考虑通信拓扑时变下的车辆队列跟驰稳定性控制方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑通信拓扑时变下的车辆队列跟驰稳定性控制方法，该方法包括：步骤1，建立车辆队列跟驰的数学模型；步骤2，将所述节点动力单元描述为节点线性模型；步骤3，建立考虑通信拓扑时变的车辆队列跟驰控制系统的高维闭环状态方程；步骤4，根据高维闭环状态方程，给出考虑通信拓扑时变的车辆队列存在镇定控制器的充分条件是：当平均驻留时间长于下界时，车辆队列系统的镇定控制器存在可行解；步骤5，利用车辆队列存在镇定控制器的充分条件，提出低维Riccati不等式，求得控制器增益。本发明专利技术能够保证在通信拓扑时变下车辆队列跟驰系统的稳定性和鲁棒性。

Control Method of Vehicle Queue Following Stability Considering Time-varying Communication Topology

The invention discloses a vehicle queue following stability control method considering time-varying communication topology. The method includes: step 1, establishing a mathematical model of vehicle queue following; step 2, describing the node power unit as a node linear model; step 3, establishing a high-dimensional closed-loop state equation of vehicle queue following control system considering time-varying communication topology; step 4, root; According to the high-dimensional closed-loop state equation, the sufficient conditions for the existence of stabilization controllers in vehicle queues with time-varying communication topology are given as follows: when the average residence time is longer than the lower bound, there exists a feasible solution for the stabilization controllers of vehicle queues; and in step 5, a low-dimensional Riccati inequality is proposed to obtain the gain of the controllers by utilizing the sufficient conditions for the existence of stabilization controllers in vehicle queues. The invention can ensure the stability and robustness of the vehicle queue following system under the time-varying communication topology.

【技术实现步骤摘要】
考虑通信拓扑时变下的车辆队列跟驰稳定性控制方法
本专利技术涉及智能驾驶
，特别是涉及一种考虑通信拓扑时变下的车辆队列跟驰稳定性控制方法。
技术介绍
