一种基于延迟间距策略的控制车辆队列的方法与流程

本发明涉及智能交通领域，尤其是涉及了一种基于延迟间距策略的控制车辆队列的方法。

背景技术：

控制车辆队列常用于智能交通、重型商业车生产等领域，增加自动化元素，提高了道路运输效率和安全性。具体地，智能交通领域内，车辆队列可在无人驾驶的情况下沿着领头车(司机驾驶)的行驶轨迹自动行驶，使得车辆间距缩短，提高道路利用率。除此之外，对于重型商业车，运输途中燃油消耗较大，在保证道路交通法规允许的车距内并足够安全的前提下，使车辆之间的距离保持足够接近，降低风阻，可以使卡车队列因此节省的燃油量相当可观。尽管现有方法所采用的间距策略实在假设队列应该跟踪恒定的参考速度条件下使用的，而实际情况下参考速度是变化的，在此情况下即便是恒定间距策略和恒定时距策略都无法有效地抑制干扰，甚至增加燃油消耗。

本发明提出了一种基于延迟间距策略的控制车辆队列的方法，保证队列中所有的车辆跟踪期望的(并且在空间上变化的)参考速度分布，并且引入干扰串稳定性用于描述收到外部干扰的车辆队列。具体地，基于延迟项，考虑了外部干扰，指定了期望的车辆间距，并保证所有车辆跟踪相同的变化的参考速度分布，通过引入干扰串稳定性来解决外部扰动的影响，设计了一个控制器来跟踪参考速度分布，保持所需的间距策略，并达到干扰串稳定。本发明突破了现有方法只适用于跟踪恒定参考速度的局限，设计了一个控制器基于延迟的间距策略来跟踪参考速度分布，并达到干扰串稳定，提高了队列控制从理论到落地实践的可能性，使未来智能交通更安全可靠，并可减少数量可观的燃油消耗。

技术实现要素：

针对现有方法只适用于跟踪恒定参考速度的问题，本发明的目的在于提供一种基于延迟间距策略的控制车辆队列的方法，设计了一个控制器基于延迟的间距策略来跟踪参考速度分布，并达到干扰串稳定，提高了队列控制从理论到落地实践的可能性，使未来智能交通更安全可靠，并可减少数量可观的燃油消耗。

为解决上述问题，本发明提供一种基于延迟间距策略的控制车辆队列的方法，其主要内容包括：

(一)间距策略；

(二)串稳定性；

(三)干扰串稳定性；

(四)队列建模；

(五)队列控制器设计。

其中，所述的间距策略，是一种基于延迟的间距策略，明确考虑了外部干扰，此策略指定了期望的车辆间距，并保证所有车辆跟踪相同的随空间变化的参考速度分布，令s_i表示车辆i的纵向位置，v_i表示其速度，二者满足运动学关系：

间距策略描述为车辆i基于其前身i-1的期望行为s_ref,i(t)，给定为：

s_ref,i(t)＝s_i-1(t-Δt) (2)

其中车辆i跟踪轨迹的时间延迟项，Δt>0，式(1)是在空间中实现相等的速度分布。

进一步地，所述的相等的速度分布，令s表示在空间中的一个点，t_i(s)是车辆i通过该点的时间，注意，对于所有v_i(t)>0，然后利用s_i(t)＝s_ref,i(t)，对于所有的公式(1)可以等效地写为：

t_i(s)＝t_i-1(s)+Δt (3)

接下来，在空间域上运动学关系(1)的表达式可以化为：

之后积分得到相对一些初始位置s₀的增益：

应用于车辆i和i-1，联合(3)做减法可得：

对于所有都有s₀≤s₁，对于所有的s，显然：

v_i(s)＝v_i-1(s)＝v_ref(s) (7)

其中，v_i(t)表示车辆i的速度关于时间的函数，v_i(s)速度关于空间的函数。

其中，所述的串稳定性，通过自主级联互连表示一个自动控制车辆队列表示为：

其中在队列中，表示跟随车辆的集合，而包括索引为0的引导车辆，在(8)中，是系统的状态，并且函数f:(满足f(0,0)＝0)，被假设为局部连续型Lipschitz函数，根据以下定义引入串稳定性的概念：

