一种任意通信链故障下的车辆编队纵向控制方法

技术领域

本发明涉及智能交通技术领域，具体涉及一种任意通信链故障下的车辆编队纵向控制方法。

背景技术

随着世界各国城市化进程的提速、汽车数量的爆炸式增长，城市拥堵问题也日益严重，与此相伴的是频繁的交通事故和空气污染，使城市承载能力与社会运行效率受到了严峻挑战。由于车辆编队在缓解道路拥堵、提高交通安全、降低油耗方面具有巨大潜力，近年来引起了广泛关注。

车辆编队纵向控制问题可以看作是一个多输入、多参数、多约束的优化问题，因此分布式模型预测控制方法可以有效地解决该问题。用于车辆编队纵向控制的分布式模型预测控制框架主要包括四个部分:车辆运动学或动力学模型、通信拓扑结构、分布式控制器和编队几何形状。其中，通信拓扑结构对于车辆编队的稳定具有至关重要的作用。编队中的每辆车都需要依靠通信拓扑定义的数据流动方向，通过车车(V2V)通信获取邻居车辆的数据，并利用这些数据构建其局部最优控制律，所以一旦通信链发生故障，将给编队带来巨大的安全隐患。因此研究一种任意通信链故障下基于分布式模型预测控制的车辆编队纵向控制方法具有极强的现实意义。

分布式模型预测控制被广泛地应用于解决车辆编队控制问题中，由于车辆编队的控制器分布式地布置在每辆车辆上，并且车辆编队纵向控制问题又是一个多输入、多参数、多约束的优化问题，所以我们可以很直观地将分布式模型预测控制方法用于解决任意通信链故障下的车辆编队纵向控制问题。但是对于不同通信链故障的情况而言，如何设计一种适用于所有故障情形的分布式模型预测控制器算法是解决任意通信链故障下的车辆编队纵向控制问题的核心之一。

目前，大多数车辆编队控制方法大多采用固定信息流拓扑，如：(a)Predecessor-following，(b)Predecessor-leader Following，(c)Bidirectional以及本文正常通信情况下采用的(d)Bidirectional-leader，但是固定信息流拓扑无法应对变化莫测的编队行驶环境，这需要我们在必要时对编队的通信拓扑进行主动变换来应对不同行驶状况的发生。例如当某一通信链故障时就需要我们重新建立起新的通信链来保证车辆编队的正常行驶，因此如何设计车辆编队通信拓扑的主动变换方案是解决任意通信链故障下的车辆编队纵向控制问题的核心之一。

目前针对通信故障下的车辆编队纵向控制问题的研究已经有了一定的成果，但是目前的方法仍存在许多弊端。如仅适用于部分通信链故障时的车辆编队控制方法，但无法顾全任意通信链故障的情形；又或者能够适用于任意车辆通信故障时的车辆编队控制，但无法保证车辆编队的性能在故障后不受影响。这极大地限制了车辆编队的实际工程应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种任意通信链故障下的车辆编队纵向控制方法，旨在解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种任意通信链故障下的车辆编队纵向控制方法,包括以下步骤：

步骤S1:分析Bidirectional-leader通信拓扑结构下可能的通信链故障情况,并根据故障位置以及处理方法分为三大类型；

步骤S2:利用Bidirectional-leader拓扑结构特征，结合分布式模型预测控制算法针对每一种故障类型，构建相应的主动通信拓扑和控制器变换方案。

进一步的，所述步骤S1具体为：

在Bidirectional-leader通信拓扑结构中，设对于N+1辆车辆组成的车辆编队，其中1辆为领航者，N辆为跟随者，

编号为0的领航者为所有跟随者提供期望轨迹

此外，跟随者向相邻下游跟随者提供假定输出轨迹

根据具体故障位置以及处理方法，将通信故障情况分为三大类型：(1)领航者与任意跟随者之间失联；(2)任意跟随者m与跟随者m+1之间失联(3)领航者与跟随者1之间失联。

进一步的，针对正常通信和通信故障情况(1)，设计基于分布式模型预测控制的控制器，具体如下：

车辆编队控制目标是保持车辆之间具有一定的距离，且整车编队匀速运动:

其中p

设

d

利用车辆位置p

其中

通过对上式进行欧拉近似，得到：

其中

对于任意车辆i∈{1,2,...,N}在t时刻有如下最优控制问题：

s.t.

其中

代价函数具体表达式如下所示：

其中Q

进一步的，针对通信故障情况(2)和通信故障情况(3)，主动通信拓扑变换方案，具体如下：

当跟随者m与跟随者m+1之间失联发生时，主动通信拓扑变换方案是在跟随者m+1与跟随者m-1之间建立起新的通信连接，此时跟随者m+1获取跟随者m的紧急制动信号的延时随之增加，即导致d

当领航者与跟随者1之间失联发生时，主动通信拓扑变换方案是在跟随者2与领航者之间建立起新的通信连接，并改变跟随者2与跟随者1之间的信息流动方向，此时跟随者1获取领航者的紧急制动信号的延时随之增加，即导致d

