CN112907937B - 一种考虑后车信息的混合车辆队列控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑后车信息的混合车辆队列控制方法及系统，车辆队列由沿纵向排列行驶的n+1辆车组成，按照从前到后的顺序依次采用序号0到n进行编号，0号车为可自主驾驶的领航车，1～n号车为跟驰车，k号跟驰车为智能网联车辆，其余的所述跟驰车为人工驾驶车辆；混合车辆队列控制方法包括：人工驾驶车辆跟随前车行驶；利用预设公式控制所述k号跟驰车。本发明能够保证混合车辆队列系统渐近稳定性与首尾队列稳定性，实现混合车辆队列跟驰目标。

Description

一种考虑后车信息的混合车辆队列控制方法及系统

技术领域

本发明涉及智能交通技术领域，特别是关于一种考虑后车信息的混合车辆队列控制方法及系统。

背景技术

汽车保有量的增加对道路容量、交通安全和效率提出了更高要求，智能网联车辆技术为解决这一问题提供了有效手段。车辆队列协同控制在这一技术的发展过程中应运而生，其可通过车载传感器和车车(Vehicle-to-Vehicle,V2V)通信保证车辆之间近距离稳定跟驰，进而有效降低风阻、提升燃油经济性和提高交通流量，因此得到了广泛研究。

目前已有诸多关于车辆队列协同控制的相关技术，但是，现有的车辆队列协同控制技术仍存在首尾队列稳定性差或难于应用于混合交通环境等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑后车信息的混合车辆队列控制方法及系统来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。

为实现上述目的，本发明提供一种考虑后车信息的混合车辆队列控制方法，所述车辆队列由沿纵向排列行驶的n+1辆车组成，按照从前到后的顺序依次采用序号0到n进行编号，0号车为可自主驾驶的领航车，1～n号车为跟驰车，k号跟驰车为智能网联车辆，其余的所述跟驰车为人工驾驶车辆；

其中，所述方法包括：

所述人工驾驶车辆采用OVM进行描述；

利用式(4)描述的期望加速度u_k(t)控制所述k号跟驰车：

式中，k号跟驰车接收紧邻的前p辆和后q辆邻居车信息，v_j(t)表示j号车在t时刻的速度；α表示距离控制增益，β表示速度控制增益；h_k,j表示式(5)描述的k号跟驰车与j号车的平均车距，s_j表示j号车在t时刻的位置；s_k表示k号跟驰车在t时刻的位置；l为车辆长度；V_k,j(h_k,j)为式(8)描述的车辆期望速度函数，其中的期望速度函数V₊(h_k,j)和期望速度函数V_-(h_k,j)描述为第一种形式或第二种形式；

其中，所述第一种形式：j<k时，期望速度函数V₊(h_k,j)描述为式(2)，j>k时，期望速度函数V_-(h_k,j)描述为式(9)；

所述第二种形式：j<k时，期望速度函数V₊(h_k,j)描述为式(10)，j>k时，期望速度函数V_-(h_k,j)描述为式(11)；

式中，v_max表示最大期望速度，h_st表示随着车距h增大车辆即将启动的临界车距，h_go表示随着车距h继续增大车辆即将以最高速行驶的临界车距；

通过比较式(4)计算得到期望加速度u_k(t)与节气门开度为零时对应的加速度的大小，控制k号跟驰车的执行机构。

进一步地，式(4)中的控制增益α,β的数值范围由式(12)表示的车辆队列首尾稳定性条件获得：

式中，G_n,0(s)表示头车到尾车速度误差传递函数；|·|表示幅值；s＝jω，

ω表示速度误差频率；

表示速度误差

的频域描述，其表示为式(13)；

表示速度误差

的频域；

速度误差

v^*为车辆队列期望速度；

式中，

表示k至n号车链路传递函数，上标表示T_h(s)的(n-k)次方；

表示0至j号车链路传递函数，上标表示T_h(s)的j次方；

表示j至n号车链路传递函数，上标表示T_h(s)的(n-j)次方；T_k,j(s)表示k号跟驰车与j号车之间的链路传递函数，其表示为式(14)：

式中，

V′_k,j(h^*)表示期望速度函数V_k,j(h_k,j)在h_k,j＝h^*处的导数；

式中，中间参数

h^*为车辆队列期望车距。

进一步地，式(4)计算得到期望加速度u_k大于节气门开度为零时对应的加速度，将式(4)计算得到期望加速度u_k输入驱动系统逆模型(6)，计算得到节气门开度α_f,k，施加至k号跟驰车的驱动系统；

α_f,k＝N^-1(ω_k,I_kr_k(m_ku_k+F_k)) (6)

