本发明专利技术公开了一种基于车联网的最优车速闭环快速预测控制方法及装置，基于包含驱动效率的燃油消耗模型和预设驱动效率计算预设一个MPC时间窗口的目标车辆的车速序列，并发送至对应的目标车辆。目标车辆根据所述车速序列进行最优燃油经济性控制，并根据车速序列计算预设时段平均驱动效率并反馈给包含驱动效率的燃油消耗模型。燃油消耗模型将预设时段平均驱动效率作为预设驱动效率，计算下一个时间窗口内的最优目标车速。如此往复，直至整个预测时间长度内目标车辆的车速序列计算完毕。应用本发明专利技术实施例，通过周期性的效率反馈，将已有的开环车速预测控制变为闭环的预测控制，提高了燃油经济性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及车联网领域，特别涉及一种基于车联网的最优车速闭环快速预测控制方法及装置。
技术介绍
当今全球范围内汽车产销量和保有量正迅猛增长，由此导致的石油资源过度消耗、大气污染、交通拥堵及汽车行驶安全等问题日益严重，节能、环保、安全成为当今汽车工业发展的三大主题。在此背景下，新能源汽车、车联网以及无人驾驶等技术受到广泛的关注。在车联网环境下，车和车以及车与交通设施之间可以实现实时通信，每辆车的车速和位置都能实时获取，可以采用模型预测(modelpredictivecontrol,MPC)算法，预测未来一段时间内车辆的最优经济车速。KunduS等研究了包含多辆车和多个交叉路口的汽车队列模型，提出一种基于车车通信/车与交通设施通信的“经济驾驶”控制方法。MahlerG等研究了基于交通信号灯正时(signalphaseandtiming,SPAT)的最优预测车速规划算法以提高汽车的燃油经济性。MandavaS等研究了可以提高汽车在绿灯时通过交通信号灯概率的最优车速规划算法，进行了燃油经济性和排放的多目标优化。HomChaudhuriB等研究了车联网环境下汽车最优车速预测算法，基于SPAT得到目标车速范围并采用MPC求解给定时间窗口的最优目标车速。然而，目前一般采用开环的分层控制方法得到最优经济车速，且MPC求解算法效率较低，难以实现实时控制,不利于提高燃油经济性能。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种基于车联网的最优目标车速快速闭环模型预测控制方法及装置，通过周期性的效率反馈，将原来开环的车速预测控制变为闭环的预测控制，以提高燃油经济性。为达到上述目的，本专利技术实施例公开了一种基于车联网的最优车速闭环快速预测控制方法，包括如下步骤：步骤(1)、根据包含驱动效率的燃油消耗模型和预设驱动效率计算预设数量个MPC时间窗口的目标车辆的车速序列，并发送至所述目标车辆，其中，所述车速序列中的每一个车速与所述目标车辆对应；其中，所述包含驱动效率的燃油消耗模型其表达式为：式中：Si为汽车行驶的路程；为燃油消耗率；ηieff为驱动效率；HLHV为汽油的热值；Pireq为整车需求功率；n为道路上汽车的数量；tf为终止时刻，CD为空气阻力系数；ρa为空气密度；Af汽车的迎风面积；μ为滚动阻力系数；θ为坡度，vi(t)为所述目标车辆i在t时刻的车速；ui(t)为t时刻的车辆加速度；步骤(2)、所述目标车辆根据所述车速序列进行最优燃油经济性控制，并根据所述车速序列计算预设时段平均驱动效率并反馈给包含驱动效率的燃油消耗模型；步骤(3)、将所述预设时段平均驱动效率作为预设驱动效率，返回步骤(1)继续执行，直至全时段所述目标车辆的车速序列计算完毕。作为上述方案的进一步优化，步骤(1)包括如下步骤：(11)计算目标车速范围的上限和下限；为了减少或者避免车辆红灯怠速；(12)基于近似油耗计算模型，判断油耗最低时成立的条件，求解最优控制变量；(13)基于最优控制变量，给出目标车速的求解模型；(14)基于目标车速和车辆位置，构建MPC目标函数；(15)通过快速模型预测求解MPC目标函数，求出MPC预测时间窗口的最优目标车速。作为上述方案的进一步优化，MPC目标函数的表达式：其中，αk(k＝1,2,3,4)为权值系数；vimin、vimax分别为城市道路条件下车辆允许的最小和最大车速；uimin、uimax分别为最小和最大加速度；th为预先设定的行车间隔时间；S0为安全距离；T为MPC时间长度；δt为迭代步长。作为上述方案的进一步优化，基于近似油耗计算模型，判断油耗最低时，令车辆匀速巡航，则纵向加速度系数ai(t)为零；最优加速度表示为：式中，uid为最优加速度。作为上述方案的进一步优化，目标车速的求解模型：sij(t)＝si(t)-sj(t)vil(t)≤viobj(t)≤vih(t)其中，式中，α0及s0均为预先设定的常数；sij为车i及紧随其后的车j之间的相对距离；si和sj分别为i车和j车的位置；Δvijobj为车j及其前车i的相对车速；vid(t)为t时刻车i的初始目标车速；viobj(t)为t时刻车i的目标车速；为最优巡航车速。作为上述方案的进一步优化，计算目标车速范围的上限和下限：式中，vil和vih为分别目标车速范围的下限和上限；dia(td)为td时刻第i辆车的与交通信号灯a的距离；Kw为信号灯的循环次数；tg、tr分别为绿灯和红灯持续的时间；tc为一个红、绿灯循环的周期，等于红灯和绿灯持续的时间之和；vimax为城市道路条件下汽车的最大允许车速。