CN105788238B - 基于量子门和自适应控制的类弹簧车辆跟驰模型建立方法 - Google Patents
基于量子门和自适应控制的类弹簧车辆跟驰模型建立方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105788238B CN105788238B CN201610009804.7A CN201610009804A CN105788238B CN 105788238 B CN105788238 B CN 105788238B CN 201610009804 A CN201610009804 A CN 201610009804A CN 105788238 B CN105788238 B CN 105788238B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- vehicle
- model
- speeding
- speed
- front truck
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G08—SIGNALLING
- G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
- G08G1/00—Traffic control systems for road vehicles
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/30—Circuit design
- G06F30/36—Circuit design at the analogue level
- G06F30/367—Design verification, e.g. using simulation, simulation program with integrated circuit emphasis [SPICE], direct methods or relaxation methods
Abstract
本发明公开了一种基于量子门和自适应控制的类弹簧车辆跟驰模型建立方法,该方法包括以下步骤:根据跟驰车、前车的具体情况建立类弹簧车辆跟驰模型;引入前车和跟驰车的速度差作为反馈量设置反馈控制条件,使跟驰车速度稳定;加入自适应控制条件来替换类弹簧车辆跟驰模型中难以测量的参数;当前车因为某些原因减速或抛锚停止时,根据跟驰车的与前车的速度以及两车间的距离因素,设置跟驰车变道绕行的规则;该建模方法通过加入自适应控制,反馈控制和换道控制,优化车辆跟驰系统模型,从而减缓交通堵塞,减少车辆延误,提高交通路网的使用率,减少尾气排放和噪声污染及能源消耗,并及时为道路使用者提供必要的交通状况信息,增加交通安全。
Description
技术领域
本发明涉及建立一种车辆跟驰模型建模方法,特别是涉及一种基于量子门和自适应控制的类弹簧车辆跟驰模型建立方法。
背景技术
20世纪40年代末,经济得到极快发展,交通问题日益严重迫使炫多国家开始研究交通流基础理论和交通管理。到了80年代,随着计算机的发展,对交通流特性的研究采用了微观交通流仿真模型。跟驰模型作为微观交通仿真模型所必须的基本组成部分,其研究工作得到人们的重视。近年来,随着ITS(intelligent transportation system)的提出与发展,出于对交通流特性以及车辆在ITS下的控制的了解需要,跟驰理论再一次成为研究热点。在新技术的推动下,对跟驰理论的研究一方面是对更细致的微观行为进行更深入的研究,另一方面是与宏观交通流特性的研究结合得更加紧密。
1953年Pipes建立了车辆跟驰模型,并给出了解析结果,标志着车辆跟驰模型解析方法的研究开始。60年代,一大批学者开始着手研究车辆跟驰模型。80年代,车辆跟驰模型的研究进展缓慢,主要是对早期问题进行更深入的研究。最近,随着车辆自动智能巡航系统、驾驶员信息诱导系统和智能交通运输系统的开发,车辆跟驰模型的研究又成为一个热点。
GM模型是上世纪50年代提出的车辆跟驰模型。此模型假设车辆在75英尺内不变换车道,也不超车的情况下,由驾驶动力学模型推导过来。并引入了反应=灵敏度*刺激。GM模型简单,有明确的物理意义,在早起来看,这模型具有开创意义。当然,此模型也有许多缺陷,模型自己存在着许多矛盾,而且此模型不能用于变道车辆。Helly在GM模型的基础上提出了线性模型。在线性模型里面,Helly考虑了前车是否制动减速对后车加速度的影响项。比起GM模型,线性模型更优势,但其通用性较差。Kometani和Sasaki提出了安全距离模型,也叫防撞模型。此模型不是基于GM模型,而是选择一个临界距离,当前车突然变速,两车间距离小于临界距离,就有可能发生碰撞。此模型被广泛的运用于计算机仿真中。尽管模型很合理,但任然存在许多问题,当用此模型分析问题,那很难和实际最大交通流温和。还有反应点模型,模糊推理模型等被提出,但总不能完全符合实际要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足,提供一种加入自适应控制、反馈控制和换道控制的车辆跟驰系统模型,优化车辆跟驰系统模型,从而减缓交通堵塞。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
基于量子门和自适应控制的类弹簧车辆跟驰模型建立方法,该方法包括以下步骤:
根据跟驰车、前车的具体情况建立类弹簧车辆跟驰模型,引入前车和跟驰车的速度差作为反馈量设置反馈控制条件,使跟驰车速度稳定;
