智能网联汽车协同控制技术（第1版）课件 第7、8章 智能网联汽车编队控制模型、智能网联汽车编队切换控制技术

智能网联汽车协同控制技术第1版智能交通与智能驾驶系列第7章智能网联汽车编队控制模型7.1智能网联汽车编队控制系统概述7.2智能网联汽车编队行驶条件7.3智能网联汽车编队控制技术7.4智能网联汽车编队控制模型仿真第7章

智能网联汽车编队控制模型目的：把道路上行驶的无序车辆进行编队组合作为整体来控制。核心：将车队中行驶路线相同的所有车辆的运行状态（即速度、加速度、车距等）归于一致，从而简化交通控制对象和增强车辆行驶安全性。车辆队列协同控制方式也包括车队纵向控制和横向控制：●横向控制——车辆保持在同一车道且不偏离，变道行驶时车辆队列在不同车道之间统一换道和超车。●纵向控制——车辆状态（即速度、加速度、车距等）统一控制，保证车辆队列行驶安全性和队列稳定性。7.1智能网联汽车编队控制系统概述7.1.1车辆编队控制系统数学模型本章研究的是，加装了自动驾驶装置的智能车辆队列，但同时保证驾驶人对车辆的最终控制权力。7.1智能网联汽车编队控制系统概述7.1.1车辆编队控制系统数学模型车队中第i辆车的加速度、速度及位移车辆队列系统的模型控制目标7.1智能网联汽车编队控制系统概述7.1.1车辆编队控制系统数学模型车辆队列系统的模型控制目标：1）队列中任意车辆的加速度趋近于0。2）设定理想车距为D，理想车距差值（又称车间距偏差）趋近于0。3）队列中任意相邻第i辆车和第i－1辆车之间的相对速度趋近于0。4）当首车车速达到稳定速度时，被控车的加速度变化率为0。7.1智能网联汽车编队控制系统概述7.1.2车辆队列系统控制方法车辆队列控制方式有集中式和分布式两种：●集中式控制——车辆队列中所有行驶状态信息首先发送到中央控制器的方式。理论上可以达到队列行驶的最优效果，但必须满足中央控制器获得所有车辆信息，无线通信带宽可以满足所有车辆数据同时交互，并有中央处理器信息处理量过大容易导致控制系统滞后，从而对系统实时性能和运行效率造成严重影响的问题。●分布式控制——不存在中央控制器，队列中的车辆仅能获得附近车辆的行驶状态信息。理论上不能达到最优控制效果，但对车车通信带宽需求低，控制速度快，适合实时性要求高的车辆队列控制。7.1智能网联汽车编队控制系统概述7.1.2车辆队列系统控制方法本章讨论纵向高速公路行驶的车辆队列，集中式控制不适合：【原因】需要增加路侧集中控制基站之类的中央控制器，会限制车辆队列的行驶范围，增加交通系统的构建成本。采用分布式控制——加装车车通信系统和其他传感器来获取周边车辆和道路交通情况信息的高速行驶车辆队列，是安全性和稳定性要求很高的实时控制系统。7.1智能网联汽车编队控制系统概述7.1.2车辆队列系统控制方法两种车辆队列分布式控制方式：（1）车辆自适应巡航控制（ACC）主要功能，根据当前交通情况来控制车速和车距，保持车辆控制系统与前方车辆一致的行驶状态。（2）车辆协同自适应巡航控制（CACC）CACC是在ACC系统上安装了车车通信单元后升级的系统，还可以接收周围车辆行驶状态信息和道路交通传感器信息，从而获取更多信息来完成巡航控制功能，可以更好地缩短行驶车距并提高道路交通通行能力。本章采用分布式控制结构中的CACC。7.1智能网联汽车编队控制系统概述7.1.3车辆队列控制系统结构车辆队列控制系统：核心控制器、执行机构控制模块、车车通信模块、定位模块、人机交互界面及相关的传感器模块7.1智能网联汽车编队控制系统概述7.1.2车辆队列系统控制方法主要部分：1）距离传感器2）执行器3）车车通信模块4）定位模块5）人机交互界面6）车身总线7）机器视觉7.1智能网联汽车编队控制系统概述7.1.2车辆队列系统控制方法7.2智能网联汽车编队行驶条件行驶安全条件：●车辆的行驶安全性，如车距范围、车速范围、加速度范围等；●整个车辆队列的安全性，如当车队中某一车辆的状态发生变化时，不会影响其他正常行驶的车辆，避免整个车队的状态发生骤变。7.2智能网联汽车编队行驶条件7.2.1车辆行驶安全性条件协同控制，可以保持较小的车距，但必须满足一定安全车距范围。7.2智能网联汽车编队行驶条件7.2.1车辆行驶安全性条件按照最大制动减速度停车后的制动距离n号车的安全车距n和n+1号车实际车距理想车距差值7.2智能网联汽车编队行驶条件7.2.2车辆队列稳定性条件车辆队列稳定性：车辆队列行驶下车辆单体的速度变化或控制系统扰动不会造成向后邻近车辆的速度和理想车距差值沿队列行驶方向的繁衍和放大，并且随着车辆队列长度增加，扰动会逐渐减弱最终趋近于零，从而不会引起交通安全隐患。7.2智能网联汽车编队行驶条件7.2.2车辆队列稳定性条件理想车距差值的传递函数7.2智能网联汽车编队行驶条件7.2.2车辆队列稳定性条件车队稳定性条件：满足该传递函数的范数小于或者等于1理想车距差值满足条件：7.2智能网联汽车编队行驶条件7.2.2车辆队列稳定性条件初始条件车队中某车速度发生微小变化，后续车辆的速度和理想车距差值会沿着队列行驶方向增大而逐渐减小。这种衰减效果会随着时间变化而增强，最终使得变化趋近于零，即单个车辆的状态变化不会造成车辆队列的不稳定。7.3智能网联汽车编队控制技术n辆在高速公路同向行驶的车辆组成的队列●同向行驶●车车通信来完成控制系统的信息获取●状态参数有车速、加速度、车距●无线通信正常，通信不存在延迟7.3智能网联汽车编队控制技术7.3.1智能网联汽车编队控制数学模型最理想的控制效果：所有车辆保持最小化、稳定不变的车距同向行驶。●随着车辆行驶速度提高，保证车辆行驶安全所需的车距也应该增大；●行驶速度降低，车距保持在较小范围也可以保证车辆行驶安全，队列中车辆可以较为紧凑地行驶。综合考虑当前车速和车距的要求，并要判断当前的期望加速度是否在合理的范围内并且没有与其他车辆碰撞的隐患。本节建立的控制模型核心就是要计算当前状态下的临界期望加速度值。7.3智能网联汽车编队控制技术7.3.1智能网联汽车编队控制数学模型滑模控制模型：（1）选取滑模切换函数非线性系统函数切换函数控制量在切换面切换7.3智能网联汽车编队控制技术7.3.1智能网联汽车编队控制数学模型滑模切换函数7.3智能网联汽车编队控制技术7.3.1智能网联汽车编队控制数学模型（2）选择趋近律四种趋近方式：1）等速趋近律2）指数趋近律7.3智能网联汽车编队控制技术7.3.1智能网联汽车编队控制数学模型3）幂次趋近律

