一种切换拓扑下基于分布式预测控制的车辆队列控制方法技术

本发明专利技术公开了一种切换拓扑下基于分布式预测控制的车辆队列控制方法，属于智能交通技术领域；主要用于车辆队列协同控制，首先建立三阶离散车辆纵向动力学模型，通过当前状态与期望状态作差，把状态模型等价转化为误差状态模型；优化问题中代价函数的设计保证了拓扑的一般性，约束条件以及权值矩阵的选取保证了切换拓扑下车辆队列的内部稳定性；进一步给出参数，用来描述相邻前后车之间通信链路是否存在，根据此参数在原优化问题中增加更为严格的约束条件进一步保证车辆队列稳定性。最后通过一排状态不同的车辆队列，利用上述分布式模型预测控制算法进行仿真，得到的同速，等间距车辆队列能够有效提高通信效率以及乘客的舒适性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种切换拓扑下基于分布式预测控制的车辆队列控制方法


[0001]本专利技术涉及智能交通
，具体是一种切换拓扑下基于分布式预测控制的车辆队列控制方法。

技术介绍

[0002]车辆队列控制技术是指行驶在道路上的多个车辆排成一个队列，通过无线通信技术进行信息交流，实现车辆间协同控制的技术。该技术对于降低燃油成本，提高交通效率等方面有着重要的研究意义。
[0003]车辆队列的队列稳定性是在保证车辆内部稳定性的基础上提出来的更为严格的稳定性要求。对于一个已经达到稳定的车辆队列系统，若头车受到外界干扰，会产生一个误差，如果不加控制的话，该误差会在前车信息向后车传递的过程中被逐渐放大，可能导致尾部车辆的急速刹车，进而影响乘客的舒适性，更为严重的后果是会造成交通事故。
[0004]在实际的通信网络中往往会遇到丢包、时滞、故障等各种问题，因此，研究切换通信拓扑下的车辆队列控制问题就变得十分有必要。
[0005]检索现有文献，Dunbar等人的“Distributed Receding Horizon Control of Vehicle Platoons:Stability andString Stability”虽然能够同时保证车辆队列的内部稳定性和队列稳定性，但仅能够针对单一的通信拓扑结构。
[0006]Li等人的“Distributed model predictive control of multi
‑
vehicle systems with switching communicationtopologies”考虑了切换通信拓扑结构，但不能保证车辆队列稳定性。
[0007]Luo等人的“Distributed model predictive control of vehicle platoons with switching communicationtopologies”虽然考虑了通信拓扑下保证队列稳定性的车辆控制方法，但该方法中拓扑结构不具有一般性，当相邻前后车间出现通信故障时，该方法无法保证队列稳定性。
[0008]综上，目前还没有一种分布式预测控制方法可以在切换通信拓扑条件下，包括在预测时间范围内出现某一链路上相邻前后车的通信故障的情况，仍然能够同时保证车辆队列的内部稳定性和队列稳定性。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是提供一种新的车辆队列控制方法。该方法使用分布式模型预测控制，显示的考虑带有约束控制的优化问题，通过在优化问题中设计一种新的约束条件来保证通信拓扑切换下的车辆队列稳定性，即使在预测时间范围内出现某一链路上相邻前后车的通信故障，队列稳定性仍然可以得到保证。
[0010]为达到上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
[0011]一种切换拓扑下基于分布式预测控制的车辆队列控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0012]步骤1：建立离散线性车辆动力学误差状态空间模型。
[0013]步骤2：给出能保证车辆队列内部稳定性的优化问题。
[0014]步骤3：给出相关参数设计以同时保证车辆队列的内部稳定性和队列稳定性。
[0015]步骤4：基于上述步骤，在优化问题中增加相关约束条件，设计DMPC算法以控制车辆队列。
[0016]其中，步骤1建立离散线性车辆动力学状态空间模型包括以下具体步骤：
[0017]步骤1.1：每辆车的纵向动力学均由发动机、传动系统、空气动力学阻力、轮胎摩擦力、滚动阻力和重力组成，其三阶离散非线性模型如下
[0018][0019]其中，s
i
和v
i
分别表示车辆i的位置和速度，F1＝(Δtη
T
T
i
(t))/(m
i
R
i
)表示机械传递力，Δt表示离散时间间隔，η
T
为传动机械效率，T
i
表示实际驱动/制动扭矩，m
i
表示车辆的质量，R
i
是车辆的轮胎半径。表示空气阻力，C
A
是空气动力学系数。F3＝fgΔt表示摩擦力，f为车辆轮胎滚动阻力系数，g为重力加速度，τ
i
表示车辆纵向动力学惯性滞后。
[0020]通过精确反馈线性化，得到期望驱动/制动扭矩为其中表示车辆i的加速度，用u
i
来表示车辆的控制输入，表示为
[0021][0022]第i辆车的状态定义为x
i
＝[s
i
,v
i
,a
i
]T
，则可以得到一个三阶的离散状态空间模型如下
[0023]z
i
(t+1)＝A
i
z
i
(t)+B
i
u
i
