CN111047853A - 一种保障交通流稳定的车辆编队控制方法和系统 - Google Patents

一种保障交通流稳定的车辆编队控制方法和系统 Download PDF

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胡满江
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谢国涛
王晓伟
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丁荣军
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Abstract

本发明公开了一种保障交通流稳定的车辆编队控制方法，包括如下步骤：步骤1，将编队中车辆从前到后进行1～N编号，其中第1辆为领航车辆，其余N‑1辆为跟随车辆，步骤2，在行驶过程中，领航车辆和每个跟随车辆i利用车载通信将自身的编号、位置、速度、加速度信息发送至后方至多m个车辆；步骤3，每个跟随车辆i利用自身和所接收的前方至多m个车辆的位置、速度、加速度信息计算期望加速度；步骤4，每个跟随车辆进行底层加速与制动执行器控制；步骤5，每个跟随车辆不断重复上述步骤2～4。本发明的保障交通流稳定的车辆编队控制方法，可通过车辆之间的通信，在干扰存在下保持车辆编队期望几何构型。

Description

一种保障交通流稳定的车辆编队控制方法和系统
技术领域
本发明涉及智能交通领域，尤其是涉及一种保障交通流稳定的车辆编队控制方法和系统。
背景技术
汽车工业的蓬勃发展给人类的交通带来了巨大的便利，但车辆保有量的迅速上升也带来了交通堵塞、道路事故、环境污染等问题。针对车辆安全性和经济性，目前已有很多取得应用的技术，如先进驾驶员辅助系统(Advanced Driver Assistance System，ADAS)和自适应巡航控制(Adaptive Cruise Control，ACC)，但这些技术仅把单个车辆作为控制对象，不考虑多个车辆间的耦合作用，因而对于性能改善的程度是有限的。近年来，车载通信技术快速发展，使得车辆间的协同控制成为可能。基于通讯的车辆编队控制技术又被称为协同自适应巡航控制(Cooperative Adaptive Cruise Control，CACC)，其可以显著减缓交通拥堵、改善交通效率、提高驾驶安全性和改进燃油经济性，因而得到了广泛研究。
目前已有诸多关于车辆编队的相关专利。申请号为201910422168.4和201910519774.8的专利提供了高速公路重型卡车队列行驶中车辆纵向跟随控制方法，上述方法设计的反馈控制率考虑了编队系统的闭环稳定性；申请号为201811395858.7和201910080391.5的专利分别考虑了存在通信时延和通拓扑时变下编队系统的闭环稳定性。但是，为了保证道路安全，控制系统还应具有使个体车辆跟踪误差在向后传播过程中不被放大的特性，即队列稳定性。申请号为201810090570.2的专利通过在控制器后串联滤波器的方式设计了可调节控制器参数的稳定域，但解析表达式复杂，不利于工程应用时进行调节参数并提高道路容量。另外，工程应用中车辆动力学参数存在不确定性，无法准确对车辆进行建模，且存在外部干扰，如风阻等，目前仍没有实用有效的方法在外界干扰和异质性存在的情况下设计保证编队的稳定的鲁棒控制器。
为解决上述问题，本发明给出了一种保障交通流稳定并提升道路容量的车辆编队控制方法和系统。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种车辆编队控制方法和系统以保障交通流稳定并提升道路容量。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种保障交通流稳定的车辆编队控制方法，包括如下步骤：
步骤1，将编队中车辆从前到后进行1～N编号，其中第1辆为领航车辆，其余N-1辆为跟随车辆，车辆i的运动学方程如下式给出：
Figure BDA0002362765520000021
其中，pi、vi、ai、ades,i、τn分别为车辆i的位置、速度、加速度、期望加速度和纵向传动系统时滞常数；
步骤2，在行驶过程中，领航车辆和每个跟随车辆i利用车载通信将自身的编号、位置、速度、加速度信息发送至后方至多m个车辆，同时，每个跟随车辆接收前方至多m个车辆所发送的信息，得到车辆i相对车辆j的位置、速度和加速度跟踪误差分别为
Figure BDA0002362765520000022
Thw、d分别表示车头时距与静止安全距离；
步骤3，判断跟踪误差是否超过阈值，若超过，则自适应调整控制增益系数；
步骤4，每个跟随车辆i利用自身和所接收的前方至多m个车辆的位置、速度、加速度信息，计算自身的期望加速度为：
ades,i＝anom,i-cssign(si)；
其中，
Figure BDA0002362765520000031
cp、cv、ca、cs为反馈控制增益系数，通过
Figure BDA0002362765520000032
进行抗干扰反馈；
步骤5，每个跟随车辆进行底层加速与制动执行器控制，以跟踪所计算的期望加速度ades,i；
步骤6，每个跟随车辆不断重复上述步骤2～5，以实现车辆编队行驶。
作为本发明的进一步改进，所述步骤1中，纵向传动系统时滞常数τn应提前进行离散工况参数辨识，并根据跟随车辆当前运行工况进行动态选取，其中n为对应工况编号。
作为本发明的进一步改进，所述步骤4中ca取一正数，Thw取τn/(cam+0.5)+δ，其中δ亦为一正数。
作为本发明的进一步改进，所述步骤4中，cp和cv在选取时应满足在l＝1和l＝m时：P≥0成立，且Q≥0或
Figure BDA0002362765520000033
成立；
其中，P＝cpm(mcp(1-(l-m)2)·Thw2+2mcv(1+m-l)·Thw-2)，Q＝2cam-2mτn(cv+Thwcp)+1。
作为本发明的进一步改进，所述步骤4中，当不存在外部干扰和车辆间动力学差异时，可取cs＝0；否则取cs为一适当正数。
作为本发明的进一步改进，所述步骤4中，为减轻非光滑控制输入导致的抖震现象，可以用
Figure BDA0002362765520000034
代替sign(si)一项，其中csat取一合适正数，
Figure BDA0002362765520000035
为饱和函数，当自变量小于-1时取-1，当自变量大于1时取1，其他情况取值等于自变量。
一种应用上述方法的系统，包括车辆终端和运行服务器，所述车辆终端和运行服务器相互通信连接，以运行搭载所述方法的程序。
本发明的有益效果：
(1)所设计的车辆编队控制方法和系统可以保证车辆编队的闭环稳定与队列稳定，进而保证交通流稳定，提升交通安全性。
(2)所设计的车辆编队控制方法和系统可以通过增多前车数的方式降低车头时距，进而提高车辆密度，提升道路容量。
(3)所设计的车辆编队控制方法和系统可以在存在外部干扰和车辆间动力学差异时仍保持良好的控制性能。
附图说明
图1为本发明中实现车辆编队驾驶的控制流程图；
图2为本发明中车辆编队的通信拓扑结构图；
图3为本发明中个体车辆控制系统结构图。
具体实施方式
下面将结合附图所给出的实施例对本发明做进一步的详述。
参照图1至3所示，本实施例为了解决智能交通领域车辆编队控制问题，以提高交通系统的自动化水平与安全性、减轻驾驶员的负担，给出了一种保障交通流稳定并提升道路容量的车辆编队控制方法和系统，并提供了该方法工程化的具体实施方式。
本发明考虑的车辆编队由N辆车辆组成，其中第1辆为领航车辆，其余N-1辆为跟随车辆。每辆车上均安装有定位、通信及控制设备。定位设备采用GPS和IMU融合技术，可获取当前车辆的位置、速度和加速度信息，并将其发送至CAN总线。通信设备可从CAN总线获取自车信息，将其发送给后方邻域车辆，并接收其前方邻域车辆信息。上层控制器由CAN总线获取自车信息与邻域车辆信息，计算期望加速度并由CAN总线发送至底层控制器，底层控制器根据控制命令调整车辆的加速度以保持期望的编队几何构型。
本发明提出的保障交通流稳定并提升道路容量的车辆编队控制方法具体步骤如下：
(1)离线辩识车辆参数：编队中每个车辆分别在20km/h至120km/h车速段内，以5km/h为间隔进行速度离散，并进行该速度工况下的加速度阶跃响应测试，辨识出对应车速工况下的τn。
(2)编队构型初始化：将N辆车辆纵向排布，从前到后进行1～N编号，其中第1辆为领航车，后方N-1辆为跟随车辆。
(3)控制器、通信装置参数设置：初始化所有车辆控制器及通信装置，并设置其参数。
(4)启动领航车辆并保持匀速行驶。
(5)领航车辆和每个跟随车辆i利用车载通信将自身的编号、位置、速度、加速度信息发送给后方至多m个车辆，同时，每个跟随车辆接收前方至多m个车辆所广播的信息，得到跟踪误差。
(6)判断跟踪误差是否超过设置的阈值，若超过，则自适应调整控制器参数。
(7)每个跟随车辆i利用自身和所接收的前方至多m个车辆的位置、速度、加速度信息，计算自身的期望加速度为
Figure BDA0002362765520000051
Figure BDA0002362765520000052
(8)若期望加速度高于节气门开度为零时实际加速度，将期望加速度输入驱动系统逆模型得到节气门开度αf,i＝N-1(ωi,Iiri(miades,i+Fi))并施加至驱动系统，其中N-1为发动机转矩的逆函数，ωi、Ii、ri、mi、Fi分别为第i辆车的发动机转速、传动系统传动比、轮胎半径、质量与行驶阻力；若期望加速度低于节气门开度为零时实际加速度，将期望加速度输入制动系统逆模型得到制动压力