本专利技术还给出了一种基于车联网的最优车速闭环快速预测控制装置，包括云端服务器，若干上层控制器，若干下层控制器，上层控制器与下层控制器对应通信连接，所述云端服务器与上层控制器、下层控制器通信连接，所述上层控制器与下层控制器与对应的目标车辆通信连接，(71)上层控制器根据包含驱动效率的燃油消耗模型和预设驱动效率计算一个MPC时间窗口的目标车辆的车速序列；(72)对应的下层控制器根据目标车辆对应的最优目标车速计算平均驱动效率并反馈给上层控制器；(73)上层控制器自动将上一个MPC时间窗口的平均驱动效率更新为下一个MPC时间窗口的预设驱动效率，返回步骤(71)继续执行，直至全时段目标车辆的车速序列计算完毕。作为上述方案的进一步优化，步骤(1)包括如下步骤：(11)计算目标车速范围的上限和下限；为了减少或者避免车辆红灯怠速；(12)基于近似油耗计算模型，判断油耗最低时成立的条件，求解最优控制变量；(13)基于最优控制变量，给出目标车速的求解模型；(14)基于目标车速和车辆位置，构建MPC目标函数；(15)通过快速模型预测求解MPC目标函数，求出MPC预测时间窗口的最优目标车速。作为上述方案的进一步优化，MPC目标函数的表达式：其中，αk(k＝1,2,3,4)为权值系数；vimin、vimax分别为城市道路条件下车辆允许的最小和最大车速；uimin、uimax分别为最小和最大加速度；th为预先设定的行车间隔时间；S0为安全距离；T为MPC时间长度；δt为迭代步长。作为上述方案的进一步优化，基于近似油耗计算模型，判断油耗最低时，令车辆匀速巡航，则纵向加速度系数ai(t)为零；最优加速度表示为：式中，uid为最优加速度。作为上述方案的进一步优化，目标车速的求解模型：sij(t)＝si(t)-sj(t)vil(t)≤viobj(t)≤vih(t)其中，式中，α0及s0均为预先设定的常数；sij为车i及紧随其后的车j之间的相对距离；si和sj分别为i车和j车的位置；Δvijobj为车j及其前车i的相对车速；vid(t)为t时刻车i的初始目标车速；viobj(t)为t时刻车i的目标车速；为最优巡航车速。作为上述方案的进一步优化，计算目标车速范围的上限和下限：式中，vil和vih为分别目标车速范围的下限和上限；dia(td)为td时刻第i辆车的与交通信号灯a的距离；Kw为信号灯的循环次数；tg、tr分别为绿灯和红灯持续的时间；tc为一个红、绿灯循环的周期，等于红灯和绿灯持续的时间之和；vimax为城市道路条件下汽车的最大允许车速。与现有技术相比，本专利技术的一种基于车联网的最优车速闭环快速预测控制本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于车联网的最优车速闭环快速预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)、根据包含驱动效率的燃油消耗模型和预设驱动效率计算一个MPC时间窗口的若干目标车辆的车速序列，并发送至对应的目标车辆，其中，所述车速序列中的每一个车速与所述目标车辆对应；其中，所述包含驱动效率的燃油消耗模型其表达式为：argminui(t)Σi=1n1SiΣt=0tfm·ifuel(t)Δtm·ifuel(t)=1ηieffHLHVPireq(t)Pireq(t)=12ρaCDAfivi(t)3+Migvi(t)(μ+sinθ)+vi(t)Miui(t)]]>式中：Si为汽车行驶的路程；为燃油消耗率；ηieff为驱动效率；HLHV为汽油的热值；Pireq为整车需求功率；n为道路上汽车的数量；tf为终止时刻，CD为空气阻力系数；ρa为空气密度；Af汽车的迎风面积；μ为滚动阻力系数；θ为坡度，vi(t)为所述目标车辆i在t时刻的车速；ui(t)为t时刻的车辆加速度；步骤(2)、所述目标车辆根据对应的最优目标车速进行最优燃油经济性控制，并根据最优目标车速计算当前MPC时间窗口的平均驱动效率，并反馈给包含驱动效率的燃油消耗模型；步骤(3)、自动将当前MPC时间窗口的平均驱动效率更新为下一个MPC时间窗口的预设驱动效率，并返回步骤(1)继续执行，直至全时段所有的目标车辆的对应的最优目标车速计算完毕。...
【技术特征摘要】
1.一种基于车联网的最优车速闭环快速预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)、根据包含驱动效率的燃油消耗模型和预设驱动效率计算一个MPC时间窗口的若干目标车辆的车速序列，并发送至对应的目标车辆，其中，所述车速序列中的每一个车速与所述目标车辆对应；其中，所述包含驱动效率的燃油消耗模型其表达式为：argminui(t)Σi=1n1SiΣt=0tfm·ifuel(t)Δtm·ifuel(t)=1ηieffHLHVPireq(t)Pireq(t)=12ρaCDAfivi(t)3+Migvi(t)(μ+sinθ)+vi(t)Miui(t)]]>式中：Si为汽车行驶的路程；为燃油消耗率；ηieff为驱动效率；HLHV为汽油的热值；Pireq为整车需求功率；n为道路上汽车的数量；tf为终止时刻，CD为空气阻力系数；ρa为空气密度；Af汽车的迎风面积；μ为滚动阻力系数；θ为坡度，vi(t)为所述目标车辆i在t时刻的车速；ui(t)为t时...
【专利技术属性】
技术研发人员：邱利宏，钱立军，司远，张应鹏，白先旭，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34
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