马尔科夫链通信拓扑下的车辆队列最优能耗控制

针对马尔科夫链通信拓扑下的车辆队列控制问题,综合考虑车辆队列的非线性动力学模型和行驶能耗优化目标,提出一种基于分布式状态观测器的车辆队列能耗优化控制方法.由于在马尔科夫链通信拓扑下,部分车辆获取的邻居车辆信息具有动态切换特性,严重影响了车辆队列控制算法的有效性和稳定性.鉴于此,首先,设计一种用于估计领航车辆状态信息的状态观测器,有效避免通讯拓扑切换对队列控制系统造成的干扰;然后,结合车辆的非线性动力学模型与队列优化目标,构建一种基于指数折扣函数的车辆队列能耗优化框架,将车辆队列的能耗优化问题转化为Riccati方程的求解问题,进而得到车辆队列的最优能耗控制输入,在此基础上,通过构造动态通信拓扑下的李雅普诺夫函数,分析车辆队列控制系统的稳定性条件,即只要每个可能的通信拓扑均需包含一个以领航车辆为根的有向生成树,就可使得该车辆队列控制系统满足稳定性和队列稳定性;最后,通过数值仿真验证所提出控制算法的可行性和有效性.     

有界扰动下异质车辆队列分布式鲁棒经济预测控制

针对有界扰动下异质车辆队列节能与稳定分布式协同控制问题,提出一种新的分布式鲁棒经济模型预测控制(economic model predictive control, EMPC)策略.首先采用不确定误差模型描述有界扰动下异质车辆队列纵向行驶动态特性,再应用tube思想对系统约束进行紧缩设计,补偿有界扰动对系统造成的不确定性.其次,采用局部车辆行驶能耗模型描述车辆队列分布式经济性能优化的有限时域最优控制问题,并利用传统跟踪性能指标设计附加稳定收缩约束函数.进一步,基于系统收缩原理,建立车辆队列闭环系统关于有界扰动的输入-状态稳定性条件.最后,通过与车辆队列传统分布式鲁棒模型预测控制策略的数值仿真对比结果验证了所提出策略的有效性和优越性.     

通信中断条件下基于组合间距策略的车辆队列控制

针对由于复杂多变的环境因素造成的无线通信系统通信中断的智能网联车辆队列控制问题,提出一种基于组合间距策略的分布式纵向车辆队列控制器.首先,通过嵌入固定间距策略、固定时距策略和可变时距策略进行组合来应对由于领导车或跟随车通信中断的特殊情况,并考虑队列通信中断后建立新的通信拓扑结构.然后,基于三阶非线性动力学车辆模型,考虑相邻车辆间的加速度误差以及组合间距策略开发一种新型车辆队列控制器.利用Lyapunov-Krasovskii定理推导出车辆队列的渐近稳定性条件.同时,通过使用无穷范数方法验证串稳定性.最后,通过Matlab数值仿真和Simulink&PreScan联合仿真验证所提出控制器的有效性和稳定性.仿真结果表明,基于组合间距策略的车辆队列能够应对不同场景满足不同的间距需求.     

空气流动阻力下非线性车辆队列最优能耗控制方法

为了优化车辆队列在长距离行驶过程中的能源消耗,对空气流动阻力下车辆队列能耗优化间距策略以及相应的队列控制方法进行了研究;首先根据车辆队列在行驶过程中受到的空气流动阻力,建立基于异构风阻系数的车辆动力学模型;其次,设计基于滑模控制的非线性车辆队列控制方法,使其能够在不同风阻系数下稳定地收敛到期望的车辆队列;在此基础上,构建稳态下车辆队列能量消耗评价模型,并通过优化分析,计算能量消耗最优下的车辆队列期望车间距;最后通过数值仿真的手段验证所提控制方法的有效性与可行性;该结果表明:所设计的控制器能够使整个车辆队列达到期望的控制效果;得到的最优车间距能够使得特定条件下车辆队列稳态能量消耗降低。     

通信延时环境下异质网联车辆队列非线性纵向控制

针对通信延时环境下的异质车辆队列控制问题, 本文提出了一种基于三阶模型的分布式非线性车辆队列纵向控制器. 首先, 基于三阶动力学模型描述了车辆的异质特性. 考虑车辆跟驰行为以及异质通信延时, 提出一种通信延时环境下的异质车辆队列非线性控制器. 所提控制器不仅可以在通信延时以及车辆异质特性的影响下实现队列中车辆的位置、速度以及加速度的一致性, 而且可以有效避免负的车辆间距和不合理的加/减速度, 保证车辆的运动行为符合交通流理论. 然后, 利用Lyapunov-Krasovskii定理对车辆队列的稳定性进行分析, 得出车辆队列的稳定性条件和通信延时上界. 最后, 所提控制器的有效性和稳定性通过数值仿真得到验证.     