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0024]其中
[0025]步骤1.2：本专利技术中，车辆队列控制的目标是所有车辆的速度最终能保持相同，同时满足车辆之间的间距策略，本专利技术给出的间距策略为固定间距策略，其具体的策略如下
[0026][0027]其中，v0为期望车辆速度，d0为期望车辆间距，是一个恒定的正常数。定义车辆状态误差如下
[0028][0029]即可得到新的动力学方程如下
[0030]x
i
(t+1)＝A
i
x
i
(t)+B
i
u
i
(t)+C
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0031]其中C＝
‑
v0·
Δt，则可得到如(6)所示的车辆误差状态模型。
[0032]步骤1.3：本专利技术研究的车辆队列主要是针对切换通信拓扑结构。时变有向图定义如下： G(t)＝{V,E(t),A(t)}，切换时刻为τ
p
,p∈(1,+∞)，G(t)∈{g1(t),g2(t),...,g
G
(t)}。定义PF边为 (i
‑
1,i),i∈(2,N)，即i车能接收到其前车i
‑
1的信息。拓扑关系是以PF边为基础的任意单向拓扑结构，由于拓扑的切换，允许出现单一PF断边的情况。切换条件满足
[0033]1≤τ
p+1
‑
τ
p
≤t
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0034]其中，t
max
表示最大切换间隔。定义车辆i的出度邻居N
i
(t)及其入度邻居O
i
(t)分别如下
[0035]N
i
(t):＝{j∈V,j≠i|a
ij
＝1}
[0036]O
i
(t):＝{j∈V,j≠i|a...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种切换拓扑下基于分布式预测控制的车辆队列控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：建立离散线性车辆动力学误差状态空间模型；步骤2：给出能保证车辆队列内部稳定性的优化问题；步骤3：给出相关参数设计以同时保证车辆队列的内部稳定性和队列稳定性；步骤4：基于上述步骤，在优化问题中增加相关约束条件，设计DMPC算法以控制车辆队列；其中，步骤1建立离散线性车辆动力学状态空间模型包括以下具体步骤：步骤1.1：建立纵向车辆动力学三阶离散非线性模型，所述原始模型如下：其中，s
i
和v
i
分别表示车辆i的位置和速度，F1＝(Δtη
T
T
i
(t))/(m
i
R
i
)表示机械传递力，Δt表示离散时间间隔，η
T
为传动机械效率，T
i
表示实际的驱动或制动扭矩，m
i
表示车辆的质量，R
i
是车辆的轮胎半径；表示空气阻力，C
A
是空气动力学系数；F3＝fgΔt表示摩擦力，f为车辆轮胎滚动阻力系数，g为重力加速度，τ
i
表示车辆纵向动力学的惯性滞后，上述原始模型通过精确反馈线性化，得到其中表示车辆i的加速度，用u
i
来表示车辆的控制输入，其表示形式为第i辆车的状态定义为x
i
＝[s
i
,v
i
,a
i
]
T
，T为矩阵转置符号，则原始模型(1.1)写成如下三阶离散状态空间模型：z
i
(t+1)＝A
i
z
i
(t)+B
i
u
i
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中步骤1.2：给出间距策略，如下其中，v0为期望车辆速度，d0为期望车辆间距，是一个恒定的正常数，定义车辆状态误差如下
得到新的动力学方程如下x
i
(t+1)＝A
i
x
i
(t)+B
i
u
i
(t)+C
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)其中C＝
‑
v0·
Δt，公式(6)是车辆误差状态模型；步骤1.3：构建车辆通信拓扑关系，针对切换通信拓扑结构；时变有向图定义如下：G(t)＝{V,E(t),A(t)}，切换时刻为τ
p
,p∈(1,+∞)，G(t)∈{g1(t),g2(t),...,g
G
(t)}；定义PF边为(i
‑
1,i),i∈(2,N)；拓扑关系是以PF边为基础的任意单向拓扑结构，由于拓扑的切换，允许出现单一PF断边的情况；切换条件满足1≤τ
p+1
‑
τ
p
≤t
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)其中，t
max
表示最大切换间隔；定义车辆i的出度邻居N
i
(t)及其入度邻居O
i
(t)分别如下N
i
(t):＝{j∈V,j≠i|a
ij
＝1}O
i
(t):＝{j∈V,j≠i|a
ji
＝1}所述方法可针对任意满足如上条件的通信拓扑之间的切换；步骤2优化问题包括以下具体步骤：步骤2.1：定义三种误差轨迹，其中假设状态误差轨迹及其控制输入轨迹如下；其中假设状态误差轨迹及其控制输入轨迹如下；步骤2.2：代价函数设计如下其中F
i
,R
i
,G
i
,P
i
为对称的权重矩阵；步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹璟原，陈亮，张利国，王淑齐，王超，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：