其中，N^-1表示发动机转矩的逆函数；ω_k、I_k、r_k、m_k、F_k分别为k号跟驰车的发动机转速、传动系统传动比、轮胎半径、质量与行驶阻力。

进一步地，式(4)计算得到期望加速度u_k小于节气门开度为零时对应的加速度，将式(4)计算得到期望加速度u_k输入制动系统逆模型(7)，计算得到制动压力p_b,k，施加至k号跟驰车的制动系统；

其中，K_b,k为制动系统增益，N表示发动机转矩的函数；ω_k、I_k、r_k、m_k、F_k分别为k号跟驰车的发动机转速、传动系统传动比、轮胎半径、质量与行驶阻力。

本发明另外提供了一种考虑后车信息的混合车辆队列控制系统，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如上所述方法。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1.本发明将对象从全网联车辆队列推广到人工驾驶车辆与智能网联车辆混合的车辆队列，更符合工程实际，具有更大的应用价值；

2.本发明不局限于多前车的通信拓扑，而可以适用于双向信息流拓扑结构，由此获得更佳的队列性能；

3.本发明可根据邻居车驾驶员行为实时自适应地调整智能网联车辆控制输入，以保证首尾队列稳定性；

4.本发明仅基于软件层面的改变实现了混合队列的跟驰目标，不增加硬件成本，具有较好的示范应用价值。

附图说明

图1为本发明中实现车辆队列系统起动及运行流程图。

图2为本发明中车辆队列通信拓扑结构图的实施例。

图3为本发明中智能网联车辆控制流程图。

图4和图5均为本发明中智能网联车辆期望速度函数图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

参照图1至4所示，为将车辆队列应用于混合交通环境，解决智能交通领域混合车辆队列控制问题，提高队列渐进稳定性与首尾队列稳定性、减轻驾驶员的负担，本发明实施例提供的考虑后车信息的混合车辆队列控制方法包括：

步骤1，车辆队列起动初始化：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，起动车辆队列。

其中，车辆队列由n+1辆车组成，沿纵向排列行驶，按照从前到后的顺序依次采用序号0到n进行编号，0号车为领航车，1～n号车为跟驰车。自主驾驶可以理解为既可以为人工驾驶，也可以为自动驾驶(比如跟踪某一预先设定的速度轨迹)。各跟驰车中，k号跟驰车为智能网联车辆，其余的n-1辆跟驰车为人工驾驶车辆。k号跟驰车上安装有定位、通信及上层控制器和下层控制器。人工驾驶车辆上安装有定位、通信设备。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居车信息，计算期望加速度并由CAN总线发送至下层控制器；下层控制器根据控制命令调整车辆的加速度以保持期望的队列跟驰目标。

步骤2，人工驾驶车辆采用OVM(英文全称为“optimal velocity model”；中文全称为“最优速度模型”)进行描述，其动力学模型如下式(1)所示：

其中，s_i(t)表示i号车在t时刻的位置，可简写为s_i；

为s_i(t)的一阶导数；v_i(t)表示i号车在t时刻的速度，可简写为v_i；

为v_i(t)的一阶导数；v_i-1(t)表示i-1号车在t时刻的速度，可简写为v_i-1；h_i(t)表示i-1号车与i号车的纵向车距，可简写为h，即：h＝s_i-1-s_i；i＝0,1,…,n；α_h和β_h均为驾驶员反应参数，具体数值可根据统计学数据获得；V₊(h)为车辆期望速度函数，通常由如下分段函数(2)表示：

其中，v_max表示最大期望速度，h_st表示随着车距h增大车辆即将启动的临界车距，h_go表示随着车距h继续增大车辆即将以最高速行驶的临界车距。比如：在公路工况下，根据OVM数据，取v_max＝30m/s,h_st＝5m,h_go＝35m。

步骤3，k号跟驰车采用三阶动力学模型(3)：

其中,v_k(t)表示k号跟驰车在t时刻的速度，可简写为v_k；a_k(t)表示k号跟驰车在t时刻的加速度，可简写为a_k；u_k(t)表示k号跟驰车在t时刻的期望加速度，可简写为u_k；τ_k表示k号跟驰车的纵向传动系统时滞常数，τ_k取值范围0.4～0.67。

根据考虑后车信息的非线性控制器发出的控制指令控制k号跟驰车，k号跟驰车的期望加速度u_k(t)，可简写为u_k，表示为式(4)：

式中，k号跟驰车接收紧邻的前p辆和后q辆邻居车信息，v_j(t)表示j号车在t时刻的速度；α表示距离控制增益，β表示速度控制增益；V_k,j(h_k,j)为车辆期望速度函数；h_k,j表示k号跟驰车与j号车的平均车距，其表示为式(5)；

