异构通信网联车系统鲁棒协同自适应巡航控制

1、异构通信网联车系统鲁棒协同自适应巡航控制宋秀兰，丁锋，漏小鑫，何德峰01 研究背景车辆自适应巡航控制(ACC)系统已广泛应用于商用汽车的辅助驾驶，可降低驾驶员的工作负荷，提高车辆的行驶安全性。随着无线通信技术的快速发展，ACC系统利用DSRC、4G等无线通信实时共享车辆间的行驶信息，即使在复杂路况下也可实现多车协同自适应巡航控制(CACC)。相比于ACC系统，CACC系统能实现更小安全间距的队列行驶，从而有效提升道路通行效率、燃油经济性和乘车舒适性以及行驶安全性，因此CACC已成为目前智能网联汽车控制研究的重要内容。不同车辆存在参数不同，且车辆会随行驶工况发生改变，同时由于车辆快速移动，车联网

2、的多种通信协议会产生不同的通信延时和丢包特征，将影响CACC的使用性能。现有研究表明，CACC系统的弦稳定性能受到车联网通信质量、车辆执行器滞后时间和动态特性等影响。目前多种无线通信协议在车联网混合使用，各种通信网络的时延和丢包特性不同。由于车辆高速移动，异构网络时延和丢包特性的差异使得车队巡航系统呈现复杂的时间参数时变或切换特性，导致比单通信协议更为复杂的无线网络诱导因素。特别是车队网络异构特性和车辆不确定性共同作用影响车队系统的稳定性和弦稳定性，增加了CACC设计难度。02 技术路线本文综合考虑异构通信的网联车系统及其不确定动态和执行器的延迟，研究鲁棒协同自适应巡航控制策略。首先采用伯努利

3、随机过程和具有可变输入延迟的跟踪模型来描述无线信道丢包和执行器引起的时变延迟，据此提出了基于线性矩阵不等式的系统化方法，设计了具有保证弦稳定和零稳态间隔误差的车辆分散CACC控制器，进而建立保证网联车系统弦稳定和零稳态间隔误差的充分性条件，最后通过仿真实验验证本文方法的有效性。图1. 异构网联车协同巡航系统考虑一组由N+1辆汽车组成的车辆纵向队列系统，如图1所示，其中最左端为领头车(i=0)，将提供队列系统恒速运行参考速度，其他为跟随车。各辆车通过异构无线通信网络(DSRC、4G等)共享其运动状态信息(如位置、速度和加速度等)。考虑前一辆车将通过由多个无线信道组成的异构无线网络定期将其运动状态

4、信息传递给其跟随车辆。进一步考虑车辆的安全间距、车长、位置、速度和加速度，并假设车辆油门和制动踏板单元满足一阶动态特性，则相邻车辆的相对运动过程采用三阶动力学模型描述。在车辆实际运行过程中，发动机惯性时间参数和踏板单元滞后时间通常会根据车辆的运行环境和状态发生变化，采用不确定时变时滞方程描述车辆的加速度动态过程。同时考虑车辆的高速移动和无线通信网络的异构特性，车辆状态信息通过异构无线网络传输给控制器的数据可能会发生丢失，采用伯努利过程描述车辆异构网络数据丢包特性。进一步，由于高速移动车联网通信的间歇性连接，通常存在0.10.4s的网络时变延迟，而异构无线信道的时延和丢包率往往不同，所以采用时变

5、时滞方程定义系统的输出变量，并假设每个无线信道存在时延上限。为降低车辆协同自适应巡航控制器设计难度，采用分散控制策略，设计输出反馈鲁棒协同自适应巡航控制器，保证不确定车辆队列系统在不可靠异构车联网环境下具有良好的车辆稳定性和队列稳定性等性能，确保智能网联汽车实现安全和平稳队列行驶。对此，引入自由权矩阵鲁棒控制方法，车队系统每辆汽车各自求解一组线形矩阵不等式组，得到巡航控制器增益矩阵，实现分散协同自适应巡航控制律(11)能够在车辆存在动态不确定情况以及执行器和异构信道传输引起的不同延迟情况下，仍然保持预期的安全车间距驱动各自车辆跟随前车行驶。为了保证相邻车辆的动态车间距误差不随车辆队列的增大而增

6、大，需要建立车辆队列系统的弦稳定性(string stability)。对此，先通过拉普拉斯变换建立车辆安全间距误差传递函数，引入频率特性分析方法，建立一组关于CACC与车辆及网络参数的不等式关联条件，保证不确定车辆队列系统在不可靠异构车联网环境下的弦稳定性结果。03 验证结果图2. 车辆安全间距误差图3. 车辆相对速度图4. 车辆相对加速度图5. 车辆控制输入分析图2-5可知，在车辆执行器和传输的不同时延情况下，所有车辆的轨迹都能迅速收敛，同时对于不同通信信道在传输过程中产生丢包的情况，控制器能够有效保证所有车辆稳定行驶且不发生碰撞，即每辆车都能够跟踪其前车，并保持安全车间距和确保所有车辆速

7、度的一致性。这些结果证明了本文方法的有效性。图6. 车辆队列系统的频率响应(任意w>0)分析图6可知，对于任意频率w>0，车辆队列闭环系统的|Gi(jw)|£1严格成立，这意味着本文所提出的鲁棒CACC方法能够抑制来自前方车辆的车辆安全间距误差和速度波动带来的影响，即满足车辆队列系统的弦稳定性要求。这种特性有利于改善车辆驾驶性能并能保证道路的畅通。这些结果进一步评估了本文所提方法的良好性能。04 结论针对具有参数不确定性和丢包、时延的异构通信网联车系统，提出了一种鲁棒协同自适应巡航控制器设计方法。采用伯努利过程和具有可变输入延迟的跟踪模型来描述无线信道丢包和执行器引起的综合时变时延；利用线性矩阵不等式技术，求解不确定异构通信网联车系统的CACC控制器，并建立保证闭环系统稳定和车辆队列系统弦稳定的充分条件，仿真结