一种任意通信链故障下的车辆编队纵向控制系统,包括处理器、存储器以及存储在所述存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，具体执行如上所述的一种任意通信链故障下的车辆编队纵向控制方法中的步骤。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明可以有效解决任意通信链故障情况下的车辆编队纵向控制问题，即可以在任意通信链故障后仍然保持车辆编队的正常行驶，并且能够有效防止编队中任意车辆间的碰撞，为车辆编队运行的安全性提供强有力的保证。相较于现有的动态通信拓扑下的车辆编队纵向控制研究，此方法首次提出了一种能够有效解决车辆编队中任意通信链故障下的基于分布式模型预测控制的车辆编队纵向控制方法，且具有良好的可扩展性，在假设任意两车之间的通讯延时存在一个上界的情况下，理论上可扩展至无限辆车辆组成的编队中。所提出的方法在一定程度上促进车辆编队在减少道路拥堵，改善交通安全，降低油耗等方面进一步发挥其优势。

附图说明

图1是基于本发明现有技术的正常通信情况下Bidirectional-leader通信拓扑结构及不同通信链故障情况下的主动通信拓扑变换方案图；

图2是基于本发明现有技术的编队各车辆实际位置与期望位置示意图；

图3是基于本发明现有技术的通信链故障情况(2)、(3)具体处置方案图；

图4是基于实施例的通信链故障情况(1)仿真示意图；

图5是基于实施例的通信链故障情况(2)仿真示意图；

图6是基于实施例的通信链故障情况(3)仿真示意图；

图7是基于实施例的对比仿真示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请参照图1，本发明提供一种任意通信链故障下的车辆编队纵向控制方法,其正常通信情况下的拓扑结构、各通信链故障情况及主动通信拓扑变换方案如图1所示，其中基于分布式模型预测控制的控制器设计将在步骤二中详细介绍。

步骤一：分析Bidirectional-leader通信拓扑结构下可能的通信链故障情况

a.信息流内容与信息流动方向设计

对于N+1辆车辆组成的车辆编队，其中1辆为领航者，N辆为跟随者。我们基于极为常见的Bidirectional-leader通信拓扑结构展开研究。

首先如图1所示定义车辆编队通信拓扑结构中信息流内容与信息流动方向：

编号为0的领航者为所有跟随者(编号为1至N)提供期望轨迹

此外，跟随者(编号为1～N-1)向相邻下游跟随者(编号为2～N)提供假定输出轨迹

b.通信链故障情况分析

根据具体故障位置以及处理方法分为三大类型：(1)领航者与任意跟随者(除跟随者1)之间失联、(2)任意跟随者m与跟随者m+1之间失联、(3)领航者与跟随者1之间失联；

步骤二：利用Bidirectional-leader拓扑结构特征，结合分布式模型预测控制算法针对每一种故障类型，构建相应的主动通信拓扑和控制器变换方案。

(1)设计基于分布式模型预测控制的控制器

a.车辆编队控制目标

控制目标是保持车辆之间具有一定的距离，且整车编队匀速运动:

其中p

b.车辆数学模型

模型预测控制中复杂的模型并不是好的选择，合理地简化模型并设计满足行驶工况的约束条件才是研究的重点。在这里我们利用车辆位置p

其中

通过对上式进行欧拉近似，我们可以得到：

其中

c.控制器设计

对于任意车辆i∈{1,2,...,N}在t时刻有如下最优控制问题：

/>

s.t.

其中

代价函数具体表达式如下所示：

其中Q

该算法适用于正常通信拓扑情况以及通信链故障情况(1)领航者与任意跟随者(除跟随者1)之间失联。

(2)主动通信拓扑变换方案及主动控制器变换方案设计

针对通信链故障情况(2)任意跟随者m与跟随者m+1之间失联和(3)领航者与跟随者1之间失联的主动通信拓扑变换方案如图3所示。

当跟随者m与跟随者m+1之间失联发生时，主动通信拓扑变换方案是在跟随者m+1与跟随者m-1(跟随者0即领航者)之间建立起新的通信连接，此时跟随者m+1获取跟随者m的紧急制动信号的延时随之增加，即导致d

当领航者与跟随者1之间失联发生时，主动通信拓扑变换方案是在跟随者2与领航者之间建立起新的通信连接，并改变跟随者2与跟随者1之间的信息流动方向，此时跟随者1获取领航者的紧急制动信号的延时随之增加，即导致d

实施例1：

本实施例为了详细介绍本发明，以下给出一个具体实例以体现所提出的一种任意通信链故障下的车辆编队纵向控制方法的有效性及优越性。

给出的仿真案例中，领航者的初始位置被定义为0m，初始速度被定义为10m/s,各车辆的最大速度V

如图4所示为通信链故障情况(1)下的仿真图，如图5所示为通信链故障情况(2)下的仿真图，如图6所示为通信链故障情况(3)下的仿真图，其中(a)、(b)、(c)、(d)分别表示车辆编队中各个车辆的加速度、实际位置、与领航者所给期望位置的偏差以及与前车之间的实际间距。从图4、5、6中可以看出所提出的任意通信链故障下的车辆编队纵向控制方法能够有效应对任意通信链故障的情况，并且具备一定的抗干扰能力，证实了本方法的有效性。

在给出的对比仿真案例中，将所提出的一种任意通信链故障下的车辆编队纵向控制方法与一种传统的切换通信拓扑下互联车辆编队的模型预测控制方法进行对比，该方法在领航者通信出现故障后采取领航者保持匀速的策略，这就导致故障发生后车辆编队无法进行加减速操作，从而使车辆编队丧失了一定的性能。如图7所示，其中(a)、(b)、(c)、(d)分别表示对比方法以及本文所提出的方法在三种通信链故障分类情况下的速度信息，仿真结果表明，本文所提出的一种任意通信链故障下的车辆编队纵向控制方法能够保证车辆编队的原始性能不发生改变，证实了本方法的优越性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。