近年来，随着汽车保有量的不断增加，汽车在给人类带来方便的同时，也引发了交通安全、交通拥堵、能源危机和环境恶化等问题。国际研究表明：在高速路行驶过程中，如果让车辆排成队列行驶，则可以通过缩短跟驰间距来改变整体空气动力学阻力，有望提高交通流量，减少燃油消耗。普通驾驶员由于性别、年龄、身体状态和驾驶环境等的不同，其跟驰行为和跟驰间距通常各不相同，造成道路资源不能被充分利用。而且，由于不同驾驶员的反应延迟和所施加的制动力各不相同，当多辆车连续跟驰形成车辆队列时，头车的轻微制动行为容易造成后车的制动力饱和，从而对交通安全造成威胁。自动驾驶是解决上述问题的有效途径，但现有纵向自动跟驰系统，如ACC(自适应巡航系统)，其仅基于前车信息进行控制，无法兼顾整个车辆队列的安全性，通常会造成队列尾部车辆的控制强度过大，影响安全性和舒适性。近年来新兴通信技术的发展，如DSRC(专用短程通信技术)、5G等，为解决上述问题提供了新思路。车路协同系统采用高带宽、低延时的无线通信将车辆队列的成员车联系起来形成整体，成员车之间可以共享信息，自车控制器在综合前后多辆成员车信息的基础上优化控制增益，从而实现跟驰误差的快速收敛，在保证安全性的基础上进一步缩短队列跟驰间距，提高通行效率，减少燃油消耗。但是，基于车车通信的车辆队列跟驰系统仍有许多问题和缺陷。车辆队列在行驶过程中需要面对复杂的路况，其中存在许多干扰因素，很容易造成通信信号不稳定，并且车辆队列在实际行驶过程中可能存在成员车不断切入和切出的现象，这些都将导致通信拓扑的结构变化。不同通信拓扑的性能不同，车辆队列的控制器需要保证不同通信拓扑下系统的稳定性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种考虑通信拓扑时变下的车辆队列跟驰稳定性控制方法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，本专利技术提供一种考虑通信拓扑时变下的车辆队列跟驰稳定性控制方法，该方法包括以下步骤：步骤1，车辆队列包括N+1辆成员车，N为大于1的自然数，建立车辆队列跟驰的数学模型：所述数学模型包括节点动力单元、几何拓扑结构、通信拓扑结构和分布式控制器，一辆所述成员车对应为一个节点，其中，所述节点动力单元根据输入的期望加速度ades，获得期望油门开度αdes或期望制动压力Pdes，控制自车的状态量；所述几何拓扑结构用于确定各所述成员车之间的纵向物理间距；所述通信拓扑结构用于各所述成员车之间的信息交互；所述分布式控制器基于所述通信拓扑结构，利用其它所述成员车的信息，使用静态反馈控制，获取自车的期望加速度ades；步骤2，在步骤1中所述节点动力单元中，通过反馈线性化策略构造非线性下层控制增益，以将所述节点动力单元描述为节点线性模型；步骤3，根据可能出现的具体的通信拓扑结构，建立考虑通信拓扑时变的车辆队列跟驰控制系统的高维闭环状态方程；步骤4，根据步骤3给出的高维闭环状态方程，对存在通信拓扑时变下车辆队列进行数学建模，以计算通信拓扑过程中的平均驻留时间下界，据此给出考虑通信拓扑时变的车辆队列存在镇定控制器的充分条件是：当平均驻留时间长于下界时，车辆队列系统的镇定控制器存在可行解；其中，ε的取值可参考下面式(21)：式(21)中，PHσ(t)满足下面式(24)，Hσ(t)为时变通信拓扑阵，λ(PHσ(t))为矩阵PHσ(t)的特征值，max[λ(PHσ(t))]为矩阵PHσ(t)的特征值的最大值，min[λ(PHσ(t))]为矩阵PHσ(t)的特征值的最小值；其中，η的取值可参考下面式(22)：AP+PAT-μBBT+ηP＜0(22)式(22)中，P为式(22)的对称正定解，P＞0；μ满足下面的线性矩阵不等式(23)和式(25)：式(23)中，λ1(Hσ(t))为通信拓扑结构的特征值，为λ1(Hσ(t))的共轭复数；式(25)中，λg(H)为通信拓扑阵H的第g个特征值，为λg(H)的共轭值；步骤5，利用步骤4中给出的车辆队列存在镇定控制器的充分条件，提出低维Riccati不等式，利用该Riccati不等式的解，构造镇定控制器，求得控制器增益，以控制所述分布式控制器的静态反馈控制，保证通信拓扑时变下车辆队列跟驰系统的跟驰误差收敛。