基于事件触发机制的自主车辆队列协同控制

为应对通信过程存在的扰动以及减少自主车辆队列控制中的信息冗余、资源浪费,提出了一种基于事件触发机制的自主车辆队列协同控制算法,保证自主车辆队列的稳定运行。首先,针对有向通信拓扑结构下的自主车辆队列设计基于事件触发机制的协同控制算法,即使存在扰动约束,自主车辆也可以在该算法的控制下有效跟随领航车辆的速度,且与相邻车辆保持期望的安全距离。其次,通过设计Lyapunov函数以及分析Zeno行为,证明算法的有效性和安全性。最后,通过MATLAB仿真验证了控制算法的正确性。     

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.     

自主车辆队列控制系统的稳定性分析

车辆队列控制可提升交通容量与安全性、降低燃油消耗,但车辆通信过程中时延不可避免;为此,针对含通信时延的车辆队列系统,开展内部稳定性和队列稳定性分析研究;首先,利用矩阵相似变换,将高维车辆队列闭环控制系统降维拆分为若干等价的低维子系统,极大地降低了内部稳定性分析的解析难度和运算量;在此基础上,利用直接法求解了车辆队列子系统特征方程的临界虚根,从而推导了准确的时延边界,获得了车辆队列系统内部稳定的充要条件;然后,为了保证干扰沿车辆队列向后传播时不扩散,通过频域分析车辆间误差传递函数,给出了系统的队列稳定性条件,以及时延和控制器参数的指导原则;最后,通过仿真验证了所提稳定性分析方法的有效性。     

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.     

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.     

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。     

联合通信资源分配的网联车协同自适应巡航 时滞反馈控制

考虑网联车辆队列在路段通信资源受限下的协同自适应巡航控制(CACC)问题,提出一种联合通信资源分配的网联车辆协同自适应巡航时滞反馈控制方法.首先,在头车-前车跟随的通信拓扑结构下,通过网联车辆队列中各车辆间的通信链路数量、该路段可使用的通信资源和当前时刻车辆间的间距误差建立二分图,根据车辆间的间距误差来调度有限的通信资源,将通信资源合理分配给有较大间距误差的跟随车辆;其次,利用非对称PD控制协议和网联车辆队列时滞纵向模型,应用线性矩阵不等式技术计算网联车CACC控制器,进一步得到车辆队列弦稳定性的充分条件;最后,通过Matlab/CarSim联合仿真验证该方法的有效性.     

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.     

考虑车辆跟驰作用和通信时延的网联车辆队列轨迹跟踪控制

针对智能网联车辆轨迹跟踪问题, 本文通过考虑车辆跟驰作用和车车通信过程中存在的通信时延, 提出了一种分布式非线性轨迹跟踪控制器. 具体来讲, 首先, 提出一种双向领导跟随通信拓扑来描述智能网联环境下车辆间的通信连接. 其次, 考虑车辆跟驰作用和通信时延, 设计一种分布式非线性轨迹跟踪控制器. 然后, 使用Lyapunov方法证明了所设计控制器的稳定性. 最后, 考虑速度干扰作用于领导者车辆, 针对无时延、同质时延和异质时延等三种场景进行数值仿真实验. 仿真结果表明: 本文所设计的控制器不仅保证了车辆位置跟踪误差收敛到原点, 而且车辆运动规律符合交通流理论, 即无负位置跟踪误差和负速度现象.     

基于深度强化学习的网联车辆队列纵向控制

针对车辆队列中多目标控制优化问题,研究基于强化学习的车辆队列控制方法.控制器输入为队列各车辆状态信息以及车辆间状态误差,输出为基于车辆纵向动力学的期望加速度,实现在V2X通信下的队列单车稳定行驶和队列稳定行驶.根据队列行驶场景以及采用的间距策略、通信拓扑结构等特性,建立队列马尔科夫决策过程(Markov decision process,MDP)模型.同时根据队列多输入-多输出高维样本特性,引入优先经验回放策略,提高算法收敛效率.为贴近实际车辆队列行驶工况,仿真基于PreScan构建多自由度燃油车动力学模型,联合Matlab/ Simulink搭建仿真环境,同时引入噪声对队列控制器中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车辆队列控制燃油消耗更低,且控制器实时性更高,对车辆的控制更为平滑.     

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.     

网络攻击影响下的自主车队控制器设计

随着车辆控制技术的迅速发展,在车队控制系统的实际应用当中,车-车之间的网络通信质量对车队稳定行驶至关重要.针对网络攻击下的非线性自主车队控制NAPC问题进行了研究.首先,建立考虑通信网络受到攻击下的NAPC系统模型.其次,在该模型的基础上利用多智能体一致性理论设计一种基于事件驱动的NAPC方法,保证了自主车队的全局一致...     

Platoon架构下VANETs车间通信过程及性能分析

智能车辆编组platoon的稳定运行需要车辆间实时可靠的信息传输来保证.针对应用专用短程通信（DSRC）技术来实现车载自组织网路（VANETs）车间通信的platoon架构,提出了一种车间通信网络性能的分析方法,分别对platoon组内智能车辆间通信和多个platoons组间通信的过程进行了分析.该方法采用长度有限的M/G/1/K排队模型分析数据包到达媒体访问控制（MAC）层的排队过程,得到不同网络负载下缓冲区排队状态的平稳分布;并且在缓冲区可能处于空闲状态时,利用Markov模型分析方法得到不同车辆位置的车间通信性能.研究结果表明：网络数据流量、信道条件、MAC层缓冲区排队过程、争用信道退避过程以及platoon参数对车间通信的包传输时延和包丢失概率等网络性能有显著影响,数值分析结果验证了专用短程通信技术下的车间通信具有较小的信息传输延时,能够满足platoon稳定运行的要求.     

车队控制中的一种通用可变时距策略

针对当前交通拥堵现状,考虑车辆间通信受限或故障条件下,基于现有路侧设施以及邻车相对位置、相对速度提出一种车队控制的通用可变时距策略（Variable time headway policy,VTHP）.通过选择可变行驶时间距离参数,建立形式统一的车间距策略及其误差模型,并根据单车、队列以及交通流稳定性分析,综合设计控制器,同时将分析方法推广到固定间距策略（Constant spacing policy,CSP）与固定时距策略（Constant time headway policy,CTHP）中.依据上述稳定性结果给出一种物理意义明确的可变行驶时距计算方法,并得到该时距的变化界限,从而更准确快速地控制车距安全.仿真结果表明,本文提出的通用可变时距策略及相关计算方法,不但可实现车队与交通流的稳定控制,而且可改善车队综合性能.     

Hierarchical Cooperative Control of Connected Vehicles: From Heterogeneous Parameters to Heterogeneous Structures

As one of the typical applications of connected vehicles (CVs), the vehicle platoon control technique has been proven to have the advantages of reducing emissions, improving traffic throughout and driving safety. In this paper, a unified hierarchical framework is designed for cooperative control of CVs with both heterogeneous model parameters and structures. By separating neighboring information interaction from local dynamics control, the proposed framework is designed to contain an upper-level observing layer and a lower-level tracking control layer, which helps address the heterogeneity in vehicle parameters and structures. Within the proposed framework, an observer is designed for following vehicles to observe the leading vehicle’s states using neighboring communication, while a tracking controller is designed to track the observed leading vehicle using local feedback control. Closed-loop stability in the absence and presence of communication time delay is analyzed, and the observer is further extended to a finite time convergent one to address string stability under general communication topology. Numerical simulation and field experiment verify the effectiveness of the proposed method.      

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...