CN111768616A - 混合交通场景下基于车路协同的车队一致性控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了混合交通场景下基于车路协同的车队一致性控制方法,网联智能汽车接收快速路上传统人驾车的状态信息;结合车辆的动力学特征以及混合交通场景下的通信拓扑结构,构建网联智能汽车的纵向控制策略和传统人驾车的轨迹预测模型;结合车队中车辆的一致性控制目标,构建混合车队误差动力学模型;获取保证系统稳定的最大时延条件和一致性约束条件;根据所述保证系统稳定的最大时延条件和一致性约束条件,调整所述网联智能汽车的纵向控制策略。本发明利用车路协同技术获得的传统人驾车的状态信息作为CAV的部分控制输入,设计纵向一致性控制方法,保证了混合车队的间距一致性和速度一致性;同时考虑了时变的通信时延,使得控制算法更符合实际,可以应用在未来自动驾驶汽车领域。
Description
技术领域
本发明涉及网联智能汽车的控制领域,具体的,涉及混合交通场景下基于车路协同的车 队一致性控制方法。
背景技术
随着通信技术和自动化技术的快速发展,交通系统也在朝向智能化不断的升级。为 了提高现有道路条件下的交通安全和通行效率,自动驾驶车辆成为当前研究的热点。在可预见的未来,会有越来越多的自动驾驶车辆上路。然而,由于经济和技术的制约,不 可避免地会出现自动驾驶车辆与传统人驾车混行于同一交通道路的情况。因此,为了保 证混合交通情形下的交通效率和安全,需要借助路侧设备对道路上的车辆状态信息进行 感知和传输,在此基础上设计自动驾驶车辆的纵向控制策略,以保证混合车队在快速路 路段的纵向行驶过程中的间距一致性和速度一致性。
通过查阅相关专利和论文发现,目前的研究中,大多只考虑单一自动驾驶车辆的情 形,忽略了传统人驾车与自动驾驶车辆驾驶行为的差异问题。专利CN108973999A以自动驾驶车辆为研究对象,通过车载雷达和无线通信设备来获取前车的制动信息,从而实现 了车队中车辆之间的行驶间距控制。然而该方法只考虑了道路上全部是自动驾驶车辆的 情形,对混合交通并不适用。此外,该方法只针对车辆间距的调整,不能保证车队中车 辆速度的一致性。专利CN109532836A基于雷达和V2V通信技术,将前车的动力和制动信 息传输给后车,实现了车队中车间距的控制。但是该方法一方面没有考虑通信过程中的 信息传输时延,另一方面也不针对混合交通中的车间距和速度控制问题。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的是是通过应用车路协同技术,以头车的位置和速度为目标, 并考虑信息传输时延和传统人驾车(HV)的驾驶行为,来设计网联智能汽车(CAV)的纵向控制器,实现混合车队中车辆间距和速度的一致性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
混合交通场景下基于车路协同的车队一致性控制方法,
网联智能汽车接收快速路上传统人驾车的状态信息;
结合车辆的动力学特征以及混合交通场景下的通信拓扑结构,构建网联智能汽车的纵向 控制策略和传统人驾车的轨迹预测模型;
结合车队中车辆的一致性控制目标,构建混合车队误差动力学模型;
获取保证系统稳定的最大时延条件和一致性约束条件;
根据所述保证系统稳定的最大时延条件和一致性约束条件,调整所述网联智能汽车的纵 向控制策略。
进一步,所述车辆的动力学特征为:
式中:Ti和τi分别是第i个跟随车辆的机械惯性系数和时间延迟,ui是车辆的控制输入,zi表示输出,(s)表示相应时域变量(t)的拉普拉斯变换。
进一步,所述网联智能汽车的纵向控制策略为:
式中:ci,n是车辆n到车辆i的通信连接,kc>0,kc∈Rλc>0,λc∈R和μc>0,μc∈R表示控制增益;
αc n,βc n和γc n分别表示第n辆车对第i辆车的位置、速度和加速度的影响权重;hi,n=zn(t)-zi(t),Δvi,n=vn(t)-vi(t)和Δai,n=an(t)-ai(t)分别表示第n辆车与第i辆车的车间 距、速度差和加速度差;
τi,n(t)表示通信时延。f(hi,n(t))是一个非线性函数,具体定义如下:
如果hi,n≤gl,第i辆车的期望速度为0;当gl≤hi,n≤gh时,期望速度随着hi,n的增加而增加; 当hi,n≥gh,车辆趋于最大速度vm。
进一步,所述传统人驾车的轨迹预测模型为:
式中,kh,λh和μh敏感系数,τi,n(t)表示驾驶员的感知时延。
进一步,所述车队中车辆的一致性控制目标为:
式中:hi0表示车辆i与头车的平衡间距,vi(t)和ai(t)分别表示车辆i的速度和加速度。
进一步,所述混合车队误差动力学模型为:
式中,
xmix(t)=[x1 T(t) x2 T(t) x3 T(t)]T,
其中
以及
进一步,所述保证系统稳定的最大时延条件和一致性约束条件为:
kmixδΗ/2-(1-η)Qm<0
lmixδΗ/2-(1-ξ)Qb<0
本发明的有益效果是:
本发明利用车路协同技术获得的传统人驾车的状态信息作为CAV的部分控制输入, 设计了纵向一致性控制方法,保证了混合车队的间距一致性和速度一致性;同时,考虑了时变的通信时延,使得控制算法更符合实际,可以在未来自动驾驶汽车领域得以应用。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述,并且 在某种程度上,基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的,或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作进一 步的详细描述,其中:
图1是混合车队控制框图;
图2是基于车路协同的混合车队一致性控制方法的流程图。
具体实施方式
以下将参照附图,对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解,优选实施例仅为了说明本发明,而不是为了限制本发明的保护范围。
本实施例提出了混合交通场景下基于车路协同的车队一致性控制方法,以头车的位置 和速度为目标,并考虑信息传输时延和传统人驾车(HV)的驾驶行为,来设计网联智能汽车 (CAV)的纵向控制器,实现混合车队中车辆间距和速度的一致性。如图1和2所示,首先构 建考虑车辆物理系统的惯性特征的车辆动力学模型,具体如下:
式中:Ti和τi分别是第i个跟随车辆的机械惯性系数和时间延迟,ui是车辆的控制输入,zi表示输出,(s)表示相应时域变量(t)的拉普拉斯变换。
利用有向图,构建混合交通场景下的通信拓扑结构,具体的:
采用一个n阶有向图G=(V,E,A)表示通信结构,其中,V={v1,…,vn}表示节点 集合,表示有向边集合,A=[cij]N×N∈RN×N表示节点与节点之间连接的非负邻接矩阵。具体而言,节点vi对应个体车辆i,有向边eij表示车辆i可以收到车辆j的信息。对应矩阵A中行向量i的入度定义为那么图G的拉普拉斯矩阵为L=D-A,其中 D=diag(d1,…,di)。令F=[fij]∈Rn×n矩阵表示跟随车与头车之间连接的非负邻接矩阵, 其中,仅当节点i可以与头车节点通信时fii=1,且矩阵的其他元素为0。
构建车队中车辆的一致性控制目标,具体为:
式中:hi0表示车辆i与头车的平衡间距,vi(t)和ai(t)分别表示车辆i的速度和加速度。
在某一时刻,通过路侧设备感知快速路上传统人驾车的状态信息,并将该信息利用V2I 通信技术传送给CAV;
CAV接收到该信息后,结合混合交通场景下的通信拓扑结构和车辆动力学模型,构建网 联智能汽车的纵向控制策略和传统人驾车的轨迹预测模型,具体的,网联智能汽车的纵向控 制策略为:
式中:ci,n是车辆n到车辆i的通信连接,kc>0,kc∈Rλc>0,λc∈R和μc>0,μc∈R表示控制增益;
αc n,βc n和γc n分别表示第n辆车对第i辆车的位置、速度和加速度的影响权重;hi,n=zn(t)-zi(t),Δvi,n=vn(t)-vi(t)和Δai,n=an(t)-ai(t)分别表示第n辆车与第i辆车的车间 距、速度差和加速度差;
τi,n(t)表示通信时延。f(hi,n(t))是一个非线性函数,具体定义如下:
如果hi,n≤gl,第i辆车的期望速度为0;当gl≤hi,n≤gh时,期望速度随着hi,n的增加而增 加;当hi,n≥gh,车辆趋于最大速度vm。
传统人驾车的轨迹预测模型为:
式中,kh,λh和μh为敏感系数,τi,n(t)表示驾驶员的感知时延,同样也可以认为是一种特 殊的通信时延。
结合车队中车辆的一致性控制目标、网联智能汽车的纵向控制策略和传统人驾车的轨迹 预测模型,构建混合车队误差动力学模型,具体为:
式中,
xmix(t)=[x1 T(t) x2 T(t) x3 T(t)]T,
其中
以及
基于混合车队误差动力学模型,获取保证系统稳定的最大时延条件和一致性约束条件, 具体为:
kmixδΗ/2-(1-η)Qm<0
lmixδΗ/2-(1-ξ)Qb<0
根据所得的保证系统稳定的最大时延条件(由于驾驶员的时延可视作一种特殊的通 信时延,因此驾驶员时延和通信时延都应满足该时延条件)和一致性约束条件,进而调整网联智能汽车的纵向控制策略,从而实现混合车队间距及速度的一致性。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳 实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发 明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.混合交通场景下基于车路协同的车队一致性控制方法,其特征在于:
网联智能汽车接收快速路上传统人驾车的状态信息;
结合车辆的动力学特征以及混合交通场景下的通信拓扑结构,构建网联智能汽车的纵向控制策略和传统人驾车的轨迹预测模型;
结合车队中车辆的一致性控制目标,构建混合车队误差动力学模型;
获取保证系统稳定的最大时延条件和一致性约束条件;
根据所述保证系统稳定的最大时延条件和一致性约束条件,调整所述网联智能汽车的纵向控制策略。
3.根据权利要求2所述的混合交通场景下基于车路协同的车队一致性控制方法,其特征在于:所述网联智能汽车的纵向控制策略为:
式中:ci,n是车辆n到车辆i的通信连接,kc>0,kc∈Rλc>0,λc∈R和μc>0,μc∈R表示控制增益;
αc n,βc n和γc n分别表示第n辆车对第i辆车的位置、速度和加速度的影响权重;hi,n=zn(t)-zi(t),Δvi,n=vn(t)-vi(t)和Δai,n=an(t)-ai(t)分别表示第n辆车与第i辆车的车间距、速度差和加速度差;
τi,n(t)表示通信时延。f(hi,n(t))是一个非线性函数,具体定义如下:
如果hi,n≤gl,第i辆车的期望速度为0;当gl≤hi,n≤gh时,期望速度随着hi,n的增加而增加;当hi,n≥gh,车辆趋于最大速度vm。
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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