式中，s_j表示j号车在t时刻的位置；s_k表示k号跟驰车在t时刻的位置；l为车辆长度。

步骤4，人工驾驶车辆跟随前车行驶，其中k号跟驰车的邻居车,即k-p到k+p号车向k号跟驰车发送位置、速度、加速度信息；k号跟驰车接收邻居车信息以及获取自车信息，并根据自车与邻居车信息计算控制输入，即期望加速度，发送至CAN总线，进而进入下层控制器。其中，自车信息与邻居车辆信息均包括位置、速度、加速度信息。在一个实施例中，k号跟驰车通过车载T-BOX接收邻居车辆信息，k号跟驰车通过读取车载CAN总线数据获取自车信息。

步骤5，下层控制器通过比较步骤3计算得到期望加速度u_k与节气门开度为零时对应的加速度的大小，控制k号跟驰车的执行机构。其中，执行机构包括驱动系统和制动系统，驱动系统输出驱动力矩T_w或者制动系统输出制动力矩T_b至车身，使车辆获得实际加速度a_k。

步骤5具体包括下面两种情形：

情形(一)，期望加速度大于节气门开度为零时对应的加速度，将步骤3计算得到期望加速度u_k输入驱动系统逆模型(6)，通过式(6)计算得到节气门开度α_f,k，施加至k号跟驰车的驱动系统。

Δ_f,k＝N^-1(ω_k,I_kr_k(m_ku_k+F_k)) (6)

其中，N^-1表示发动机转矩的逆函数；ω_k、I_k、r_k、m_k、F_k分别为k号跟驰车的发动机转速、传动系统传动比、轮胎半径、质量与行驶阻力，其中，轮胎半径和质量由实车测得，其它数据从CAN总线获取得到。

情形(二)，期望加速度小于节气门开度为零时对应的加速度，将步骤3计算得到期望加速度u_k输入制动系统逆模型(7)，通过式(7)计算得到制动压力p_b,k，施加至k号跟驰车的制动系统。

其中，K_b,k为制动系统增益，其数值从CAN总线获取。

需要说明的是，除上述两种情形之外，期望加速度等于节气门开度为零时对应的加速度，车辆不需要采取任何制动或驱动动作。

步骤6，重复步骤4和步骤5，可实现车辆队列的渐进稳定与首尾队列稳定。

在一个实施例中，步骤3中，k号跟驰车的控制输入中的车辆期望速度函数V_k,j(h_k,j)描述为式(8)：

式中，j<k，即当k号跟驰车接收的信息来源于前车时，期望速度函数V₊(h_k,j)与式(1)提供的OVM相同；而j>k，即当k号跟驰车接收的信息来源于后车时，期望速度函数V_-(h_k,j)描述为式(9)：

结合图4和图5，式(1)提供的期望速度函数V₊(h_k,j)对应图4，离前车越远车辆速度越高；式(9)提供的期望速度函数V_-(h_k,j)对应图5，式(9)单调递减，离后车越远车辆速度越慢，意味着k号跟驰车跟踪前车和后车时跟车策略相反。

需要说明的是，除上述实施例公开的V_k,j(h_k,j)的实现方式外，期望速度函数其它实现方式也在本发明的保护范围内，例如式(10)描述的期望速度函数V₊(h_k,j)以及式(11)描述的期望速度函数V_-(h_k,j)：

在一个实施例中，式(4)中的控制增益α,β的数值范围由车辆队列首尾稳定性条件推导得到，首尾队列稳定性条件为：头车速度扰动经队列传播到尾车时不被放大，其表示为下式(12)：