到达时间4）等速趋近律7.3智能网联汽车编队控制技术7.3.1智能网联汽车编队控制数学模型当s和函数f（s）取不同的值时，可以得到以上各种趋近律。选择的等速趋近方法得到滑模控制方程代入式（10-5），有7.3智能网联汽车编队控制技术7.3.1智能网联汽车编队控制数学模型理想车距差值简化为保证安全车距行驶下，理想的加速度计算模型为7.3智能网联汽车编队控制技术7.3.1智能网联汽车编队控制数学模型（3）滑模控制系统李雅普诺夫稳定性分析由于滑模变结构控制策略的多样性，定义滑模切换函数存在时表达式为运动轨迹在切换面邻域内，可以在一定时间内到达切换面——局部到达条件，等价为切换函数Y（t）应同时满足函数可微和经过原点Y（0）=0两个条件。7.3智能网联汽车编队控制技术7.3.1智能网联汽车编队控制数学模型考虑控制系统实时响应时间，避免趋近速度过慢，要限制范围用李雅普诺夫函数表示以上到达条件选取李雅普诺夫函数，判断控制器稳定性7.3智能网联汽车编队控制技术7.3.1智能网联汽车编队控制数学模型控制系统稳定范围这证明当滑模控制器参数λ＞0时，本节建立的滑模控制模型满足李雅普诺夫控制系统稳定性要求。7.3智能网联汽车编队控制技术7.3.2智能网联汽车队列稳定性分析●上节的控制模型是基于前后车的状态基础建立的；●多车辆队列行驶，前后两车保持安全车距不一定能保证整个车队的安全性，因为除去前后车其他车辆的行驶状态改变仍可能引发安全事故；所以，需要将队列稳定性作为考虑因素。车队稳定性——车队中某一车辆的速度变化引起的理想车距差值在向后方车辆传播的过程中是否会被放大，是否会引起车辆队列不按设定的车距行驶。稳定性条件——理想车距差值的传递函数足范数小于等于1，即7.3智能网联汽车编队控制技术7.3.2智能网联汽车队列稳定性分析第n－1辆车与第n