并且加入自适应控制条件来替换类弹簧车辆跟驰模型中难以测量的参数;
当前车因为某些原因减速或抛锚停止时,根据跟驰车的与前车的速度以及两车间的距离因素,设置跟驰车变道绕行的规则。
所述类弹簧车辆跟驰模型具体为:
其中,l1(t)为模型中前车位置,l2(t)为模型中跟驰车位置,l为模型中两车之间的安全距离,k为模型中的弹簧弹性系数,m跟驰车的质量;
将式(1)转换成一维谐振子的模型如式子(2)
其中,X,A,B,u,w由式(4)给出:
其中,v2(t)为模型中跟驰车速度,A是系统矩阵,B是输入控制矩阵,x是系统状态,u为系统输入;w2是一个中间参数,
引入前车和跟驰车的速度差作为反馈量设置反馈控制条件,使跟驰车速度稳定具体过程为:
u1=v1(t)-v2(t) (6)
其中v1(t)是模型中前车的速度,v2(t)是模型中跟驰车的速度,u1是反馈量,为前车速度与跟驰车速度的速度差,q为反馈系数;X,A,B,u,w由式(4)给出。
其中,w2是一个中间参数,
所述的自适应控制条件具体为:
其中,F*、K*是中间参数,通过Bm=BK*求得;F(t),K(t)为自适应控制率,P、R1 -1和R2 -1均为任意对称正定矩阵,Bm为参考模型的输入矩阵,e为实际模型和参考模型的状态误差,xm为参考模型的系统状态。
所述跟驰车变道绕行的规则具体为:
规则(a),当跟驰车速度大于1.05倍的前车速度,且跟驰车和前车之间的距离小于4倍的安全距离,跟驰车计划变道;此时,当跟驰车与相邻车道的前车之间的距离大于2倍的跟驰车与本车道前车之间的距离,跟驰车与相邻车道后车之间的距离大于安全距离,安全条件达成,跟驰车变道;
规则(b),当跟驰车和前车之间的距离小于2倍的安全距离,跟驰车与相邻车道的前车之间的距离大于跟驰车与本车道前车之间的距离,跟驰车计划变道;此时,当跟驰车与相邻车道后车之间的距离大于安全距离,安全条件达成,跟驰车变道。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
本发明所述一种基于自适应控制,反馈控制和量子门换道的车辆跟驰系统模型采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:跟驰车速度稳定,可以避开某些参数难以测量的问题,量子门使运算更加快捷,模型具有缓解交通堵塞的能力。
车辆跟驰系统是交通控制的重要组成部分,对于整个交通系统的安全性能和通行能力有着非常重要的作用。通过加入自适应控制,反馈控制和换道控制,优化车辆跟驰系统模型,从而减缓交通堵塞,减少车辆延误,提高交通路网的使用率,减少尾气排放和噪声污染及能源消耗,并及时为道路使用者提供必要的交通状况信息,增加交通安全。
附图说明
图1为本发明中控制方案的方框图;
图2为本发明中类弹簧车辆跟驰模型的示意图;
图3为应用本发明中一种针对类弹簧车辆跟驰模型的换道算法设计的示意图;
图4为应用本发明中类弹簧车辆跟驰模型,类弹簧反馈车辆跟驰模型和类弹簧自适应车辆跟驰模型的跟驰车速度曲线;
图5为应用本发明中类弹簧车辆跟驰模型,类弹簧反馈车辆跟驰模型和类弹簧自适应车辆跟驰模型的跟驰车有干扰时的速度曲线;
图6为应用本发明中类弹簧车辆跟驰模型,类弹簧反馈车辆跟驰模型和类弹簧自适应车辆跟驰模型的跟驰车换道时的速度曲线。
具体实施方式
本发明提供一种基于量子门和自适应控制的类弹簧车辆跟驰模型建立方法,为使本发明的目的,技术方案及效果更加清楚,明确,以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
在本实施例中,被研究的车辆跟驰模型如图1、图2,本发明中使用了类弹簧车辆跟驰模型。当跟驰车和前车距离太近时,跟驰车会减速来远离前车,来保持安全距离。当跟驰车和前车距离太远时,跟驰车会加速来靠近前车,就犹如跟驰车与前车之间有一个弹簧相连。根据这一生活中的特性,建立了类弹簧车辆跟驰模型;该方法包括以下步骤:
根据跟驰车、前车的具体情况建立类弹簧车辆跟驰模型,引入前车和跟驰车的速度差作为反馈量设置反馈控制条件,使跟驰车速度稳定;
加入自适应控制条件来替换类弹簧车辆跟驰模型中难以测量的参数;
当前车因为某些原因减速或抛锚停止时,根据跟驰车的与前车的速度以及两车间的距离因素,设置跟驰车变道绕行的规则。
具体的说,本发明设计的类弹簧车辆跟驰模型,具体模型如下所示:
将式子(1)转换成一维谐振子的模型如式子(2)
其中,x,A,B,u,w由式(4)给出:
其中,l1(t)为模型中前车位置,l2(t)为模型中跟驰车位置,l为模型中两车之间的安全距离,k为模型中的弹簧弹性系数,m跟驰车的质量;
其中,v2(t)为模型中跟驰车速度,A是系统矩阵,B是输入控制矩阵,x是系统状态,u为系统输入。w2是一个中间参数,
上述模型类似于谐振子的模型,在此模型中,当输入量是不稳定的时,输出量会一直振荡变化。由于前车在行驶中不能保证车速一直不变,为了能让跟驰车保持速度基本恒定不变。将前车和跟驰车的速度差作为反馈量加入模型中。
u1=v1(t)-v2(t) (6)
其中v1(t)是模型中前车的速度,v2(t)是模型中跟驰车的速度,u1是反馈量,为前车速度与跟驰车速度的速度差,q为反馈系数。X,A,B,u,w由式(4)给出。
为了类弹簧反馈车辆跟驰模型稳定,q需要满足一定条件。下面将通过定理求出q所需满足的条件:
线性定常系统A为渐近稳定的充要条件是,给定任一个正定对称矩阵Q,都存在唯一的正定对称矩阵P,满足如下李雅普诺夫方程:
ATP+PA=-Q
令Q=I,I是单位矩阵。那么线性定常系统A渐近稳定的充要条件为:
