CN111845745B - 一种考虑经济性的车辆队列控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑经济性的车辆队列控制方法，包括如下步骤：步骤1，车辆纵向排列行驶；步骤2，每个跟随车辆i向邻居车辆发送未来一段预测时域内自车假设轨迹信息并接收前ri辆邻居车辆的假设轨迹信息；步骤3，每个跟随车辆i以稳定跟踪目标轨迹为约束条件，以经济性为代价函数，构建并求解一个优化问题，得到一段预测时域内经济性最优的控制序列；步骤4，每个跟随车辆i将控制序列第一个元素应用于自车控制；步骤5，重复步骤2～4直至结束队列行驶。本发明的考虑经济性的车辆队列控制方法，通过步骤1至步骤5的设置，可在保证跟踪稳定的前提下以经济性最优为目标求解控制信号，有助于在提高经济性的同时减少跟踪性能的损失。

Description

一种考虑经济性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经济性的车辆队列控制方法及系统。
背景技术
车联网技术的不断发展为公路交通系统的优化与升级的提供了有力的技术支持。车车协同技术是智慧交通系统中重要的一环，通过车与车之间的信息交换与协同控制，可显著提高交通系统的安全性与经济性。车辆的队列行驶控制是车车协同技术的应用场景之一，通过编队控制可缩短跟车间距，提高交通效率，降低燃油消耗率与尾气排放，对物流等行业的赋能作用明显。
但现有的车辆队列控制技术对经济性的优化考虑有限，如南京航空航天大学拥有的专利“一种车辆经济学车速前瞻优化方法”和吉林大学拥有的专利“一种基于经济性驾驶的实时预测巡航控制系统”均提出了考虑经济性的跟车控制方法，但其优化问题的代价函数中同时包含了跟踪性要求与经济性要求，其最优解降低了经济性效益，且只针对单个前车跟踪，无法直接应用于多车协同场景。清华大学拥有的专利“一种网联汽车队列的节能型稳定性运动控制方法”利用加速—滑行策略达到节能目的，但其使用的切换控制律降低了跟踪精度。因此有必要提出一种在能保证跟踪稳定性的情况下，进一步提高经济性的队列控制方式。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是克服现有方案在优化经济性能同时损失跟踪性能的问题，提出一种考虑经济性的车辆队列控制方法及系统。本发明可在保证队列车辆跟踪稳定的情况下以经济性最优为目标提供控制信号。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种考虑经济性的车辆队列控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，车辆纵向排列行驶，各车辆利用通信设备与相邻车辆进行信息交换，并将第一辆车设置为领航车辆，记为0车，进行自主驾驶，其余车辆为跟随车辆，从1开始按顺序编号，根据邻居车辆与自车状态调整行驶轨迹；
步骤2，每个跟随车辆i向邻居车辆发送未来一段预测时域内自车假设轨迹信息并接收前ri辆邻居车辆的假设轨迹信息；
步骤3，每个跟随车辆i以稳定跟踪目标轨迹为约束条件，以经济性为代价函数，构建并求解一个优化问题，得到一段预测时域内经济性最优的控制序列；
步骤4，每个跟随车辆i将控制序列第一个元素应用于自车控制，并生成自车预测时域内的假设轨迹；
步骤5，重复步骤2～4直至结束队列行驶。
作为本发明的进一步改进，所述步骤3中每个车辆i目标轨迹可设置为恒定时距跟车轨迹，即i车与领航车的期望距离为：
Figure BDA0002605911610000021
其中hk为k车的期望跟车时距，vk为k车的期望跟车速度，dk为k车的期望停车间距。
作为本发明的进一步改进，所述步骤3中每个车辆i的优化问题的代价函数为
Figure BDA0002605911610000022
Figure BDA0002605911610000023
其中Np为预测步长；
Figure BDA0002605911610000024
为车辆i在t时刻预测的t+k时刻的自车速度；b、c、ξ为燃料消耗率拟合系数，当发动机怠速时ξ取1，否则取0；Cfuel为怠速燃料消耗率；
Figure BDA0002605911610000025
取为
Figure BDA0002605911610000026
其中m为车辆质量，CD为空气阻力系数，Av,i为迎风面积，ρ为空气密度，f为滚动阻力系数，g为重力加速度，预测期望驱动扭矩
Figure BDA0002605911610000027
Figure BDA0002605911610000031
其中rw为轮胎半径，ηT为传动系统的机械效率，τ为车辆纵向系统的时滞常数，
Figure BDA0002605911610000032
为车辆i在t时刻预测的t+k时刻的自车加速度，
Figure BDA0002605911610000033
为车辆i在t时刻预测的t+k时刻的自车期望加速度。
作为本发明的进一步改进，所述预测期望加速度
Figure BDA0002605911610000034
的计算方式为
Figure BDA0002605911610000035
Figure BDA0002605911610000036
其中
Figure BDA0002605911610000037
即为待优化的变量；
Figure BDA0002605911610000038
分别为i车在t时刻预测的t+k时刻的与各邻居车辆相对领航车辆的位置、速度和加速度误差的和。作为本发明的进一步改进，所述步骤3中每个车辆i保证跟踪稳定的约束条件为
Figure BDA0002605911610000039
Figure BDA00026059116100000310
其中
Figure BDA00026059116100000311
为上一时刻优化问题的最优解。
作为本发明的进一步改进，所述kpi,min,kvi,min,kai,min可按如下方式取值：
Figure BDA00026059116100000312
其中hi的取值范围为
Figure BDA00026059116100000313
本发明另一方面提供了一种系统，包括感知模块、优化解算模块和控制执行模块，其中感知模块又包括定位与导航系统、通信系统与车载传感器，优化解算模块搭载并运行所述控制方法，控制执行模块接收期望扭矩信息并执行相应动作。
本发明的有益效果，通过步骤1至步骤5的设置，便可使用分布式模型预测控制进行队列控制，可以显式施加跟踪稳定约束，方便调整队列跟踪性能，并可在保证跟踪稳定的前提下以经济性最优为目标求解控制信号，有助于在提高经济性的同时减少跟踪性能的损失。
附图说明
图1是本发明控制信号解算方法示意图；
图2是本发明控制系统结构图。
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2所示，本实施例的一种考虑经济性的车辆队列控制方法，包括如下步骤：
步骤1，将车辆队列从前到后依次编号为0,1,2,…,N，其中0车为领航车辆，根据道路情况自主进行驾驶决策，其余为跟随车辆，根据自身和邻居车辆的位置、速度、加速度信息进行驾驶决策。
步骤2，在任意时刻t，各跟随车辆i接收前ri辆邻居车辆发送的未来Np步预测时域内的假设轨迹
Figure BDA0002605911610000041
并向后车发送自身假设轨迹。
步骤3，跟随车辆i预测未来Np步内各步自车与邻居车辆相对领航车的误差和：
Figure BDA0002605911610000042
其中
Figure BDA0002605911610000043
Figure BDA0002605911610000044
Figure BDA0002605911610000045
当i车可获得j车信息时，aij＝1，否则aij＝0；当i车可获得领航车信息时，pii＝1，否则pii＝0。各车相对领航车的误差
Figure BDA0002605911610000046
的计算方式为
Figure BDA0002605911610000047
Figure BDA0002605911610000048
预测状态由车辆当前状态
Figure BDA0002605911610000049
与各预测步期望加速度
Figure BDA00026059116100000410
经车辆运动学模型导出，即
Figure BDA00026059116100000411
其中
Figure BDA00026059116100000412
步骤4，跟随车辆i计算各预测步的燃料消耗率(ml/s)：
Figure BDA00026059116100000413
Figure BDA00026059116100000414
其中ξi在发动机怠速时取1，否则取0；
Figure BDA0002605911610000051
其中
Figure BDA0002605911610000052
为预测期望扭矩，与预测期望加速度的关系为：
Figure BDA0002605911610000053
Figure BDA0002605911610000054
Cfuel,i为怠速燃料消耗率。
步骤5，跟随车辆i求解一个优化问题得到t时刻经济性最优控制增益
Figure BDA0002605911610000055
Figure BDA0002605911610000056
问题描述如下：
Figure BDA0002605911610000057
满足约束：
Figure BDA0002605911610000058
Figure BDA0002605911610000059
Figure BDA00026059116100000510
Figure BDA00026059116100000511
Figure BDA00026059116100000512
其中：
Figure BDA00026059116100000513
kpi,min,kvi,min,kai,min可按如下方式取值：kpi,min≥0，
Figure BDA00026059116100000514
Figure BDA00026059116100000515
其中hi的取值范围为
Figure BDA00026059116100000516
与
Figure BDA00026059116100000517
可根据工程需求调整取值。
步骤6，步骤5中优化问题的最优解
Figure BDA00026059116100000518
即为保证跟踪稳定情况下经济性最优的控制增益。将其第一个元素用于生成当前时刻期望加速度
Figure BDA0002605911610000061
并将相应期望扭矩
Figure BDA0002605911610000062
传递至车辆控制执行模块，其余元素用于生成未来Np个预测步长的假设轨迹
Figure BDA0002605911610000063
并由通信系统发送至邻居车辆。
步骤7，每个跟随车辆不断重复上述步骤2～6，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 (7)

1.一种考虑经济性的车辆队列控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，车辆纵向排列行驶，各车辆利用通信设备与相邻车辆进行信息交换，并将第一辆车设置为领航车辆，记为0车，进行自主驾驶，其余车辆为跟随车辆，记为i车，并从1开始按顺序编号，根据邻居车辆与自车状态调整行驶轨迹；
步骤2，每个跟随车辆i可以接收信息的前车的数量记为ri，其向后方邻居车辆发送未来一段预测时域内自车假设轨迹信息，并接收前方邻居车辆的假设轨迹信息；
步骤3，每个跟随车辆i以稳定跟踪目标轨迹为约束条件，以经济性为代价函数，构建并求解一个优化问题，得到一段预测时域内经济性最优的控制序列；
步骤4，每个跟随车辆i将控制序列第一个元素应用于自车控制，并生成自车预测时域内的假设轨迹；
步骤5，重复步骤2～4直至结束队列行驶。
2.根据权利要求1所述的考虑经济性的车辆队列控制方法，其特征在于：所述步骤3中每个车辆i目标轨迹可设置为恒定时距跟车轨迹，即i车与领航车的期望距离为：
Figure FDA0003202547770000011
其中hk为k车的期望跟车时距，vk为k车的期望跟车速度，dk为k车的期望停车间距。
3.根据权利要求1或2所述的考虑经济性的车辆队列控制方法，其特征在于：所述步骤3中每个车辆i的优化问题的代价函数为
Figure FDA0003202547770000012
Figure FDA0003202547770000013
其中Np为预测步长；
Figure FDA0003202547770000014
为车辆i在t时刻预测的t+k时刻的自车速度；b、c、ξ为燃料消耗率拟合系数，当发动机怠速时ξ取1，否则取0；Cfuel为怠速燃料消耗率；
Figure FDA0003202547770000015
取为
Figure FDA0003202547770000016
其中m为车辆质量，CD为空气阻力系数，Av，i为迎风面积，ρ为空气密度，f为滚动阻力系数，g为重力加速度，预测期望驱动扭矩
Figure FDA0003202547770000021
Figure FDA0003202547770000022
其中rw为轮胎半径，ηT为传动系统的机械效率，τ为车辆纵向系统的时滞常数，
Figure FDA0003202547770000023
为车辆i在t时刻预测的t+k时刻的自车加速度，
Figure FDA0003202547770000024
为车辆i在t时刻预测的t+k时刻的自车期望加速度。
4.根据权利要求3所述的考虑经济性的车辆队列控制方法，其特征在于：所述预测期望加速度
Figure FDA0003202547770000025
的计算方式为
Figure FDA0003202547770000026
其中
Figure FDA00032025477700000216
即为待优化的变量；
Figure FDA0003202547770000027
Figure FDA0003202547770000028
分别为i车在t时刻预测的t+k时刻的与各邻居车辆相对领航车辆的位置、速度和加速度误差的和。
5.根据权利要求1或2所述的考虑经济性的车辆队列控制方法，其特征在于：所述步骤3中每个车辆i保证跟踪稳定的约束条件为
Figure FDA0003202547770000029
Figure FDA00032025477700000210
Figure FDA00032025477700000211
其中
Figure FDA00032025477700000212
为上一时刻优化问题的最优解。
6.根据权利要求5所述的考虑经济性的车辆队列控制方法，其特征在于：所述kpi，min，kvi，min，kai，min可按如下方式取值：kpi，min≥0，
Figure FDA00032025477700000213
Figure FDA00032025477700000214
其中hi的取值范围为
Figure FDA00032025477700000215
7.一种应用权利要求1至6任意一项所述方法的系统，其特征在于：包括感知模块、优化解算模块和控制执行模块，其中感知模块又包括定位与导航系统、通信系统与车载传感器，优化解算模块搭载并运行所述控制方法，控制执行模块接收期望扭矩信息并执行相应动作。
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