一种指定收敛时间的车辆编队控制方法和系统与流程

本发明涉及智能交通系统控制领域，尤其涉及一种指定收敛时间的车辆编队控制方法和系统。

背景技术：

随着汽车保有量快速增长，城市交通拥堵问题日益严重，成为了制约交通运行安全和效率以及车辆燃油经济性的重要因素。基于车车通信技术的车辆编队技术即协同自适应巡航控制技术，为城市交通控制提供了新的方法，可提升交通安全、效率和燃油经济性，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201510401951.4的专利提供了一种保持智能车编队相对稳定行驶的同时避开道路障碍物的系统和方法；申请号为201710445450.5的专利提供了一种多辆欠驱动无人车的编队控制方法，利用终端滑模技术使得无人车的姿态有限时间收敛；申请号为201710617659.5的专利提出了一种使车辆在编队状态下，按照指令以最优车速运行的系统和方法。申请号为201710184207.2的专利提供了一种通过每辆车上均设置定位部、通信部、相邻车道检测部和自动驾驶控制部，使得每辆跟车都能跟随首车自动行驶的系统和方法。

现有研究无法保证车辆跟踪误差在指定时间内收敛，也未考虑车辆加速度饱和约束以及参数不匹配的影响，而这些状况在实际中客观存在，并且对协同控制有着重要影响。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种保证车辆跟踪误差在指定时间收敛的车辆编队控制方法和系统，从而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：一种指定收敛时间的车辆编队控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，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，动力学模型为：

其中，pi,vi,adi分别为车辆i的位置、速度、期望加速度，ri1,ri2表示车辆i由参数不匹配引起的等效扰动，sat(adi)表示加速度受饱和约束；

步骤2，在行驶过程中，领航车辆和每个跟随车辆i利用车载通信将自身的编号、位置、速度、加速度信息发送至其他车辆，该通信拓扑存在以领航车为根节点的有向生成树；

步骤3，定义位置跟踪误差为速度跟踪误差为其中，lij为常数，若车辆i可以接收到车辆j的信息则为1，否则为0；gi为常数，若车辆i可以接收到虚拟领航车的信息则为1，否则为0；d为车辆编队中相邻两车的距离；

步骤4，每辆跟随车辆i利用自身和所接收的其他车辆的位置、速度、加速度信息，计算自身的期望加速度为：其中，aj为车辆j的加速度，θi>0,εi>0,0<δ<1,σ>1,0<αp<1,0<αv<1,βp>1,βv>1为常数，ρi>0为常数,kp,1>0,kp,2>0,kv,1>0,kv,2>0为常数且满足s²+kp,2s+kp,1和s²+kv,2s+kv,1为赫尔维兹多项式，函数x^[k]定义为x^[k]＝sign(x)|x|^k，其中sign函数为符号函数；

步骤5，增大ρi直至达到期望的控制效果，若期望加速度高于节气门开度为零时实际加速度，将期望加速度输入驱动系统逆模型得到节气门开度αif＝n^-1(ωi,iiri(miaid+fi))并施加至驱动系统，其中n^-1为发动机转矩的逆函数，ωi、ii、ri、mi、fi分别为第i辆车的发动机转速、传动系统传动比、轮胎半径、质量与行驶阻力；若期望加速度低于节气门开度为零时实际加速度，将期望加速度输入制动系统逆模型得到制动压力并施加至制动系统，其中kb,i为制动系统增益；

步骤6，驱动系统或制动系统作用得到驱动力矩tiw或制动力矩tib并施加至车身，使车辆跟踪期望加速度adi；

步骤7，每个跟随车辆不断重复上述步骤3～7，实现车辆编队行驶。

作为本发明的进一步改进，所述步骤1中sat(adi)定义为：

其中，和adi表示车辆i的期望加速度上限和下限值。

作为本发明的进一步改进，所述步骤4中θi应取适当大小，以保证加速度不超过其上下限。当和adi为车辆i的极限加速度上限和下限值时，则无需对期望加速度进行限制，作为优选，可选取θi为一适当大的数。

作为本发明的进一步改进，所述步骤4中的此时，编队控制误差可在指定时间内收敛至0。

作为本发明的进一步改进，所述步骤4中|zi|≥1时，可取|zi|<1时，可取

本发明另一方面提供了一种应用上述方法的系统，该系统包括上层计算单元和下层控制单元，所述上层计算单元与下层控制单元相互通信，以执行上述方法。

本发明的有益效果，采用步骤3的设置，可对车队的位置跟中误差进行调整判断，使得车辆跟踪误差可在指定时间收敛，从而保证车辆编队跟踪性能和安全性，还可使得车辆加速度饱和约束始终得到满足，且参数不匹配不影响系统稳定。

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。

参照图1所示，本实施例的一种指定收敛时间的车辆编队控制方法具体步骤如下：

1.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，设置其加速度范围和adi；

2.设置控制器参数：θi,εi,δ,σ,αp,αv,βp,βv,kp,1,kp,2,,kv,2,ρi，其中θi>0,εi>0,0<δ<1,σ>1,0<αp<1,0<αv<1,βp>1,βv>1,ρi>0，且kp,1>0,kp,2>0,kv,1>0,kv,2>0满足s²+kp,2s+kp,1和s²+kv,2s+kv,1为赫尔维兹多项式；

3.初始化通信设备参数，使通信拓扑存在以领航车为根节点的有向生成树，而后领航车辆和跟随车辆通过车车通信的方式获取其他车辆信息；

4.每辆跟随车辆i利用自身和所接收的其他车辆的位置、速度、加速度信息，计算自身的期望加速度其中函数x^[k]定义为x^[k]＝sign(x)|x|^k，sign函数为符号函数；

5.适当增大ρi直至达到期望的控制效果，特别地，当满足时，可在指定时间内实现无误差的跟踪；

6.若期望加速度高于节气门开度为零时实际加速度，将期望加速度输入驱动系统逆模型得到节气门开度αif＝n^-1(ωi,iiri(miaid+fi))并施加至驱动系统，其中n^-1为发动机转矩的逆函数，ωi、ii、ri、mi、fi分别为第i辆车的发动机转速、传动系统传动比、轮胎半径、质量与行驶阻力；若期望加速度低于节气门开度为零时实际加速度，将期望加速度输入制动系统逆模型得到制动压力并施加至制动系统，其中kb,i为制动系统增益；

7.驱动系统或制动系统作用得到驱动力矩tiw或制动力矩tib并施加至车身，使车辆跟踪期望加速度adi；

8.每个跟随车辆不断重复上述步骤3～7，实现车辆编队行驶。

综上所述，本实施例中方法通过对位置跟踪误差及时判断，可对车队的位置跟中误差进行调整判断，使得车辆跟踪误差可在指定时间收敛，从而保证车辆编队跟踪性能和安全性，还可使得车辆加速度饱和约束始终得到满足，且参数不匹配不影响系统稳定。

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。