将式(5)代入这个条件。可得到式(6)
将式(10)代入上述条件,可得式(8)
加入反馈控制后,跟驰车能平稳的行进,不会因为前车的变速而自己速度振荡。使车辆更加安全。
由于类弹簧车辆跟驰模型中的弹性系数k无法直接测量获得,式(3)中的矩阵A、B无法直接获得,只能根据历史数据大致估计,为解决这一问题,提出了类弹簧自适应车辆跟驰模型。首先给出一个稳定的参考模型,参考模型中的参数都有具体值。然后让控制模型去按照这个参考模型的轨迹走。由于参考模型是稳定的,那控制模型必然也是稳定的;该过程具体为:
令u1=K(t)u+F(t)x (12)
将式(12)代入式(11)中,得
参考模型为:
Am∈Rn×n,Bm∈Rn×m。他们是恒定的矩阵。
误差为:
e=xm-x (15)
为了让控制模型跟踪参考模型,下面两个式子(17)、(18)需要被满足。
Am=A+BF* (17)
Bm=BK* (18)
将式(17),(18)代入式(16),得
假设李雅普诺夫函数V
当P、R1 -1和R2 -1都是对称正定矩阵时,
V>0
为了使是负定矩阵,下面两个式子需要满足
得到自适应控制律为
F(t),K(t)为自适应控制率,P、R1 -1和R2 -1都是对称正定矩阵,Bm为参考模型的输入矩阵,e为实际模型和参考模型的状态误差,xm为参考模型的系统状态。
通过自适应控制,实际的跟驰车能按照参考模型中的跟驰车行进,我们能更加好的控制车辆。
当前车因为某些原因减速或抛锚停止时,为了让跟随车继续前行,给出了类弹簧车辆跟驰模型换道的算法,使有整个交通流能保持畅通。跟驰车便道需满足以下条件:
(a)vi(t)>1.05vi-1(t),Δxi(t)<4xc,响应条件,
Δfi(t)>2Δxi(t),Δbi(t)>xc,安全条件;
(b)Δxi(t)<2xc,Δfi(t)>Δxi(t),响应条件,
Δbi(t)>xc,安全条件;
其中vi(t)为第i量车的速度,Δxi(t)为第i量车与第i-1量车之间的距离,xc为两辆相邻车之间的安全距离,Δfi(t)为第i量车与相邻道前车之间的距离,Δbi(t)为第i量车与相邻道后车之间的距离。
在规则(a)中,当跟驰车速度大于1.05倍的前车速度,跟驰车和前车之间的距离小于4倍的安全距离,响应条件达成,这时车辆就想变道。然后车辆开始检查安全条件是否达成。当跟驰车与相邻车道的前车之间的距离大于2倍的跟驰车与本车道前车之间的距离,跟驰车与相邻车道后车之间的距离大于安全距离,安全条件达成,车辆开始变道。
在规则(b)中,当跟驰车和前车之间的距离小于2倍的安全距离,跟驰车与相邻车道的前车之间的距离大于跟驰车与本车道前车之间的距离,响应条件达成,这时车辆就想变道。然后车辆开始检查安全条件是否达成。当跟驰车与相邻车道后车之间的距离大于安全距离,安全条件达成,车辆开始变道。
通过matlab对上诉算法进行了仿真,图4为类弹簧车辆跟驰模型,类弹簧反馈车辆跟驰模型和类弹簧自适应车辆跟驰模型的跟驰车速度曲线。图5为类弹簧车辆跟驰模型,类弹簧反馈车辆跟驰模型和类弹簧自适应车辆跟驰模型的跟驰车有干扰时的速度曲线。图6为类弹簧车辆跟驰模型,类弹簧反馈车辆跟驰模型和类弹簧自适应车辆跟驰模型的跟驰车换道时的速度曲线。
Claims (3)
1.基于量子门和自适应控制的类弹簧车辆跟驰模型建立方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
根据跟驰车、前车的具体情况建立类弹簧车辆跟驰模型,引入前车和跟驰车的速度差作为反馈量设置反馈控制条件,使跟驰车速度稳定;
并且加入自适应控制条件来替换类弹簧车辆跟驰模型中难以测量的参数;
当前车因为某些原因减速或抛锚停止时,根据跟驰车的与前车的速度以及两车间的距离因素,设置跟驰车变道绕行的规则;
引入前车和跟驰车的速度差作为反馈量设置反馈控制条件,使跟驰车速度稳定具体过程为:
u1=v1(t)-v2(t) (6)
其中v1(t)是模型中前车的速度,v2(t)是模型中跟驰车的速度,u1是反馈量,为前车速度与跟驰车速度的速度差,q为反馈系数;X,A,B,u,w由式(4)给出;
所述的反馈系数q满足
其中,w2是一个中间参数,
所述跟驰车变道绕行的规则具体为:
规则(a),当跟驰车速度大于1.05倍的前车速度,且跟驰车和前车之间的距离小于4倍的安全距离,跟驰车计划变道;此时,当跟驰车与相邻车道的前车之间的距离大于2倍的跟驰车与本车道前车之间的距离,跟驰车与相邻车道后车之间的距离大于安全距离,安全条件达成,跟驰车变道;
规则(b),当跟驰车和前车之间的距离小于2倍的安全距离,跟驰车与相邻车道的前车之间的距离大于跟驰车与本车道前车之间的距离,跟驰车计划变道;此时,当跟驰车与相邻车道后车之间的距离大于安全距离,安全条件达成,跟驰车变道。
2.根据权利要求1所述的基于量子门和自适应控制的类弹簧车辆跟驰模型建立方法,其特征在于,
所述类弹簧车辆跟驰模型具体为:
其中,l1(t)为模型中前车位置,l2(t)为模型中跟驰车位置,l为模型中两车之间的安全距离,k为模型中的弹簧弹性系数,m跟驰车的质量;
将式(1)转换成一维谐振子的模型如式子(2)
其中,X,A,B,u,w由式(4)给出:
其中,v2(t)为模型中跟驰车速度,A是系统矩阵,B是输入控制矩阵,x是系统状态,u为系统输入;w2是一个中间参数,
3.根据权利要求2所述的基于量子门和自适应控制的类弹簧车辆跟驰模型建立方法,其特征在于,所述的自适应控制条件具体为:
其中,F*、K*是中间参数,通过Bm=BK*求得;F(t),K(t)为自适应控制率,P、R1 -1和R2 -1均为任意对称正定矩阵,Bm为参考模型的输入矩阵,e为实际模型和参考模型的状态误差,xm为参考模型的系统状态。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201610009804.7A CN105788238B (zh) | 2016-01-07 | 2016-01-07 | 基于量子门和自适应控制的类弹簧车辆跟驰模型建立方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201610009804.7A CN105788238B (zh) | 2016-01-07 | 2016-01-07 | 基于量子门和自适应控制的类弹簧车辆跟驰模型建立方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN105788238A CN105788238A (zh) | 2016-07-20 |
CN105788238B true CN105788238B (zh) | 2018-08-28 |
Family
ID=56390091
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201610009804.7A Expired - Fee Related CN105788238B (zh) | 2016-01-07 | 2016-01-07 | 基于量子门和自适应控制的类弹簧车辆跟驰模型建立方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN105788238B (zh) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107544254B (zh) * | 2017-10-12 | 2020-04-14 | 北京航空航天大学 | 一种期望安全裕度跟驰模型的自适应动态滑模控制方法 |
CN109733390B (zh) * | 2018-12-29 | 2021-07-20 | 江苏大学 | 一种基于驾驶人特性的自适应换道预警方法 |
CN113064423B (zh) * | 2021-03-16 | 2022-06-21 | 广西师范大学 | 基于优化传输信息的跟驰控制模型、方法和系统 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102991498A (zh) * | 2011-12-19 | 2013-03-27 | 王晓原 | 基于多源信息融合的驾驶员跟驰行为模型 |
JP2013136381A (ja) * | 2013-03-25 | 2013-07-11 | Toyota Motor Corp | 車両制御装置、車両制御方法及び車両制御システム |
-
2016
- 2016-01-07 CN CN201610009804.7A patent/CN105788238B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102991498A (zh) * | 2011-12-19 | 2013-03-27 | 王晓原 | 基于多源信息融合的驾驶员跟驰行为模型 |
JP2013136381A (ja) * | 2013-03-25 | 2013-07-11 | Toyota Motor Corp | 車両制御装置、車両制御方法及び車両制御システム |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
DIRECT SELF-REPAIRING CONTROL FOR HELICOPTER VIA QUANTUM CONTROL AND ADAPTIVE COMPENSATOR;陈复扬等;《Transactions of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics》;20111231;第28卷(第4期);第338-340页 * |
车辆跟驰模型研究;刘岩;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库 (硕士) 工程科技Ⅱ辑》;20061215;第20-23页 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN105788238A (zh) | 2016-07-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Li et al. | Effect of pulse‐and‐glide strategy on traffic flow for a platoon of mixed automated and manually driven vehicles | |
Han et al. | Safe-and eco-driving control for connected and automated electric vehicles using analytical state-constrained optimal solution | |
Jiang et al. | Eco approaching at an isolated signalized intersection under partially connected and automated vehicles environment | |
