CN111665843B - 一种考虑通信部分失效的车辆队列控制方法及系统 - Google Patents

一种考虑通信部分失效的车辆队列控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑通信部分失效的车辆队列控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，将车辆队列中的网联车辆从前向后依次编号为车辆0车辆1，车辆2，…，车辆N；步骤2，在每个离散采样时刻t；步骤3，在每个离散采样时刻t，每个车辆i利用自身和所有邻居车辆的假设状态轨迹和假设输入轨迹求解一个开环优化问题Pi(t)；步骤4，在每个离散采样时刻t，每个车辆i将所得最优控制输入序列的第一个元素
Figure DDA0002535843280000011
用于t时刻的自车控制；步骤5，不断重复上述步骤2～4以实现车辆队列行驶。本发明的考虑通信部分失效的车辆队列控制方法，通过步骤1至5的设置，便可有效的在考虑到通信部分失效的情况下实现对于车辆的队列控制了。

Description

一种考虑通信部分失效的车辆队列控制方法及系统
技术领域
本发明涉及智能交通系统和智能网联汽车领域，特别是关于一种考虑通信部分失效的车辆队列控制方法及系统。
背景技术
车辆队列系统，又称为协同自适应巡航技术，通过引入网联车辆间的信息共享，实现多车连续跟车控制，提高交通效率与燃油经济性。
车辆队列系统依赖于通信网络，但无线通信链路会产生通信丢包，同时车辆队列在行进中存在很多干扰因素，易造成部分车辆间的通信链路失效，进而引起通信拓扑切换，降低整个系统的控制性能。因此在部分通信失效的前提下设计车辆队列控制器有重要意义。
检索现有专利，关于通信部分失效下车辆队列控制方法的专利数量有限。西北工业大学拥有的专利“一种基于广播式通信架构的领航跟随型多机编队容错控制方法”和通用汽车环球科技运作公司拥有的专利“车队车辆管理”均设计了领航单元通信失效时队列自主决策出新领航单元的方法，但其只适用于领航-跟随拓扑模式，且只适用于领航单元通信失效情况。丰田自动车株式会社拥有的专利“用于车辆的控制装置和控制方法”同样仅针对前车-跟随拓扑模式设计了存在通信丢失情况下自适应调整跟车距离或时距的控制方法。湖南大学拥有的专利“考虑通信拓扑时变下的车辆队列跟驰稳定性控制方法”提出了一种通信失效引起拓扑时变下保证车辆队列跟驰系统的稳定性和鲁棒性的控制方法，但其采用状态反馈控制器，不利于对系统中特定指标进行优化，且无法施加显式约束。因此以上这些方法的应用范围均受到限制。
检索现有论文，Izadi等的“Hierarchical Decentralized Receding HorizonControl of Multiple Vehicles with Communication Failures”通过增加备用低功率通信设备降低通信失效带来的干扰，对硬件配备要求较高。Ding等的“Distributed MPC forTracking and Formation of Homogeneous Multi-agent System with Time-VaryingCommunication Topology”采用了滚动时域控制，但系统在控制过程中需要动态调整系数，这为实际应用带来了麻烦。Schaich等的“A distributed model predictive controlscheme for networks with communication failure”在应用中要求所有跟随单元能够持续与领航单元进行通信，此条件在应用中不容易满足。
综上，目前还没有较好的分布式控制方法可以在保证部分通信失效下的车辆队列系统稳定性的同时对特定性能指标进行优化，同时还能够显式地加入约束条件。
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实现多个网联车辆的队列控制，尤其是在部分通信失效情况下仍保持安全间距，从而提高车辆队列的安全性。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种考虑通信部分失效的车辆队列控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，将车辆队列中的网联车辆从前向后依次编号为车辆0，车辆1，车辆2，…，车辆N；
步骤2，在每个离散采样时刻t，每个车辆i利用无线通信向当前t时刻通信范围内的所有邻居车辆广播自车未来Np+1个时刻的假设状态轨迹
Figure BDA0002535843260000021
及未来Np个时刻的假设输入轨迹
Figure BDA0002535843260000031
同时接收当前t时刻通信范围内所有邻居车辆j广播的假设状态轨迹
Figure BDA0002535843260000032
和假设输入轨迹
Figure BDA0002535843260000033