进一步地，步骤3中，“高维闭环状态方程”描述为式(7)：式(7)中，为以成员车绝对跟驰误差为元素的车辆队列总状态量，其定义为下面的式(9)；为的对时间的一阶导数；IN为N维单位阵；A为第i辆车的节点线性模型的状态矩阵；B为第i辆车的节点线性模型的输入矩阵；为Kronecker积；Hσ(t)为时变通信拓扑阵，其表示为式(8)：Hσ(t)＝Lσ(t)+Rσ(t)(8)式(8)中，Lσ(t)为时变的拉普拉斯阵，Rσ(t)为时变的牵引矩阵；式(9)中，为的转置，为第i辆车的绝对跟驰误差，其状态量表示为式(10)：式(10)中，xi为第i辆车的节点线性模型状态量，x0为头车的节点线性模型状态量，Di,0为第i辆车到头车的期望跟驰间距。进一步地，步骤5中的“低维Riccati不等式”表示为下面式(26)，通过式(26)求解对象为正定矩阵P：AP+PAT-μBBT＜0(26)式(26)中，A为车辆队列节点线性模型状态矩阵；AT为A的转置；B是车辆队列节点线性模型输入矩阵；BT为B的转置；P为Riccati不等式的解，P＞0；根据式(26)求得的P，按下式(27)求取镇定控制器增益K：进一步地，步骤4中的“对存在通信拓扑时变下车辆队列进行数学建模”包括：首先，将时间轴划分为连续时间序列如下式(11)至式(13)：0＜tk-tk-1≤Tup(12)t0＝0(13)式(11)至式(13)中，tk为k时刻；tk-1为k-1时刻；t0为初始时刻；k为大于等于1的自然数；N为自然数集；Tup为一个时间区间长度的上限，Tup为大于0的常数；然后，将时间区间[tk-1，tk)划分为有穷个连续、不重叠的时间片，使得每个时间片中的通信拓扑不存在变化，其表示为下面式(14)至式(18)：mk＞0(18)式(14)至式(18)中，为时间区间[tk-1，tk)中的第l-1个时刻；为时间区间[tk-1，tk)中的第l个时刻；为时间区间[tk-1，tk)的起始时刻，其与tk-1等价；为时间区间[tk-1，tk)的终点时刻，其与tk等价；l为时间区间[tk-1，tk)中的第l个时刻；mk为时间区间[tk-1，tk)中的第mk个时刻，也相当于时间区间；N为被分成了mk份，即被分成了mk个时间片；Tlow表示一个时间片长度的下限，Tlow为大于0的常数，其可以根据预设的时间区间长度随机取值；最后，令时间区间[ti，tj),0≤i≤j中通信拓扑变换次数为Nσ(ti，tj)，则平均驻留时间π定义为式(19)：进一步地，步骤5中，第i辆车的期望加速度ui可表示为式(6)：式(6)中，lij为拉普拉斯阵L中的第i行、第j列元素；ri为邻接矩阵；Di,j为第i辆车与第j辆车之间期望的状态差；K为控制器增益，K＝[k1k2k3]；Di,0为第i辆车与头车之间期望的状态差；xj为第j辆车的状态量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑通信拓扑时变下的车辆队列跟驰稳定性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，车辆队列包括N+1辆成员车，N为大于1的自然数，建立车辆队列跟驰的数学模型：所述数学模型包括节点动力单元、几何拓扑结构、通信拓扑结构和分布式控制器，一辆所述成员车对应为一个节点，其中，所述节点动力单元根据输入的期望加速度ades，获得期望油门开度αdes或期望制动压力Pdes，控制自车的状态量；所述几何拓扑结构用于确定各所述成员车之间的纵向物理间距；所述通信拓扑结构用于各所述成员车之间的信息交互；所述分布式控制器基于所述通信拓扑结构，利用其它所述成员车的信息，使用静态反馈控制，获取自车的期望加速度ades；步骤2，在步骤1中所述节点动力单元中，通过反馈线性化策略构造非线性下层控制增益，以将所述节点动力单元描述为节点线性模型；步骤3，根据可能出现的具体的通信拓扑结构，建立考虑通信拓扑时变的车辆队列跟驰控制系统的高维闭环状态方程；步骤4，根据步骤3给出的高维闭环状态方程，对存在通信拓扑时变下车辆队列进行数学建模，以计算通信拓扑过程中的平均驻留时间下界

【技术特征摘要】