基于强化学习的固定翼飞机姿态控制方法

研究基于强化学习的飞机姿态控制方法,控制器输入为飞机纵向和横向状态变量以及姿态误差,输出为升降舵和副翼偏转角度指令,实现不同初始条件下飞机姿态角快速响应,同时避免使用传统PID控制器和不同飞行状态下的参数调节.根据飞机姿态变换特性,通过设置分立的神经网络模型提高算法收敛效率.为贴近实际的固定翼飞机控制,仿真基于JSBSim的F-16飞机空气动力学模型,利用OpenAI gym搭建强化学习仿真环境,以任意角速度、角度和空速作为初始条件,对姿态控制器中的动作网络和评价网络进行训练.仿真结果表明,基于强化学习的姿态控制器响应速度快,动态误差小,并能避免大过载等边界条件.     

含时延的车辆队列事件触发一致性控制研究

为应对通信过程中的传输时延以及车辆间连续信息交互带来的信息冗余、资源浪费,提出一种基于事件触发机制的车辆队列一致性策略,以保证车辆队列能够稳定运行;为此,构建一个考虑车辆间的跟驰行为和通信时延的三阶异质车辆队列动力学模型,提出一种基于事件触发的一致性车辆队列控制器的设计方法;在此基础上,利用Lyapunov稳定性理论和代数图论,对车辆队列的稳定性进行分析,得出了使车辆队列稳定的事件触发条件和通信时延的上界;在MATLAB平台上进行仿真实验,验证了所提车辆队列控制方法的有效性。     

通信延时环境下基于观测器的智能网联车辆队列分层协同纵向控制

考虑通信延时影响的车辆队列控制问题,提出一种基于观测器的分布式车辆队列纵向控制器.首先,基于分层控制策略分别设计上下层控制器,通过上层控制器优化期望加速度、下层控制器克服车辆模型非线性实现期望加速度和实际加速度的一致.上层控制器设计过程中,基于三阶线性化车辆模型,考虑观测器、车辆动态耦合特性和通信延时,提出一种通信延时环境下基于观测器的车辆队列控制器,利用观测器估计领导车辆加速度信息从而减轻通信负担.然后,利用Lyapunov-Krasovskii方法分析车辆队列的稳定性,并得出通信延时上界,同时利用传递函数方法分析了串稳定性.最后,通过数值仿真验证上层控制器的有效性和稳定性.在此基础上,利用PreScan软件中高保真车辆动态模型,验证了该分层控制策略的有效性.     

时滞影响下自主车辆队列的稳定性分析

自主车辆队列可提升交通容量与行驶安全性、降低燃油消耗与污染排放。但车辆通信过程中存在时滞,会严重影响系统控制性能与稳定性。为此,针对含时滞的自主车辆队列,建立基于分布式控制器的自主车辆队列闭环控制系统,并提出一种稳定性分析方法。首先,将整个车辆队列闭环控制系统解耦为若干子系统,并在此基础上对子系统进行稳定性分析,提出了基于直接法的精确时滞稳定边界求解方法,得到了系统稳定的充要条件。最后,通过数值仿真验证了所提稳定性分析方法的有效性。     

约束非线性车辆队列分布式多目标模型预测控制

针对具有状态和控制约束的非线性车辆队列系统多目标控制问题,提出一种分布式多目标模型预测控制(model predictive control, MPC)策略.首先,基于前车-后车单向通信拓扑,建立网联车辆队列非线性纵向巡航模型,应用字典序算法描述分布式多目标MPC问题;然后,通过设计弦稳定与收缩约束,并结合MPC三要素条件,保证车辆队列在经济性能与协同性能最优条件下的稳定性和弦稳定性结果;最后,通过典型工况的仿真结果验证所提出策略的有效性.     

Fuel efficiency‐oriented platooning control of connected nonlinear vehicles: A distributed economic MPC approach

This paper considers the fuel efficiency‐oriented platooning control problem of connected vehicles. We present a novel distributed economic model predictive control (EMPC) approach to solve the problem of the vehicle platoon subject to nonlinear dynamics and safety constraints. In order to improve fuel economy of the whole vehicle platoon, the fuel consumption criterion is used to design the distributed EMPC strategy for the platoon. Meanwhile, the car‐tracking performance is exploited to guarantee stability and string stability of the platoon. Then the fuel efficiency control problem of the platoon is formulated as a distributed dual‐layer economic optimal control problem, which is solved in a fashion of receding horizon. It is proved that the proposed strategy guarantees asymptotic stability and predecessor‐follower string stability as well as fuel economy of the whole platoon by minimizing the fuel consumption cost. Finally, the effectiveness of the proposed strategy is highlighted by comparing its performance with that of the traditional distributed MPC strategy in numerical simulations.     