Xu et al. | Look-ahead prediction-based real-time optimal energy management for connected HEVs | |
Liang et al. | Heavy-duty vehicle platoon formation for fuel efficiency | |
Ntousakis et al. | On microscopic modelling of adaptive cruise control systems | |
CN104809554B (zh) | 一种面向道路交通事故应急处置的决策支持系统及方法 | |
Deng | A general simulation framework for modeling and analysis of heavy-duty vehicle platooning | |
Lu et al. | Energy-efficient adaptive cruise control for electric connected and autonomous vehicles | |
CN105788238B (zh) | 基于量子门和自适应控制的类弹簧车辆跟驰模型建立方法 | |
Ding et al. | Driving strategy of connected and autonomous vehicles based on multiple preceding vehicles state estimation in mixed vehicular traffic | |
Zhang et al. | Safe and energy-saving vehicle-following driving decision-making framework of autonomous vehicles | |
Zhang et al. | A multi-vehicle longitudinal trajectory collision avoidance strategy using AEBS with vehicle-infrastructure communication | |
He et al. | Gaussian learning‐based fuzzy predictive cruise control for improving safety and economy of connected vehicles | |
Zhao et al. | Coordinated throttle and brake fuzzy controller design for vehicle following | |
Lee et al. | Design and field evaluation of cooperative adaptive cruise control with unconnected vehicle in the loop | |
Bakibillah et al. | Fuzzy-tuned model predictive control for dynamic eco-driving on hilly roads | |
Zhang et al. | Mechanism of road capacity under different penetration scenarios of autonomous vehicles | |
Wang et al. | Effect of front two adjacent vehicles’ velocity information on car-following model construction and stability analysis | |
Zheng et al. | Distance‐based formation control for multi‐lane autonomous vehicle platoons | |
Huang et al. | Cooperative ramp merging for mixed traffic with connected automated vehicles and human-operated vehicles | |
Zhang et al. | Driving style classification for vehicle-following with unlabeled naturalistic driving data | |
CN111767648B (zh) | 一种基于简化的社会力计算模型的混合交通仿真方法 | |
Wang et al. | Research on vehicle adaptive cruise control based on BP neural network working condition recognition | |
Hua | A new car-following model considering recurrent neural network |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180828 Termination date: 20220107 |
|
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |