CN111332290B - 一种基于前馈-反馈控制的车辆编队方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于前馈‑反馈控制的车辆编队方法，包括如下步骤：步骤1，将编队中的车辆从前到后进行0～N编号，其中第0辆为领航车辆，其余N辆为跟随车辆，步骤2，对于第i(i＝1,2,…,N)辆车；步骤3，在行驶过程中，领航车辆和每个跟随车辆利用车载通信设备将自身的编号、期望加速度、跟踪误差信息广播至周围若干车辆；步骤4，车辆i的纵向跟踪误差，步骤5，由步骤2中所得的P_i；步骤7，每个跟随车辆根据步骤6中的期望加速度；步骤8，每个跟随车辆不断重复上述步骤3～7，以实现车辆编队行驶。本发明的基于前馈‑反馈控制的车辆编队方法，通过步骤1至8的设置，便可有效的通过期望加速度实现对于车辆行驶进行编队了。

Description

一种基于前馈-反馈控制的车辆编队方法和系统

技术领域

本发明涉及智能交通领域，尤其是涉及一种基于前馈-反馈控制的车辆编队方法和系统。

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：201910422168.4(一种高速公路重型卡车编队纵向行驶控制方法)基于三步法控制原理，设计跟随车的分布式控制器，保证了行驶过程中系统的渐近稳定性，但是没有实现在特定指标下的最优控制。申请号：201811204184.8(一种智能网联车辆编队的多时延稳定性分析方法)基于车辆编队的四元素架构对车队进行建模，建立含多时延的分布式控制器，但只是基于反馈设计的线性控制器；而申请号：201910571957.4(基于分布式有限时间状态观测器的多智能车辆编队方法)虽在前馈中加入了状态估计值，但是只利用了自车的信息，且估计值与真值有误差，均难以实现理想的控制性能。且包括以上提到的现有专利，大部分只针对特定的通信拓扑结构，如：前车跟随式、双前车跟随式、双向-领航者跟随式等，无法适用更宽泛的通信拓扑结构。在多智能体领域，申请号：201811465917.3(四旋翼无人机一致性编队控制方法)公开了一种四旋翼无人机一致性编队控制方法，设计了一种固定拓扑结构下的高阶一致性编队控制算法，面对日益多样和复杂的信息拓扑结构无能为力。申请号：201910921953.4(一种基于切换拓扑的无人机群协同安全控制方法)为应对多样化的实际需求，将切换思想应用到无人机之间的信息交互中，即不同队形对应不同的通信拓扑，同样不能摆脱特定通信拓扑的限制。

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基于前馈-反馈控制的车辆编队方法和系统，在更普遍的通信拓扑下实现队列行驶的渐近稳定性，以及在特定二次型性能指标下的最优控制。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种基于前馈-反馈控制的车辆编队方法，包括如下步骤：

步骤1，将编队中的车辆从前到后进行0～N编号，其中第0辆为领航车辆，其余N辆为跟随车辆，车辆i的运动学方程如下式给出：

其中，

式中，p_i、v_i、a_i、u_i、τ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，对于第i(i＝1，2，...，N)辆车，求解如下方程：

其中，ε_i＞0且是一个常数，

是正定矩阵，且(A，D_i)是可观测的，而P_i是由该方程确定的唯一正定解；

步骤3，在行驶过程中，领航车辆和每个跟随车辆利用车载通信设备将自身的编号、期望加速度、跟踪误差信息广播至周围若干车辆，同时，每个跟随车辆接收周围若干车辆所广播的信息；

步骤4，车辆i的纵向跟踪误差由下式给出：

其中，d_i，0＝i×d₀是第i辆车与第0辆车的期望间距，而d₀是标准车间距，控制的目标，即是：

t为时间；

步骤5，由步骤2中所得的P_i，求解第i辆车的前馈增益K_ff，i和反馈增益K_fb，i，由下式给出：

K_ff，i＝1；

步骤6，第i辆车的期望加速度，由下式确定：

其中，

是第i辆车所能获取信息的周围车辆的个数；

步骤7，每个跟随车辆根据步骤6中的期望加速度，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u_i；

步骤8，每个跟随车辆不断重复上述步骤3～7，以实现车辆编队行驶。

作为本发明的进一步改进，所述步骤3中领航车辆与跟随车辆之间的通信拓扑形成一个有向无环图，且包含以领航车为根节点的有向生成树。

作为本发明的进一步改进，所述步骤6中，u_i的表达式中包含u_j。

作为本发明的进一步改进，所述步骤2中，若取Q_i＝Q，ε_i＝ε，

则上述控制律可以实现如下性能指标的最优控制：

作为本发明的进一步改进，所述步骤7中的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α_f，i＝N^-1(ω_i，I_ir_i(m_iu_i+F_i))，并施加至驱动系统，其中N^-1为发动机转矩的逆函数，ω_i、I_i、r_i、m_i、F_i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

并施加至制动系统，其中K_b，i为制动系统增益。

本发明另一方面提供了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)所设计的车辆编队方法和系统可以保证车辆编队的渐近稳定性，进而保证交通流稳定，提升交通安全性；

(2)所设计的车辆编队方法和系统不局限于某种特定的通信拓扑而可以适用于一大类通信拓扑结构，以跟进日益发展的通信技术；

(3)所设计的车辆编队方法和系统可以在特定的二次型性能指标下实现最优控制。

附图说明

图1为本发明中实现车辆编队系统起动及运行流程图；

图2为本发明中车辆编队的通信拓扑结构图；

图3为本发明中第i(i＝1，2，...，N)辆车的控制流程图。

具体实施方式

下面将结合附图所给出的实施例对本发明作进一步的详述。参照图1至3所示，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，本实施例给出了一种在基于前馈-反馈控制的车辆编队方法和系统，并提供了该方法工程化的具体实施方式。

本实施例考虑的车辆编队由N+1辆车辆组成，其中第0辆为领航车辆，其余N辆为跟随车辆。通信拓扑仅需满足有向生成树和有向无环图的条件，对具体的拓扑形式不作要求。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。通信设备采用车载T-BOX进行实时通信。通信设备可从CAN总线获取自车信息，将其发送给周围若干车辆，并接收其周围车辆信息。上层控制器由采集的自车信息和通信设备获取的邻域车辆信息，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。

本发明提出的基于前馈-反馈控制的车辆编队方法具体步骤如下：

(1)车辆编队起动初始化：队列车辆接收到起动指令，经感知系统初始化、动力系统初始化、通信装置初始化成功后，起动编队系统；

(2)编队构型初始化：将N+1辆车辆纵向排布，从前到后进行0～N编号，其中第0辆为领航车，后方N辆为跟随车辆；

(3)第i(i＝1，2，3，...，N)辆车依次通过车载T-BOX接收周围车辆的位置、速度、加速度、控制输入等信息，通过信息从上游流向下游的特点，间接获取领航车的信息，该通信拓扑可满足有向无环图和有向生成树条件。通过读取车载CAN总线数据，获取自车信息；

(4)第i(i＝1，2，3，...，N)辆车上层控制器根据自车信息和周围车辆的控制输入、位置、速度、加速度信息计算出自车的控制输入，即期望加速度，将其发送至CAN总线，进而进入下层控制器；

(5)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α_f，i＝N^-1(ω_i，I_ir_i(m_iu_i+F_i))，并施加至驱动系统，其中N^-1为发动机转矩的逆函数，ω_i、I_i、r_i、m_i、F_i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

并施加至制动系统，其中K_b，i为制动系统增益；

(6)驱动系统或制动系统作用得到驱动力矩T_w或制动力矩T_b并施加至车身，使车辆获得实际加速度a_r；

(7)每个跟随车辆不断重复上述步骤3～6，实现车辆编队行驶。

本实施例中以一个含有8辆车的编队为例，如图2所示。

如图1和图3所示，领航车辆起动后，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车辆，同时，每个跟随车辆接收前方车辆的信息。根据自车和周围车辆的信息，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和系统，可以适用于一大类通信拓扑结构，实现特定二次型性能指标下的最优控制，保证车辆队列的渐近稳定性，提升交通安全性。

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 (6)

1.一种基于前馈-反馈控制的车辆编队方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，将编队中的车辆从前到后进行0～N编号，其中第0辆为领航车辆，其余N辆为跟随车辆，车辆i的运动学方程如下式给出：

其中，

式中，p_i、v_i、a_i、u_i、τ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，对于第i(i＝1，2，...，N)辆车，求解如下方程：

其中，ε_i＞0且是一个常数，

是正定矩阵，且(A，D_i)是可观测的，而P_i是由该方程确定的唯一正定解；

步骤3，在行驶过程中，领航车辆和每个跟随车辆利用车载通信设备将自身的编号、期望加速度、跟踪误差信息广播至周围若干车辆，同时，每个跟随车辆接收周围若干车辆所广播的信息；

步骤4，车辆i的纵向跟踪误差由下式给出：

其中，d_i，0＝i×d₀是第i辆车与第0辆车的期望间距，而d₀是标准车间距，控制的目标，即是：

t为时间；

步骤5，由步骤2中所得的P_i，求解第i辆车的前馈增益K_ff，i和反馈增益K_fb，i，由下式给出：

K_ff，i＝1；

步骤6，第i辆车的期望加速度，由下式确定：

其中，

是第i辆车所能获取信息的周围车辆的个数；

步骤7，每个跟随车辆根据步骤6中的期望加速度，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u_i；

步骤8，每个跟随车辆不断重复上述步骤3～7，以实现车辆编队行驶。

2.根据权利要求1所述的基于前馈-反馈控制的车辆编队方法，其特征在于：所述步骤3中领航车辆与跟随车辆之间的通信拓扑形成一个有向无环图，且包含以领航车为根节点的有向生成树。

3.根据权利要求2所述的基于前馈-反馈控制的车辆编队方法，其特征在于：所述步骤6中，u_i的表达式中包含u_j。

4.根据权利要求1或2所述的基于前馈-反馈控制的车辆编队方法，其特征在于：所述步骤2中，若取Q_i＝Q，ε_i＝ε，

则上述控制律可以实现如下性能指标的最优控制：

5.根据权利要求1或2所述的基于前馈-反馈控制的车辆编队方法，其特征在于：所述步骤7中的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α_f，i＝N^-1(ω_i，I_ir_i(m_iu_i+F_i))，并施加至驱动系统，其中N^-1为发动机转矩的逆函数，ω_i、I_i、r_i、m_i、F_i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

并施加至制动系统，其中K_b，i为制动系统增益。

6.一种应用权利要求1至5任意一项所述方法的系统，其特征在于：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。

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