步骤3，在每个离散采样时刻t，每个车辆i利用自身和所有邻居车辆的假设状态轨迹和假设输入轨迹求解一个开环优化问题Pi(t)，并得到未来Np个时刻的最优控制输入序列
Figure BDA0002535843260000034
和未来Np+1个时刻的最优状态序列
Figure BDA0002535843260000035
步骤4，在每个离散采样时刻t，每个车辆i将所得最优控制输入序列的第一个元素
Figure BDA0002535843260000036
用于t时刻的自车控制，同时将所得最优状态序列的第2至Np个元素作为t+1时刻的假设状态轨迹
Figure BDA0002535843260000037
将
Figure BDA0002535843260000038
进行0输入单步递推得到
Figure BDA0002535843260000039
将所得最优控制输入序列的第2至Np-1个元素作为t+1时刻的假设输入轨迹
Figure BDA00025358432600000310
Figure BDA00025358432600000311
将
Figure BDA00025358432600000312
设置为0；
步骤5，不断重复上述步骤2～4以实现车辆队列行驶。
作为本发明的进一步改进，所述步骤3中开环优化问题Pi(t)的代价函数包含3项，即未来Np个时刻中自车实际状态轨迹
Figure BDA00025358432600000313
关于邻车假设状态轨迹
Figure BDA00025358432600000314
的跟踪误差的叠加
Figure BDA00025358432600000315
自车实际状态轨迹
Figure BDA00025358432600000316
与自车假设状态轨迹
Figure BDA00025358432600000317
的偏差
Figure BDA00025358432600000318
自车控制输入惩罚
Figure BDA00025358432600000319
其中
Figure BDA00025358432600000320
为车辆i在t时刻通信范围内的所有邻居车辆的集合，
Figure BDA00025358432600000321
为车辆j与车辆i的期望状态偏差，Qi，Ti满足：
Figure BDA00025358432600000322
其中
Figure BDA00025358432600000323
为所有时刻车辆i能够接收广播的邻居车辆的集合，
Figure BDA00025358432600000324
为所有时刻能够接收车辆i广播的邻居车辆的集合，λi(t)为任意正数，|·|表示集合{·}中元素的个数。
作为本发明的进一步改进，所述步骤3中开环优化问题Pi(t)的约束条件包括5项，即自车动力学约束
Figure BDA0002535843260000041
初始状态约束
Figure BDA0002535843260000042
控制输入约束
Figure BDA0002535843260000043
终端状态达邻居状态平均值约束
Figure BDA0002535843260000044
以及相邻时刻关于自车实际状态轨迹
Figure BDA0002535843260000045
与自车假设状态轨迹
Figure BDA0002535843260000046
的偏差的放大系数约束
Figure BDA0002535843260000047
作为本发明的进一步改进，所述λi(t)的选取方法为
Figure BDA0002535843260000048
其中δi在
Figure BDA0002535843260000049
时取为0，在
Figure BDA00025358432600000410
取任意正数。
作为本发明的进一步改进，相邻时刻关于自车实际状态轨迹
Figure BDA00025358432600000411
与自车假设状态轨迹
Figure BDA00025358432600000412
的偏差的放大系数约束亦可取为：
Figure BDA00025358432600000413
本发明另外提供了一种系统，包括车间通信单元、优化计算单元和控制执行单元，其中，优化计算单元执行所述方法
本发明的有益效果，1、所发明方法采用分布式模型预测控制方法进行车辆队列控制，可以实现特定性能指标的优化，同时可以显式地满足控制输入约束条件，有助于提升车辆队列的控制性能；2、所发明方法采用放大系数约束，可以保证切换通信拓扑下的系统稳定性，有助于提升车辆队列的安全性。
附图说明
图1是本发明车辆队列控制方法的流程图；
图2是本发明车辆间通信部分失效的示意图。
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2所示，本实施例的考虑通信部分失效的车辆队列控制方法，具体包括：
