CN112965478B - 考虑不匹配速度扰动的车辆队列稳定性控制方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑不匹配速度扰动的车辆队列稳定性控制方法，包括如下步骤：步骤1：采用双向通信结构建立车辆编队，前后车辆利用通信设备进行信息交换；步骤2：将编队中车辆从前到后进行0～N编号，其中第0辆为匀速行驶的领航车辆；步骤3：采用反馈控制率
Figure DDA0002915182920000011
得到如下线性动力学模型，步骤4：每辆跟随车辆的观测层根据车辆速度和位置的量测值以及控制输入；步骤5：构建恒定时距跟车策略；步骤6：每辆跟随车辆i的控制层建立分布式控制器；步骤7：每辆车将得到的期望加速度传输到下层控制器；步骤8：重复步骤4～7直至结束队列形式。本发明的考虑不匹配速度扰动的车辆队列稳定性控制方法，保证车辆编队的跟踪性能和安全性。

Description

考虑不匹配速度扰动的车辆队列稳定性控制方法和系统
技术领域
本发明涉及智能交通系统控制领域，尤其涉及一种考虑不匹配速度扰动的车辆队列稳定性控制方法和系统。
背景技术
中国日益增长的汽车市场不可避免地带来了城市交通拥堵问题，对交通运行安全和效率以及汽车燃油经济性提出了新的挑战。车辆编队技术即协同自适应巡航控制技术通过运用车车通信对车辆编队协同控制，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控制的专利。申请号为201910958157.8的专利提供了一种抗通信延迟的智能电动车编队自适应鲁棒控制方法；申请号为202010650385.1的专利提供了一种基于滑模控制的车队协同制动控制方法，并能保证队列稳定性；申请号为201911046770.9的专利提供了一种基于事件触发的网络化车队调度与协同控制方法；申请号为201910712070.2的专利提供了一种基于执行器故障和饱和的异构车队容错控制方法；申请号为201811395858.7的专利提供了一种考虑通信时延的车辆队列稳定性控制方法；申请号为201910820091.6的专利提供了一种基于图结构和人工势场的编队控制方法。
现有专利多假设车辆速度可精确获取，未考虑车辆不匹配速度扰动对队列稳定性的影响，即个体车辆跟踪误差在向后传播过程中不被放大的特性。而不匹配速度扰动在路面不平、大风、参数变化、速度量测误差和外部干扰等情况下下客观存在，是破坏队列稳定性的重要因素，并且对协同控制有着重要影响。
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考虑不匹配速度扰动及匹配加速度扰动的影响，设计包含观测层和控制层的双层控制策略，并提供一种考虑不匹配速度扰动的车辆队列稳定性控制方法和系统，从而提高车辆编队在外界扰动影响下的鲁棒性，保证跟踪性能和安全性。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种考虑不匹配速度扰动的车辆队列稳定性控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：采用双向通信结构建立车辆编队，前后车辆利用通信设备进行信息交换；
步骤2：将编队中车辆从前到后进行0～N编号，其中第0辆为匀速行驶的领航车辆，其余N辆为跟随车辆，建立车辆动力学模型为：
Figure BDA0002915182900000021
Figure BDA0002915182900000022
其中，pi,vri,vi,ai,别为车辆i的位置、真实速度、量测速度和加速度，Ti,ηi,mi,ri,CA,i,fi,g分别为车辆i的期望转距、传动系统效率、质量、轮胎半径、空气阻力系数、滚动阻力系数和重力加速度，ri1表示车辆i由于量测误差、路面不平、大风和参数变化等引起的不匹配速度扰动，ri2表示车辆i由于建模误差和外部干扰等引起的匹配加速度扰动；
步骤3：采用反馈控制率
Figure BDA0002915182900000023
得到如下线性动力学模型：
Figure BDA0002915182900000024
其中，adi为车辆i的期望加速度；
步骤4：每辆跟随车辆的观测层根据车辆速度和位置的量测值以及控制输入，对自车受到的不匹配速度扰动及匹配加速度扰动进行估计；
步骤5：构建恒定时距跟车策略，定义位置跟踪误差为
Figure BDA0002915182900000025
其中，lij为常数，
Figure BDA0002915182900000026
为ri1的估计值，若车辆i可以接受到车辆j的信息则为1，否则为0；gi为常数，若车辆i可以接受到领航车的信息则为1，否则为0；D为车辆编队中相邻两车的期望距离，hi为相邻两车的期望时距；
步骤6：每辆跟随车辆i的控制层建立分布式控制器，定义滑模变量
Figure BDA0002915182900000031