式中，G_n,0(s)表示头车到尾车速度误差传递函数；|·|表示幅值；s＝jω，

ω表示速度误差频率；

表示速度误差

的频域描述，其表示为式(13)；

表示速度误差

的频域；

速度误差

v^*为车辆队列期望速度。

式中，

表示k至n号车链路传递函数，上标表示T_h(s)的(n-k)次方；

表示0至j号车链路传递函数，上标表示T_h(s)的j次方；

表示j至n号车链路传递函数，上标表示T_h(s)的(n-j)次方；T_k,j(s)表示k号跟驰车与j号车之间的链路传递函数，其表示为式(14)：

式中，

V′_k,j(h^*)表示期望速度函数V_k,j(h_k,j)在h_k,j＝h^*处的导数；

式中，中间参数

h^*为车辆队列期望车距。

除了可以采用上述实施例给出的α,β的数值范围的确定方式之外，也可以根据经验为其预先设定具体数值，尽可能地保证队列的首尾队列稳定。

综上所述，本实施例的控制方法和系统适用于考虑后车通信拓扑的混合车辆队列，可保证车辆队列的渐进稳定性与首尾队列稳定性，提升交通容量、安全性和经济性。

本发明实施例还提供一种考虑后车信息的混合车辆队列控制系统，考虑后车信息的混合车辆队列控制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如上述各实施例所述方法。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种考虑后车信息的混合车辆队列控制方法，其特征在于，所述车辆队列由沿纵向排列行驶的n+1辆车组成，按照从前到后的顺序依次采用序号0到n进行编号，0号车为可自主驾驶的领航车，1～n号车为跟驰车，k号跟驰车为智能网联车辆，其余的所述跟驰车为人工驾驶车辆；

其中，所述方法包括：

所述人工驾驶车辆采用最优速度模型OVM进行描述；

利用式(4)描述的期望加速度u_k(t)控制所述k号跟驰车：

式中，k号跟驰车接收紧邻的前p辆和后q辆邻居车信息，v_j(t)表示j号车在t时刻的速度；α表示距离控制增益，β表示速度控制增益；h_k，j表示式(5)描述的k号跟驰车与j号车的平均车距，s_j表示j号车在t时刻的位置；s_k表示k号跟驰车在t时刻的位置；l为车辆长度；V_k，j(h_k，j)为式(8)描述的车辆期望速度函数，其中的期望速度函数V₊(h_k，j)和期望速度函数V_-(h_k，j)描述为第一种形式或第二种形式；

其中，所述第一种形式：j＜k时，期望速度函数V₊(h_k，j)描述为式(2)，j＞k时，期望速度函数V_-(h_k，j)描述为式(9)；

所述第二种形式：j＜k时，期望速度函数V₊(h_k，j)描述为式(10)，j＞k时，期望速度函数V_-(h_k，j)描述为式(11)；

式中，v_max表示最大期望速度，h_st表示随着车距h增大车辆即将启动的临界车距，h_go表示随着车距h继续增大车辆即将以最高速行驶的临界车距；

通过比较式(4)计算得到期望加速度u_k(t)与节气门开度为零时对应的加速度的大小，控制k号跟驰车的执行机构；

式(4)中的控制增益α，β的数值范围由式(12)表示的车辆队列首尾稳定性条件获得：

式中，G_n，0(s)表示头车到尾车速度误差传递函数；|·|表示幅值；s＝jω，

ω表示速度误差频率；

表示速度误差

的频域描述，其表示为式(13)；

表示速度误差

的频域；

速度误差

v^*为车辆队列期望速度；

式中，

表示k至n号车链路传递函数，上标表示T_h(s)的(n-k)次方；

表示0至j号车链路传递函数，上标表示T_h(s)的j次方；

表示j至n号车链路传递函数，上标表示T_h(s)的(n-j)次方；T_k，j(s)表示k号跟驰车与j号车之间的链路传递函数，其表示为式(14)：

式中，

V′_k，j(h^*)表示期望速度函数V_k，j(h_k，j)在h_k，j＝h^*处的导数；

式中，中间参数

h^*为车辆队列期望车距；α_h和β_h均为驾驶员反应参数。

2.如权利要求1所述的考虑后车信息的混合车辆队列控制方法，其特征在于，式(4)计算得到期望加速度u_k大于节气门开度为零时对应的加速度，将式(4)计算得到期望加速度u_k输入驱动系统逆模型(6)，计算得到节气门开度α_f，k，施加至k号跟驰车的驱动系统；

α_f，k＝N^-1(ω_k，I_kr_k(m_ku_k+F_k)) (6)

其中，N^-1表示发动机转矩的逆函数；ω_k、I_k、r_k、m_k、F_k分别为k号跟驰车的发动机转速、传动系统传动比、轮胎半径、质量与行驶阻力。

3.如权利要求1所述的考虑后车信息的混合车辆队列控制方法，其特征在于，式(4)计算得到期望加速度u_k小于节气门开度为零时对应的加速度，将式(4)计算得到期望加速度u_k输入制动系统逆模型(7)，计算得到制动压力p_b，k，施加至k号跟驰车的制动系统；

其中，K_b，k为制动系统增益，N表示发动机转矩的函数；ω_k、I_k、r_k、m_k、F_k分别为k号跟驰车的发动机转速、传动系统传动比、轮胎半径、质量与行驶阻力。

4.一种考虑后车信息的混合车辆队列控制系统，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如权利要求1至3中任一项所述方法。

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