步骤1，将队列中车辆从前到后进行0～N编号，其中编号0为领航车辆，其余N辆为跟随车辆，将车辆i动力学特性描述为xi(t+1)＝fi(xi(t),ui(t))，其中xi＝[pi,vi,ai]T为车辆状态，pi、vi、ai分别车辆i的位置、速度和加速度，ui为控制输入，fi满足fi(xi,0)＝Axi。
步骤2，设置任意t时刻可取的固定通信拓扑为
Figure BDA00025358432600000515
且其通信线路由领航车辆开始可连接至任意跟随车辆，并能保证存在Ni(0≤Ni≤N)个连续时刻通信拓扑不变。
步骤3，设置t时刻车辆i可获得广播信息的牵引入邻居车辆编号集为
Figure BDA0002535843260000051
可获得车辆i广播信息的出邻居车辆编号集为
Figure BDA0002535843260000052
步骤4，设置车辆i的集总牵引入邻居集为
Figure BDA0002535843260000053
集总出邻居集合为
Figure BDA0002535843260000054
步骤5，设置预测时域长度为Np，记
Figure BDA0002535843260000055
步骤6，在t＝0时刻，初始化车辆i的预测控制输入轨迹为0，即
Figure BDA0002535843260000056
初始化第0时刻和第k时刻的预测状态轨迹分别为
Figure BDA0002535843260000057
其中xi(k)为表示第k时刻车辆i状态的真实值。
步骤7，将领航车辆轨迹设置为已知，即
Figure BDA0002535843260000058
Figure BDA0002535843260000059
步骤8，在t＝1时刻，初始化跟随车辆i的假设输入轨迹为0，即
Figure BDA00025358432600000510
假设状态轨迹为
Figure BDA00025358432600000511
步骤9，在任意t≥1时刻，所有车辆向其出邻居车辆集
Figure BDA00025358432600000512
广播自己的假设输入轨迹
Figure BDA00025358432600000513
和假设状态轨迹
Figure BDA00025358432600000514
并接收其入邻居车辆集
Figure BDA0002535843260000061
的假设输入轨迹
Figure BDA0002535843260000062
和假设状态轨迹
Figure BDA0002535843260000063
Figure BDA0002535843260000064
步骤10，在任意t≥1时刻，所有跟随车辆求解如下优化问题，得到最优输入轨迹
Figure BDA0002535843260000065
及最优状态轨迹
Figure BDA0002535843260000066
Figure BDA0002535843260000067
满足：
Figure BDA0002535843260000068
Figure BDA0002535843260000069
Figure BDA00025358432600000610
Figure BDA00025358432600000611
Figure BDA00025358432600000612
Figure BDA00025358432600000613
其中：
Figure BDA00025358432600000614
其中，
Figure BDA00025358432600000615
δi在
Figure BDA00025358432600000616
时取为0，在
Figure BDA00025358432600000617
取任意正数；Qi、Ti满足：
Figure BDA00025358432600000618
步骤11，在t时刻，第i辆车将最优输入轨迹
Figure BDA00025358432600000619
的第一个元素
Figure BDA00025358432600000620
用于自车控制。
步骤12，在t+1时刻，第i辆车将假设输入轨迹设置为
Figure BDA0002535843260000071
Figure BDA0002535843260000072
将假设状态轨迹设置为
Figure BDA0002535843260000073
每个跟随车辆不断重复上述步骤9～12，直到结束队列行驶任务。
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 (4)

1.一种考虑通信部分失效的车辆队列控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，将车辆队列中的网联车辆从前向后依次编号为车辆0，车辆1，车辆2，…，车辆N；
步骤2，在每个离散采样时刻t，每个车辆i利用无线通信向当前t时刻通信范围内的所有邻居车辆广播自车未来Np+1个时刻的假设状态轨迹
Figure FDA0003558451720000011
及未来Np个时刻的假设输入轨迹
Figure FDA0003558451720000012
同时接收当前t时刻通信范围内所有邻居车辆j广播的假设状态轨迹
Figure FDA0003558451720000013
和假设输入轨迹
Figure FDA0003558451720000014
步骤3，在每个离散采样时刻t，每个车辆i利用自身和所有邻居车辆的假设状态轨迹和假设输入轨迹求解一个开环优化问题Pi(t)，并得到未来Np个时刻的最优控制输入序列
Figure FDA0003558451720000015
和未来Np+1个时刻的最优状态序列
Figure FDA0003558451720000016
步骤4，在每个离散采样时刻t，每个车辆i将所得最优控制输入序列的第一个元素
Figure FDA0003558451720000017
用于t时刻的自车控制，同时将所得最优状态序列的第2至Np个元素作为t+1时刻的假设状态轨迹
Figure FDA0003558451720000018
将
Figure FDA0003558451720000019
进行0输入单步递推得到
Figure FDA00035584517200000110
将所得最优控制输入序列的第2至Np-1个元素作为t+1时刻的假设输入轨迹
Figure FDA00035584517200000111
Figure FDA00035584517200000112
将
Figure FDA00035584517200000113
设置为0；
步骤5，不断重复上述步骤2～4以实现车辆队列行驶；所述步骤3中开环优化问题Pi(t)的代价函数包含3项，即未来Np个时刻中自车实际状态轨迹
Figure FDA00035584517200000114
关于邻车假设状态轨迹
Figure FDA00035584517200000115
的跟踪误差的叠加
Figure FDA00035584517200000116
Figure FDA00035584517200000117
自车实际状态轨迹
Figure FDA00035584517200000118
与自车假设状态轨迹
Figure FDA00035584517200000119
的偏差
Figure FDA0003558451720000021
自车控制输入惩罚
Figure FDA0003558451720000022
其中
Figure FDA0003558451720000023
为车辆i在t时刻通信范围内的所有邻居车辆的集合，
Figure FDA0003558451720000024
为车辆j与车辆i的期望状态偏差，Qi，Ti满足：
Figure FDA0003558451720000025
其中
Figure FDA0003558451720000026
为所有时刻车辆i能够接收广播的邻居车辆的集合，
Figure FDA0003558451720000027
为所有时刻能够接收车辆i广播的邻居车辆的集合，λi(t)为任意正数，|·|表示集合{·}中元素的个数；所述步骤3中开环优化问题Pi(t)的约束条件包括5项，即自车动力学约束
Figure FDA0003558451720000028
Figure FDA0003558451720000029
初始状态约束
Figure FDA00035584517200000210
控制输入约束
Figure FDA00035584517200000211
终端状态达邻居状态平均值约束
Figure FDA00035584517200000212
以及相邻时刻关于自车实际状态轨迹
Figure FDA00035584517200000213
与自车假设状态轨迹
Figure FDA00035584517200000214
的偏差的放大系数约束：
Figure FDA00035584517200000215
2.根据权利要求1所述的考虑通信部分失效的车辆队列控制方法，其特征在于：所述λi(t)的选取方法为
Figure FDA00035584517200000216
其中δi在
Figure FDA00035584517200000222
时取为0，在
Figure FDA00035584517200000218
取任意正数。
3.根据权利要求2所述的考虑通信部分失效的车辆队列控制方法，其特征在于：相邻时刻关于自车实际状态轨迹
Figure FDA00035584517200000219
与自车假设状态轨迹
Figure FDA00035584517200000220
的偏差的放大系数约束为：
Figure FDA00035584517200000221
。
4.一种应用权利要求1至3任意一项所述方法的系统，其特征在于：包括车间通信单元、优化计算单元和控制执行单元，其中，优化计算单元执行所述方法。
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