车队速度滚动时域动态规划及非线性控制

考虑自主车辆队列的节能安全问题，本文提出一种车辆队列协同控制方法，该方法可保证车队低能耗安全行驶.首先，充分考虑道路坡度以及车队异质性建立车队非线性模型，利用基于油耗模型的优化指标构建车队速度优化问题，提出一种滚动时域动态规划算法（Receding horizon dynamic programming，RHDP），获得车队的参考速度.然后，基于非线性车辆模型，运用反步法设计车辆跟踪控制器，并进行车队队列稳定性分析.这种协同控制方法的有效性已通过数值仿真和智能交通实验平台的验证.     

一种协作式车队控制的新方法

针对协作式车队机动过程中存在燃油或制动延时的情况,建立车辆与车队动力学模型,综合考虑本车与相邻前车间的局部信息及领头车的全局信息,提出协作车队纵向控制策略.从避免Slinky-Effects效应出发,得到车队队列稳定条件,根据Lyapunov-Razumikhin方法证明车队中单车稳定性,并将两者相结合共同确定燃油或制动延时界限.在此基础上,分析车间距稳态误差及车队抖动与碰撞的避免条件.最后通过数字仿真检验上述设计,仿真结果对比表明了所提出控制策略具有较好的控制效果.     

级联触发策略下非结构化道路的自主卡车队列控制

本文针对非结构化道路上自主卡车队列系统的控制问题进行研究, 设计一种基于级联触发的控制器,有效提高复杂工况下的卡车队列系统性能. 首先, 建立不依赖于道路结构的纵–横耦合卡车队列系统模型, 该模型涉及复杂环境下车辆存在故障(包括执行器、传感器的失效故障以及随机网络故障)影响. 其次, 为降低燃油消耗, 设计了基于自触发和事件触发的级联触发控制器, 并利用李雅普诺夫方法证明了系统的闭环稳定性. 此外, 通过对系统Zeno行为的分析量化, 得到了触发时间间隔的下界值, 保证了算法的实际应用性. 本文为了实现卡车系统队列稳定性控制目标, 进一步给出了控制器设计限制条件. 最后, 仿真结果表明, 所提出的控制方法不但能保证单车渐近稳定以及队列稳定, 还能有效减少执行器更新频率, 提高燃油经济性.     

混合交通环境车辆队列协同控制

车辆队列在提高驾驶安全性、提升交通流量、改善燃油经济性方面具有巨大潜力,但现有研究多针对完全由智能网联车辆组成的队列,难以适用于现实中的混合交通环境.为此,文章研究了人工驾驶车辆与智能网联车辆的混合队列协同控制方法,在智能网联车辆控制设计中引入后车信息,并分析了其对队列稳定性、跟踪性能、燃油经济性的影响.首先构建了一种...     

考虑通信延时的platoon跟车控制模型

自主巡航控制与车载自组织网络是形成platoon的两项关键技术.自主巡航控制为车辆自动驾驶提供支持,车载自组织网络使车辆间通信成为可能.以往的研究通常将platoon中的通信与控制分开讨论,忽略了两者之间的内在联系,造成在通信不理想的情况下platoon的跟车控制效果不佳的结果.对此,分别建立platoon结构模型与通信模型,分析通信与控制的相互作用,并在IDM(Intelligent driver model)模型的基础上增加加权约束规则和信息预估策略,提出一种弥补通信延时影响的改进跟车控制模型,期望降低通信延时对platoon的影响作用,提升platoon的整体性能.在SUMO、OMNeT$ ++ $及VEINS联合搭建的platoon仿真平台上对模型性能进行评估,实验结果表明,在存在通信延时的场景下改进跟车模型可以有效提升platoon的稳定性和安全性.     

Dynamic Event-Triggered Scheduling and Platooning Control Co-Design for Automated Vehicles Over Vehicular Ad-Hoc Networks

This paper deals with the co-design problem of event-triggered communication scheduling and platooning control over vehicular ad-hoc networks (VANETs) subject to finite communication resource. First, a unified model is presented to describe the coordinated platoon behavior of leader-follower vehicles in the simultaneous presence of unknown external disturbances and an unknown leader control input. Under such a platoon model, the central aim is to achieve robust platoon formation tracking with desired inter-vehicle spacing and same velocities and accelerations guided by the leader, while attaining improved communication efficiency. Toward this aim, a novel bandwidth-aware dynamic event-triggered scheduling mechanism is developed. One salient feature of the scheduling mechanism is that the threshold parameter in the triggering law is dynamically adjusted over time based on both vehicular state variations and bandwidth status. Then, a sufficient condition for platoon control system stability and performance analysis as well as a co-design criterion of the admissible event-triggered platooning control law and the desired scheduling mechanism are derived. Finally, simulation results are provided to substantiate the effectiveness and merits of the proposed co-design approach for guaranteeing a trade-off between robust platooning control performance and communication efficiency.