Figure BDA0002915182900000032
利用自身和所接收的其他车辆的位置、速度、加速度、扰动估计值、滑模变量和位置跟踪误差信息，计算自身的期望加速度为:
Figure BDA0002915182900000033
Figure BDA0002915182900000034
其中，ki>0,εi>0,0<δ<1,0<β<1，θi>0为常数，
Figure BDA0002915182900000035
为ri2的估计值，函数x[k]定义为x[k]＝sign(x)|x|k,sign函数为符号函数；
步骤7：每辆车将得到的期望加速度传输到下层控制器，使车辆跟踪期望加速度为aid；
步骤8：重复步骤4～7直至结束队列形式。
作为本发明的进一步改进，所述步骤4中的观测层可以采用如下扰动观测器方法，表达式为：
Figure BDA0002915182900000036
Figure BDA0002915182900000037
Figure BDA0002915182900000038
其中，
Figure BDA0002915182900000039
是ri1的导数，
Figure BDA00029151829000000310
分别是pi,vi,ri1,
Figure BDA00029151829000000311
ri2的估计值，
Figure BDA00029151829000000312
Li1,Li2是正常数。
作为本发明的进一步改进，所述步骤6中0<β<1取适当大小，即‖Gi(s)‖＝‖Ei+1(s)/Ei(s)‖＝β≤1，其中Gi(s)为误差传递函数，Ei(s)为位置跟踪误差ei的拉普拉斯变换。
本发明的另一方面提供了一种系统，包括上层计算单元和下层控制单元，以搭载执行上述方法。
本发明的有益效果，针对受不匹配速度扰动及匹配加速度扰动的车辆编队系统，设计了包含观测层和控制层的双层控制策略，观测层快速估计扰动并传输给控制层，控制层基于耦合滑模方法对扰动进行补偿，并利用传递函数方法对队列稳定性进行了分析。所提策略可以实现不匹配速度扰动及匹配加速度扰动作用下的队列稳定性，保证车辆编队在大风、路面不平等复杂条件下的跟踪性能和安全性。
附图说明
图1为本发明提供的车辆编队控制方法流程图。
具体实施方式
下面将结合附图所给出的实施例对本发明做进一步的详述。
本发明考虑的车辆编队由N+1辆车辆组成，其中第0辆为匀速行驶的领航车辆，其余1～N辆为跟随车辆。每辆跟随车辆上均安装有定位、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。通信设备可从CAN总线获取自车信息，将其发送给其他车辆，并接收其他车辆信息。上层控制器由CAN总线获取自车信息与其他车辆信息，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。
本发明提出的指定收敛时间的车辆编队控制方法具体步骤如下：
1.初始化通信设备及控制器参数。
2.采用双向通信结构建立车辆编队，前后车辆利用通信设备进行信息交换。
3.将编队中车辆从前到后进行0～N编号，其中第0辆为匀速行驶的领航车辆，其余N辆为跟随车辆。将编队中车辆从前到后进行0～N编号，其中第0辆为匀速行驶的领航车辆，其余N辆为跟随车辆，建立车辆动力学模型为：
Figure BDA0002915182900000051
其中，pi,vri,vi,ai,别为车辆i的位置、真实速度、量测速度和加速度，Ti,ηi,mi,ri,CA,i,fi,g分别为车辆i的期望转距、传动系统效率、质量、轮胎半径、空气阻力系数、滚动阻力系数和重力加速度，ri1表示车辆i由于量测误差、路面不平、大风和参数变化等引起的不匹配速度扰动，ri2表示车辆i由于建模误差和外部干扰等引起的匹配加速度扰动。采用反馈控制率
Figure BDA0002915182900000052
Figure BDA0002915182900000053
得到如下线性动力学模型：
Figure BDA0002915182900000054
其中，adi为车辆i的期望加速度。
4.每辆跟随车辆的观测层根据车辆速度和位置的量测值以及控制输入，对自车受到的不匹配速度扰动及匹配加速度扰动进行估计。
5.构建恒定时距跟车策略，定义位置跟踪误差为
Figure BDA0002915182900000055
Figure BDA0002915182900000056
其中，lij为常数，
Figure BDA0002915182900000057
为ri1的估计值，若车辆i可以接受到车辆j的信息则为1，否则为0；gi为常数，若车辆i可以接受到领航车的信息则为1，否则为0；D为车辆编队中相邻两车的期望距离，hi为相邻两车的期望时距。
6.每辆跟随车辆i的控制层建立分布式控制器，定义滑模变量
Figure BDA0002915182900000058