定义1.上式(8)所表示的队列的平衡点x_i＝0,被认为是串稳定的，如果对于任意ε>0，都存在δ>0，使得对于所有的都有

定义2.上式(8)所表示的队列的平衡点x_i＝0,若是串稳定的，则被认为是渐近串稳定，并且δ可以由下式选得

定义1和2中的串稳定性的概念仅适用于自动控制车辆队列(8)。

其中，所述的干扰串稳定性，实际情况队列中的车辆都会受到外部干扰，因此针对非自主互连系统如下：

其中表示影响系统的扰动，而θ既可表示时间变量t也可表示空间变量s。

进一步地，所述的队列，令每个车辆相对其输入x_i-1和ω_i是输入到状态稳定的，即存在类的函数β，类的函数γ和σ，且常数c>0，c_ω>0，使轨迹x_i满足

对于任何|x_i(θ₀)|<c，‖x_i-1‖_∞<c，‖ω_i‖_∞<c_ω且对于所有和(对于i＝0，x_i-1＝0)，如果对于所有的r≥0和一些函数γ满足则队列(11)是干扰串稳定的，此外函数β满足

对于所有ω，0<ω≤1且一些q>0，则对于一些常数c_β>0和类的函数α，函数可取形式最后若c＝∞，c_ω＝∞，则队列(11)全局干扰串稳定。

其中，所述的队列建模，考虑N+1个车辆队列，其中每个车辆满足纵向动力学关系：

其中这里代表车辆i的位置，则等式(14)代表速度的运动学关系，第二个等式状态是对剩余动力的广义描述，可包含发动机或传动系统动力学甚至低级控制系统，输入是可测得的，相反是不可测量的外部干扰，假设函数及是足够光滑的。

其中，所述的队列控制器设计，车车辆动力学在空间域中的表示将被利用来设计实现跟踪(空间变化的)参考速度和基于延迟的期望目标的控制器类，同时保证干扰串稳定性，为了使控制器设计，车辆队列间距策略将表示在时间间隙跟踪误差坐标中，基于在速度跟踪坐标中对车辆的表示，此处采用输入输出线性化方法，为了实现在参考速度v_ref(s)下的跟踪，先定义速度跟踪误差e_1,i及其空间导数，对于任何跟随车辆

k＝2,3,…,n-1，其中符号L_fh(ξ)表示h沿f的李导数，适用于空间域。

进一步地，所述的控制器设计，考虑由车辆动力学和间距策略产生的队列动力学，并且令是反馈控制器，其中选择K使得矩阵A+κBK是赫尔维茨矩阵，即系统是渐近稳定的，此处A和B有如下定义：

然后存在常数使得满足的轨迹x(·)，对所有的s≥0均有下式成立，并且若κ₀>0则闭环队列系统是干扰串稳定的，

其中代表到的距离。

进一步地，所述的通过控制器设计稳定δ_1,i＝0，获得车辆i的期望间距策略，因此引入子空间

此处，表示队列的状态，其中满足动力学，为了使在无干扰的情况下保持不变性，要找到一个分散式控制器实现对应集合的输入到状态的稳定性。

附图说明

图1是本发明一种基于延迟间距策略的控制车辆队列的方法的系统流程图。

图2是本发明一种基于延迟间距策略的控制车辆队列的方法的车辆队列示意图。

图3是本发明一种基于延迟间距策略的控制车辆队列的方法的策略比较图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明一种基于延迟间距策略的控制车辆队列的方法的系统流程图。主要包括间距策略、串稳定性、干扰串稳定性、队列建模、队列控制器设计。

其中，所述的间距策略，是一种基于延迟的间距策略，明确考虑了外部干扰，此策略指定了期望的车辆间距，并保证所有车辆跟踪相同的随空间变化的参考速度分布，令s_i表示车辆i的纵向位置，v_i表示其速度，二者满足运动学关系：

间距策略描述为车辆i基于其前身i-1的期望行为s_ref，i(t)，给定为：

s_ref,i(t)＝s_i-1(t-Δt) (2)

其中车辆i跟踪轨迹的时间延迟项，Δt>0，式(1)是在空间中实现相等的速度分布。

进一步地，所述的相等的速度分布，令s表示在空间中的一个点，t_i(s)是车辆i通过该点的时间，注意，对于所有v_i(t)>0，然后利用s_i(t)＝s_ref,i(t)，对于所有的公式(1)可以等效地写为：

t_i(s)＝t_i-1(s)+Δt (3)

接下来，在空间域上运动学关系(1)的表达式可以化为：

之后积分得到相对一些初始位置s₀的增益：

应用于车辆i和i-1，联合(3)做减法可得：

对于所有都有s₀≤s₁，对于所有的s，显然：

v_i(s)＝v_i-1(s)＝v_ref(s) (7)

其中，v_i(t)表示车辆i的速度关于时间的函数，v_i(s)速度关于空间的函数。

其中，所述的串稳定性，通过自主级联互连表示一个自动控制车辆队列表示为：

其中在队列中，表示跟随车辆的集合，而包括索引为0的引导车辆，在(8)中，是系统的状态，并且函数f:(满足f(0,0)＝0)，被假设为局部连续型Lipschitz函数，根据以下定义引入串稳定性的概念：