Figure BDA0002362765520000061
并施加至制动系统，其中Kb,i为制动系统增益。
(9)驱动系统或制动系统作用得到驱动力矩Tw或制动力矩Tb并施加至车身，使车辆获得实际加速度ar。
(10)每个跟随车辆不断重复上述步骤5～9，实现车辆编队行驶。
实施例
以一个含有8辆车的编队为例，如图2所示。选取m＝3、cp＝0.1、cv＝1.67、ca＝0.84、cs＝1、Thw＝0.2s、d＝10m。
如图1所示，领航车辆启动后，领航车辆和每个跟随车辆通过车载通信装置将自车信息发送给后方至多3辆车，同时，每个跟随车辆接收前方至多3辆车的信息。根据实际跟踪误差自适应调整控制器参数，而后上层控制器由编制好的控制算法计算期望加速度并通过CAN总线发送至下层控制器，下层控制器根据控制命令控制驱动系统及制动系统进行动作，以达到并保持期望的编队几何构型，直至编队驾驶任务结束。
综上所述，本实施例的控制方法，可实现结合车辆本身的各种参数以及各种情况之后再进行编队，增加编队行驶的合理性，同时还具备实时监控反馈调整车辆编队的效果，有效保障交通流稳定，且能够通过调整参数提升道路容量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种保障交通流稳定的车辆编队控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，将编队中车辆从前到后进行1～N编号，其中第1辆为领航车辆，其余N-1辆为跟随车辆，车辆i的运动学方程如下式给出：
Figure FDA0002362765510000011
其中，pi、vi、ai、ades,i、τn分别为车辆i的位置、速度、加速度、期望加速度和纵向传动系统时滞常数；
步骤2，在行驶过程中，领航车辆和每个跟随车辆i利用车载通信将自身的编号、位置、速度、加速度信息发送至后方至多m个车辆，同时，每个跟随车辆接收前方至多m个车辆所发送的信息，得到车辆i相对车辆j的位置、速度和加速度跟踪误差分别为
Figure FDA0002362765510000012
Thw、d分别表示车头时距与静止安全距离；
步骤3，判断跟踪误差是否超过阈值，若超过，则自适应调整控制增益系数；
步骤4，每个跟随车辆i利用自身和所接收的前方至多m个车辆的位置、速度、加速度信息，计算自身的期望加速度为：
ades,i＝anom,i-cssign(si)；
其中，
Figure FDA0002362765510000013
cp、cv、ca、cs为反馈控制增益系数，通过
Figure FDA0002362765510000014
进行抗干扰反馈；
步骤5，每个跟随车辆进行底层加速与制动执行器控制，以跟踪所计算的期望加速度ades,i；
步骤6，每个跟随车辆不断重复上述步骤2～5，以实现车辆编队行驶。
2.根据权利要求1所述的保障交通流稳定的车辆编队控制方法，其特征在于：所述步骤1中，纵向传动系统时滞常数τn应提前进行离散工况参数辨识，并根据跟随车辆当前运行工况进行动态选取，其中n为对应工况编号。
3.根据权利要求1或2所述的保障交通流稳定的车辆编队控制方法，其特征在于：所述步骤4中ca取一正数，Thw取τn/(cam+0.5)+δ，其中δ亦为一正数。
4.根据权利要求3所述的保障交通流稳定的车辆编队控制方法，其特征在于：所述步骤4中，cp和cv在选取时应满足在l＝1和l＝m时：P≥0成立，且Q≥0或
Figure FDA0002362765510000021
成立；
其中，P＝cpm(mcp(1-(l-m)2)·Thw2+2mcv(1+m-l)·Thw-2)，Q＝2cam-2mτn(cv+Thwcp)+1。
5.根据权利要求4所述的保障交通流稳定的车辆编队控制方法，其特征在于：所述步骤4中，当不存在外部干扰和车辆间动力学差异时，可取cs＝0；否则取cs为一适当正数。
6.根据权利要求5所述的保障交通流稳定的车辆编队控制方法，其特征在于：所述步骤4中，为减轻非光滑控制输入导致的抖震现象，可以用
Figure FDA0002362765510000022
代替sign(si)一项，其中csat取一合适正数，
Figure FDA0002362765510000023
为饱和函数，当自变量小于-1时取-1，当自变量大于1时取1，其他情况取值等于自变量。
7.一种应用权利要求1至6任意一项所述方法的系统，包括车辆终端和运行服务器，其特征在于：所述车辆终端和运行服务器相互通信连接，以运行搭载所述方法的程序。
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