1.一种考虑通信拓扑时变下的车辆队列跟驰稳定性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，车辆队列包括N+1辆成员车，N为大于1的自然数，建立车辆队列跟驰的数学模型：所述数学模型包括节点动力单元、几何拓扑结构、通信拓扑结构和分布式控制器，一辆所述成员车对应为一个节点，其中，所述节点动力单元根据输入的期望加速度ades，获得期望油门开度αdes或期望制动压力Pdes，控制自车的状态量；所述几何拓扑结构用于确定各所述成员车之间的纵向物理间距；所述通信拓扑结构用于各所述成员车之间的信息交互；所述分布式控制器基于所述通信拓扑结构，利用其它所述成员车的信息，使用静态反馈控制，获取自车的期望加速度ades；步骤2，在步骤1中所述节点动力单元中，通过反馈线性化策略构造非线性下层控制增益，以将所述节点动力单元描述为节点线性模型；步骤3，根据可能出现的具体的通信拓扑结构，建立考虑通信拓扑时变的车辆队列跟驰控制系统的高维闭环状态方程；步骤4，根据步骤3给出的高维闭环状态方程，对存在通信拓扑时变下车辆队列进行数学建模，以计算通信拓扑过程中的平均驻留时间下界据此给出考虑通信拓扑时变的车辆队列存在镇定控制器的充分条件是：当平均驻留时间长于所述平均驻留时间下界时，车辆队列系统的镇定控制器存在可行解；其中，ε的取值可参考下面式(21)：式(21)中，PHσ(t)满足下面式(24)，Hσ(t)为时变通信拓扑阵，λ(PHσ(t))为矩阵PHσ(t)的特征值，max[λ(PHσ(t))]为矩阵PHσ(t)的特征值的最大值，min[λ(PHσ(t))]为矩阵PHσ(t)的特征值的最小值；其中，η的取值可参考下面式(22)：AP+PAT-μBBT+ηP＜0(22)式(22)中，P为式(22)的对称正定解，P＞；μ满足下面的线性矩阵不等式(23)和式(25)：式(23)中，λ1(Hσ(t))为通信拓扑结构的特征值，为λ1(Hσ(t))的共轭复数；式(25)中，λg(H)为通信拓扑阵H的第g个特征值，为λg(H)的共轭值；步骤5，利用步骤4中给出的车辆队列存在镇定控制器的充分条件，提出低维Riccati不等式，利用该Riccati不等式的解，构造镇定控制器，求得控制器增益，以控制所述分布式控制器的静态反馈控制，保证通信拓扑时变下车辆队列跟驰系统的跟驰误差收敛。2.如权利要求1所述的考虑通信拓扑时变下的车辆队列跟驰稳定性控制方法，其特征在于，步骤3中，“高维闭环状态方程”描述为式(7)：式(7)中，为以成员车绝对跟驰误差为元素的车辆队列总状态量，其定义为下面的式(9)；为的对时间的一阶导数；IN为N维单位阵；A为第i辆车的节点线性模型的状态矩阵；B为第i辆车的节点线性模型的输入矩阵；为Kronecker积；Hσ(t)为时变通信拓扑阵，其表示为式(8)：Hσ(t)＝Lσ(t)+Rσ(t)(8)式(8)中，Lσ(t)为时变的拉普拉斯阵，Rσ(t)为时变的牵引矩阵；式(9)中，为的转置，为第i辆车的绝对跟驰误差，其状态量表示为式(10)：式(10)中，xi为第i辆车的节点线性模型状态量，x0为头车的节点线性模型状态量，Di,0为第i辆车到头车的期望跟驰间距。3.如权利要求2所述的考虑通信拓扑时变下的车辆队列跟驰稳定性控制方法，其特征在于，步骤5中的“低维Riccati不等式”表示为下面式(26)，通过式(26)求解对象为正定矩阵P：AP+PAT-μBBT＜0(26)式(26)中，A为车辆队列节点线性模型状态矩阵；AT为A的转置；B是车辆队列节点线性模型输入矩阵；BT为B的转置；P为Riccati不等式的解，P＞0；根据式(26)求得的P，按下式(27)求取镇定控制器增益K：4.如权利要求1至3中任一项所述的考虑通信拓扑时变下的车辆队列跟驰稳定性控制方法，其特征在于，步骤4中的“对存在通信拓扑时变下车辆队列进行数学建模”包括：首先，将时间轴划分为连续时间序列如下式(11)至式(13)：0＜tk-tk-1≤Tup(12)t0＝0(13)式(11)至式(13)中，tk为k时刻；tk-1为k-1时刻；t0为初始时刻；k为大于等于1的自然数；N为自然数集；Tup为一个时间区间长度的上限，Tup为大于0的常数；然后，...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦晓辉，王哲文，胡满江，王晓伟，徐彪，谢国涛，孙宁，钟志华，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43