Figure BDA0002915182900000059
利用自身和所接收的其他车辆的位置、速度、加速度、扰动估计值、滑模变量和位置跟踪误差信息，计算自身的期望加速度为:
Figure BDA00029151829000000510
Figure BDA00029151829000000511
其中，ki>0,εi>0,0<δ<1,0<β<1，θi>0为常数，
Figure BDA00029151829000000512
为ri2的估计值，函数x[k]定义为x[k]＝sign(x)|x|k,sign函数为符号函数。
7.每辆车将得到的期望加速度传输到下层控制器，使车辆跟踪期望加速度为aid。
8.每个跟随车辆不断重复上述步骤4～7，实现车辆编队行驶。
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)

1.一种考虑不匹配速度扰动的车辆队列稳定性控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：采用双向通信结构建立车辆编队，前后车辆利用通信设备进行信息交换；
步骤2：将编队中车辆从前到后进行0～N编号，其中第0辆为匀速行驶的领航车辆，其余N辆为跟随车辆，建立车辆动力学模型为：
Figure FDA0002915182890000011
Figure FDA0002915182890000012
其中，pi,vri,vi,ai,分 别为车辆i的位置、真实速度、量测速度和加速度，Ti,ηi,mi,ri,CA,i,fi,g分别为车辆i的期望转距、传动系统效率、质量、轮胎半径、空气阻力系数、滚动阻力系数和重力加速度，ri1表示车辆i由于量测误差、路面不平、大风和参数变化等引起的不匹配速度扰动，ri2表示车辆i由于建模误差和外部干扰等引起的匹配加速度扰动；
步骤3：采用反馈控制率
Figure FDA0002915182890000013
得到如下线性动力学模型：
Figure FDA0002915182890000014
其中，adi为车辆i的期望加速度；
步骤4：每辆跟随车辆的观测层根据车辆速度和位置的量测值以及控制输入，对自车受到的不匹配速度扰动及匹配加速度扰动进行估计；
步骤5：构建恒定时距跟车策略，定义位置跟踪误差为
Figure FDA0002915182890000015
其中，lij为常数，
Figure FDA0002915182890000016
为ri1的估计值，若车辆i可以接受到车辆j的信息则为1，否则为0；gi为常数，若车辆i可以接受到领航车的信息则为1，否则为0；D为车辆编队中相邻两车的期望距离，hi为相邻两车的期望时距；
步骤6：每辆跟随车辆i的控制层建立分布式控制器，定义滑模变量
Figure FDA0002915182890000021
Figure FDA0002915182890000022
利用自身和所接收的其他车辆的位置、速度、加速度、扰动估计值、滑模变量和位置跟踪误差信息，计算自身的期望加速度为:
Figure FDA0002915182890000023
Figure FDA0002915182890000024
其中，ki>0,εi>0,0<δ<1,0<β<1，θi>0为常数，
Figure FDA0002915182890000025
为ri2的估计值，函数x[k]定义为x[k]＝sign(x)|x|k,sign函数为符号函数；
步骤7：每辆车将得到的期望加速度传输到下层控制器，使车辆跟踪期望加速度为aid；
步骤8：重复步骤4～7直至结束队列形式。
2.根据权利要求1所述的考虑不匹配速度扰动的车辆队列稳定性控制方法，其特征在于：所述步骤4中的观测层可以采用如下扰动观测器方法，表达式为：
Figure FDA0002915182890000026
Figure FDA0002915182890000027
Figure FDA0002915182890000028
其中，
Figure FDA0002915182890000029
是ri1的导数，
Figure FDA00029151828900000210
分别是pi,vi,ri1,
Figure FDA00029151828900000211
ri2的估计值，
Figure FDA00029151828900000212
Li1,Li2是正常数。
3.根据权利要求1或2所述的考虑不匹配速度扰动的车辆队列稳定性控制方法，其特征在于：所述步骤6中0<β<1取适当大小，即‖Gi(s)‖＝‖Ei+1(s)/Ei(s)‖＝β≤1，其中Gi(s)为误差传递函数，Ei(s)为位置跟踪误差ei的拉普拉斯变换。
4.一种应用于权利要求1至3任意一项所述方法的系统，其特征在于：包括上层计算单元和下层控制单元，以搭载执行上述方法。
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