定义1.上式(8)所表示的队列的平衡点x_i＝0,被认为是串稳定的，如果对于任意ε>0，都存在δ>0，使得对于所有的都有

定义2.上式(8)所表示的队列的平衡点x_i＝0,若是串稳定的，则被认为是渐近串稳定，并且δ可以由下式选得

定义1和2中的串稳定性的概念仅适用于自动控制车辆队列(8)。

其中，所述的干扰串稳定性，实际情况队列中的车辆都会受到外部干扰，因此针对非自主互连系统如下：

其中表示影响系统的扰动，而θ既可表示时间变量t也可表示空间变量s。令每个车辆相对其输入x_i-1和ω_i是输入到状态稳定的，即存在类的函数β，类的函数γ和σ，且常数c>0，c_ω>0，使轨迹x_i满足

对于任何|x_i(θ₀)|<c，‖x_i-1‖_∞<c，‖ω_i‖_∞<c_ω且对于所有和(对于i＝0，x_i-1＝0)，如果对于所有的r≥0和一些函数γ满足则队列(11)是干扰串稳定的，此外函数β满足

对于所有ω，0<ω≤1且一些q>0，则对于一些常数c_β>0和类的函数α，函数可取形式最后若c＝∞，c_ω＝∞，则队列(11)全局干扰串稳定。

其中，所述的队列建模，考虑N+1个车辆队列，其中每个车辆满足纵向动力学关系：

其中这里代表车辆i的位置，则等式(14)代表速度的运动学关系，第二个等式状态是对剩余动力的广义描述，可包含发动机或传动系统动力学甚至低级控制系统，输入是可测得的，相反是不可测量的外部干扰，假设函数及是足够光滑的。

其中，所述的队列控制器设计，车车辆动力学在空间域中的表示将被利用来设计实现跟踪(空间变化的)参考速度和基于延迟的期望目标的控制器类，同时保证干扰串稳定性，为了使控制器设计，车辆队列间距策略将表示在时间间隙跟踪误差坐标中，基于在速度跟踪坐标中对车辆的表示，此处采用输入输出线性化方法，为了实现在参考速度v_ref(s)下的跟踪，先定义速度跟踪误差e_1,i及其空间导数，对于任何跟随车辆

k＝2,3,…,n-1，其中符号L_fh(ξ)表示h沿f的李导数，适用于空间域。考虑由车辆动力学和间距策略产生的队列动力学，并且令是反馈控制器，其中选择K使得矩阵A+κBK是赫尔维茨矩阵，即系统是渐近稳定的，此处A和B有如下定义：

然后存在常数使得满足的轨迹x(·)，对所有的s≥0均有下式成立，并且若κ₀>0则闭环队列系统是干扰串稳定的，

其中代表到的距离。通过控制器设计稳定δ_1,i＝0，获得车辆i的期望间距策略，因此引入子空间

此处，表示队列的状态，其中满足动力学，为了使在无干扰的情况下保持不变性，要找到一个分散式控制器实现对应集合的输入到状态的稳定性。

图2是本发明一种基于延迟间距策略的控制车辆队列的方法的车辆队列示意图。图中表示了队列中两个相邻车辆i-1和i之间的间距，在自动控制的车辆队列中，期望的间距策略是s_ref,i(t)-s_i-1(t)。

图3是本发明一种基于延迟间距策略的控制车辆队列的方法的策略比较图。恒定间距策略(第一行)，恒定时距策略(第二行)和基于延迟的策略(第三行)的引导车辆的预定义速度分布(黑色)，10个跟随车辆的速度vi(灰色)。左列显示速度关于时间t的函数，而右列给出速度关于空间s的函数。令s_i表示车辆i的纵向位置，v_i表示其速度，满足运动学关系：

间距策略描述车辆i基于前一辆i-1期望的行为s_ref,i(t)，图3描述了分别在恒定间距、恒定时距和基于延迟的间距策略下，队列中所有车辆的速度。并且可以清楚地看出，对于恒定间距和恒定时距的策略，队列中连续车辆在不同的空间位置所发生的速度变化。如果第一辆车辆的速度变化是由于道路性能，例如丘陵而不是小干扰，这会是一个大问题。由于有限的发动机功率，大的坡度会降低队列引导车辆(第一辆)的前行速度，如图2所示。在这种情况下，后面跟随的车辆在这个山上(即，在空间中的相同位置)可能需要更高的速度才可爬坡，因为受制于恒定间隔或恒定时距策略。由于有限的发动机功率这或许不可行，而且会引发不期望的队列行为，增加燃料消耗。

对于本领域技术人员，本发明不限制于上述实施例的细节，在不背离本发明的精神和范围的情况下，能够以其他具体形式实现本发明。此外，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。