制结构车辆队列等效机械模型如图3所示；其中，控制增益组

的差异可能是跟驰控制方式的不同，例如

采用间距跟驰控制+速度跟驰控制(k_a1＝0，k_x1≠0，k_v1≠0)，

采用间距跟驰控制+加速度跟驰控制(k_v2＝0，k_x2≠0，k_a2≠0)；控制增益组

的差异也可能是同一跟驰控制方式下具体增益取值的不同，例如

均采用间距跟驰控制 +速度跟驰控制方式(k_a1＝k_a2＝0，k_x1≠0，k_x2≠0，k_v1≠0，k_v2≠0)，但具体增益取值不同，比如

中的增益取值为k_a1＝0、k_x1＝1、k_v1＝2，

中的增益取值为k_a2＝0、k_x2＝3、k_v2＝0.5。

为演示周期型控制结构车辆队列的控制效果，以100辆车组成的车辆队列为例，由增益组

组成周期型控制结构，在受到外界干扰时的车辆间距跟驰误差响应比较如图4(a,b)所示，比较了本发明的周期控制结构与传统单一控制结构的间距跟驰误差响应情况，从仿真的第50s和第100s时刻各节点车辆的间距跟驰误差响应可以看出，采用本发明的周期控制结构可以获得比传统单一控制结构更小的跟驰误差，更能有效抑制外界干扰的影响。

具体的，所述本周期型控制结构车辆队列既适用于同质的车辆队列，又适用于各种异质的车辆队列。

本实施方案中，按照上述给出的具体实施方式，考虑由n辆车组成的纵向车辆队列，假设由三种控制增益组

构成周期型控制结构车辆队列，各节点车辆都可通过车-车通信最多接收其前方两辆车的加速度信息，所述的周期型控制结构车辆队列等效机械模型如图5所示，其中，控制增益组

的差异可能是跟驰控制方式的不同，也可能是同一跟驰控制方式下具体增益取值的不同，具体举例与上述的类似，不再赘述。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种周期型控制结构车辆队列，其特征在于，包括：

由n辆车组成纵向车辆队列，队列中各节点车辆通过车载雷达获取与其前方最近车辆的车间距和相对车速，并且可以通过车与车通信的方式获取其前方m辆车的加速度信息，整个车辆队列采用分布式控制方式，各节点车辆根据车载雷达和车与车通信所获取的信息进行跟驰运动；

整个车辆队列共有p(p≥2)种节点车辆控制增益组

并且这p种节点车辆控制增益组沿纵向车辆队列呈周期分布，位置相差p辆车的节点车辆都采用相同的控制增益组，一个周期内的p辆节点车辆的控制增益组各不相同；

各节点车辆的分布式跟驰控制，是由对最近前车的间距跟驰控制、对最近前车的速度跟驰控制以及对前方m辆车的加速度跟驰控制三个部分组成，其中对最近前车的间距跟驰控制采用定时距的控制策略；

节点车辆的跟驰控制，一个周期里p辆车的跟驰控制目标加速度的计算方式如下：

1)假设队列中序号为i的车辆为某个周期里的第1辆车，其跟驰控制目标加速度为：

且满足

其中

为第1个增益组，且

2)对该周期里的第2辆车，即序号为i-1的节点车辆，其跟驰控制目标加速度为：

且满足

其中

为第2个增益组，且

3)以此类推，对这个周期里的第p辆车，即序号为i-p+1的节点车辆，其跟驰控制目标加速度为：

且满足

其中

为第p个增益组，且

4)根据上述节点车辆控制增益组沿纵向车辆队列呈周期分布，对序号为i-p的节点车辆即下一周期的第1辆车，其跟驰控制目标加速度为：

且满足

其中

为第1个增益组，与上述车辆i也即上一周期第1辆车的增益组相同；

序号为i-p-1的节点车辆即下一周期的第2辆车，其控制增益组与上述节点车辆i-1也即上一周期的第2辆车的相同，即为

按照上述过程便可写出其跟驰控制目标加速度；

以此类推，可知其它节点车辆的增益组和跟驰控制目标加速度；

上述各式中：

1)x_i、x_i-1、x_i-2、x_i-p+1、x_i-p、x_i-p-1分别为节点车辆i、i-1、i-2、i-p+1、i-p和i-p-1的位移；

2)v_i、v_i-1、v_i-2、v_i-p+1、v_i-p、v_i-p-1分别为节点车辆i、i-1、i-2、i-p+1、i-p和i-p-1的速度；

3)a_i、a_i-1、a_i-p+1、a_i-p分别为节点车辆i、i-1、i-p+1和i-p的目标加速度控制输出；

4)α_i-j、α_i-1-j、α_i-p+1-j、α_i-p-j分别为节点车辆i、i-1、i-p+1和i-p接收前方相应车辆的通信加速度的权重；

5)k_x1、k_v1、k_a1分别为控制增益组

的间距控制增益、速度控制增益和加速度控制增益；

6)k_x2、k_v2、k_a2分别为控制增益组

的间距控制增益、速度控制增益和加速度控制增益；

7)k_xp、k_vp、k_ap分别为控制增益组

的间距控制增益、速度控制增益和加速度控制增益；

8)h_w为车头时距；

根据节点车辆跟驰控制目标加速度，可独立采用四种跟驰控制方式来实现：

1)间距跟驰控制：满足k_v1＝k_v2＝…＝k_vp＝0且k_a1＝k_a2＝…＝k_ap＝0，而k_x1，k_x2…k_xp均不为零；

2)间距跟驰控制+速度跟驰控制：满足k_a1＝k_a2＝…＝k_ap＝0，而k_x1，k_x2…k_xp均不为零，且k_v1，k_v2…k_vp均不为零；

3)间距跟驰控制+加速度跟驰控制：满足k_v1＝k_v2＝…＝k_vp＝0，而k_x1，k_x2…k_xp均不为零，且k_a1，k_a2…k_ap均不为零；

4)间距跟驰控制+速度跟驰控制+加速度跟驰控制：满足k_x1，k_x2…k_xp均不为零，k_v1，k_v2…k_vp均不为零，且k_a1，k_a2…k_ap均不为零；

一个周期内不同节点车辆可以采用相同的或者不同的跟驰控制实现方式。

2.根据权利要求1所述的一种周期型控制结构车辆队列，其特征在于：所述一个周期内增益组

的差异可能是跟驰控制实现方式的不同，也可能是同一跟驰控制实现方式下具体增益取值的不同。

3.根据权利要求1所述的一种周期型控制结构车辆队列，其特征在于：所述本周期型控制结构车辆队列既适用于同质的车辆队列，又适用于各种异质的车辆队列。

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