辆车之间的理想车距差值第n辆车与第n＋1辆车之间的理想车距差值第n辆车与第n＋1辆车之间的理想车距差值的传播关系7.3智能网联汽车编队控制技术7.3.2智能网联汽车队列稳定性分析车辆队列稳定性条件联合前后两车的期望加速度方程7.3智能网联汽车编队控制技术7.3.2智能网联汽车队列稳定性分析两式相减，变换后可得进行拉普拉斯变换，得7.3智能网联汽车编队控制技术7.3.2智能网联汽车队列稳定性分析简化后驾驶人反应时间，当控制器参数满足时，队列稳定性判断准则对任何都成立——可以保持车辆队列稳定性7.4智能网联汽车编队控制模型仿真仿真验证：●3辆车组成的车辆队列；●高速极限工况。输入：两组头车信号——阶跃紧急减速输入和正弦变化输入（同第6章）。实验对比：车车通信模式下的协同避撞模型-普通环境中的传统避撞模型。7.4智能网联汽车编队控制模型仿真7.4智能网联汽车编队控制模型仿真7.4智能网联汽车编队控制模型仿真7.4.1阶跃紧急减速输入仿真效果头车首先从初速度零开始做匀加速运动，然后以最大的做紧急减速制动，采集3辆车的速度、加速度（制动减速度）和理想车距差值随时间变化值作为仿真结果。7.4智能网联汽车编队控制模型仿真7.4.1阶跃紧急减速输入仿真效果7.4智能网联汽车编队控制模型仿真7.4.1阶跃紧急减速输入仿真效果7.4智能网联汽车编队控制模型仿真7.4.1阶跃紧急减速输入仿真效果两种模型的相同点：●当头车紧急制动时，3辆车的车速均从40m/s减到0；●3辆车的前后顺序不变，均没有发生追尾事故；●加速度均从0迅速变为。两种模型的不同点：●两车的理想车距差值不同，传统避撞控制模型虽然也实现了多车避撞控制，但是理想车距差值变化较大，存在潜在的安全隐患；●传统避撞控制模型的车速和加速度跟随曲线与协同避撞控制模型相比均存在较大的滞后。7.4智能网联汽车编队控制模型仿真7.4.1阶跃紧急减速输入仿真效果结论：车车通信模式下的协同避撞控制模型能够控制理想车距差值为－1～1m，并且前后车速度和加速度的跟随时间均为1s左右，能够比传统避撞控制模型起到实时性更强的避撞控制效果，更有益于保证车辆队列行驶安全性。7.4智能网联汽车编队控制模型仿真7.4.2正弦加速度输入仿真效果头车输入正弦加速度信号，车辆加速度在

范围呈正弦变化，即输入一个急加速和急减速的过程，验证车辆在传统控制和协同控制模型下的运行效果。7.4智能网联汽车编队控制模型仿真7.4.2正弦加速度输入仿真效果7.4智能网联汽车编队控制模型仿真7.4.2正弦加速度输入仿真效果7.4智能网联汽车编队控制模型仿真7.4.2正弦加速度输入仿真效果7.4智能网联汽车编队控制模型仿真7.4.2正弦加速度输入仿真效果传统控制和协同控制模型均达到了车速控制的效果，没有安全事故发生。两种模型的不同点：●两车的理想车距差值不同，传统控制模型虽然也实现了稳定车速跟随，但是理想车距差值最大值为3m，说明存在潜在的安全隐患；●传统控制模型的车速和加速度跟随曲线相对于车车通信下的协同控制模型均存在较大的滞后。7.4智能网联汽车编队控制模型仿真7.4.2正弦加速度输入仿真效果结论：车车通信模式下的协同避撞控制模型能够控制理想车距差值为－1～1m，并且前后车速度和加速度的跟随滞后时间均为1s左右，能够比传统避撞控制模型起到实时性更强的跟随控制效果，更有益于保证车辆队列行驶安全性。第8章智能网联汽车编队切换控制技术8.1通信异常对智能网联车队控制影响及模型策略调整8.2考虑通信时延的智能网联汽车编队切换控制模型8.3通信失效下的智能网联汽车编队切换控制模型8.4通信异常时智能网联汽车编队控制模型仿真第8章智能网联汽车编队切换控制技术本章内容：●分析车车通信延迟或失效对车辆队列稳定性的影响；●建立通信系统存在信号延迟甚至是失效时控制模型的调整方法。8.1通信异常对智能网联车队控制影响及模型策略调整8.1.1通信延迟的影响及模型策略调整车车通信系统：无线网络存在延迟、异常、中断的情况，导致车辆状态信息的获取存在延迟，控制系统不能实时做出有效的控制响应，而是在一定时间之后才能够响应，此时间为延迟时间。车辆控制系统：机械传动部件所限发动机的实际输出转矩不能立即达到理想转矩，而是在一定时间之后才能够达到，此时间为滞后时间。8.1通信异常对智能网联车队控制影响及模型策略调整8.1.1通信延迟的影响及模型策略调整车车通信系统：无线网络存在延迟、异常、中断的情况，导致车辆状态信息的获取存在延迟，控制系统不能实时做出有效的控制响应，而是在一定时间之后才能够响应，此时间为延迟时间。车辆控制系统：机械传动部件所限发动机的实际输出转矩不能立即达到理想转矩，而是在一定时间之后才能够达到，此时间为滞后时间。8.1通信异常对智能网联车队控制影响及模型策略调整8.1.1通信延迟的影响及模型策略调整8.1通信异常对智能网联车队控制影响及模型策略调整8.1.1通信延迟的影响及模型策略调整通信系统、传感器及执行器存在延迟和滞后，控制器的信息不可能立即得到执行，同样执行后的信息也不可能立即反馈回控制器。△-通信系统延迟值τ-控制系统滞后值加速工况时减速工况时加速度延迟方程8.1通信异常对智能网联车队控制影响及模型策略调整8.1.2通信失效的影响及