申请/专利权人：苏州科技大学

申请日：2021-08-31

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN113741451B

主分类号：G05D1/43

分类号：G05D1/43;G05D1/65;G05D1/633;G05D1/644;G05D1/692;G05D109/10

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.16#授权;2021.12.21#实质审查的生效;2021.12.03#公开

摘要：本发明公开了一种考虑通信受限条件下的异构车辆队列非线性控制方法，针对通信延时以及有限的通信范围的问题，并充分考虑车辆系统内的非线性行为，提出了一种非线性控制算法。首先，建立了车辆的三阶非均匀动力学模型，具体来说，在排中，控制增益和参数是不同的。然后考虑恒定的车头时距策略以及间距补偿，得到了保持车辆队列内稳定性的条件。其次，考虑时变通信延迟，根据Lyapunov‑Krasovskii理论，推导出系统一致收敛的允许的通信延迟上限。接着，考虑到每辆车接收信息的通信范围是有限的，即每辆车可以接收到来自多个前车和多个追随车，得到了队列稳定性的条件。

主权项：1.通信受限条件下异构车辆队列非线性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立非线性的车辆动力学模型：获取行进过程中车队包含的车辆数量，设行进过程中的车队包含n+1个车辆，则有节点集N＝{1,2...,n}，其中n为自然数，i为1至n之间的任意自然数，第i辆车可视为第i个节点，车队其中一个为领导车辆，记为编号0，其余为跟随者车辆；对车辆队列动力学建模，可得到以下的非线性的车辆纵向动力学模型： 公式1中，pit,vit分别表示车辆i的位置和速度信息，分别为车辆i的位置、速度在时间t时刻的导数；mi表示车辆i的质量，ηT,i表示车辆i转动时机械效率；Tit,分别表示车辆i的实际转动力矩以及该力矩的导数，Ti,dest表示车辆i的期望转动力矩，Ri表示车辆i轮胎半径，Ci表示空气阻尼系数，g表示重力加速度，f表示滚动系数，表示车辆i纵向动力学的惯性延迟；步骤2、简化车辆纵向动力学模型：将步骤1得到的非线性的车辆纵向动力学模型转换为新的车辆纵向动力学模型为： 公式2中，uit为系统新的控制输入，可得到以下控制系统线性模型： 公式3中ait,分别表示第i辆车的加速度以及加速度的导数；因此公式1可以改写为： 步骤3、设计车辆队列的间距策略：设相邻两辆车之间的期望间距di-1,it定义为：di-1,it＝d+hvit,5，公式5中，d为最小安全距离，h＞0为固定头车时距；车辆i与前一辆车i-1实际的距离dit＝pi-1t-pit-li，其中li表示车辆i的车长，则间距误差eit可以计算为：eit＝pi-1t-pit-li-d+hvit6，对于相邻的车辆i与j，期望的间距误差di,j表示为： 且车辆i与领导车辆0的期望间距误差表示为步骤4、设计通信受限条件下的车辆队列系统如下所示： 公式8中：Δpijt表示平均间距；uipret、uiflt和uilet分别表示前车、后车与领导车的控制输入；ki,w、ki,v、ki,p、k0,v和k0,p分别是对应的控制增益；τijt和τi0t表示车辆i和j间，以及车辆i与领导车辆0间的通信延时；aij表示车辆i是否可以收到相邻节点j的信息，aij＞0表示车辆j的信息可以传递到车辆i，若不能收到其信息，则aij＝0；PLi,i表示跟随车是否能够收到领导车的信息，若能够收到PLi,i＝1，反之PLi,i＝0；p0t、v0t、a0t分别表示领导车辆0的位置、速度和加速度信息；v0t-τi0tτijt表示间距补偿；车辆之间的跟驰作用采用最优速度ViΔpijt来刻画，即：ViΔpijt＝V1+V2tanhC1Δpijt-C2,9，公式9中，V1,V2,C1和C2表示正实数；为简便计算，令： 其中，分别表示领导车与第i辆车之间的位置、速度和加速度的差值；由此根据公式8，控制输入uit如公式11所示： 假设领导车辆保持匀速行驶，即a0t＝0，则有：v0t＝v0t-τi0t＝v0t-τijtp0t-p0t-τi0t＝v0t-τi0tτi0tp0t-p0t-τijt＝v0t-τi0tτijt则公式11可化简为： 将控制输入12带入4化简，可写成如下紧凑形式： 其中： 考虑到控制输入uit含有非线性部分,运用泰勒线性化进行化简，可得：ViΔpijt＝ViΔpij*t+Vi′Δpij*tΔpijt-Δpij*ti-j，其中，Vi′Δpij*t表示为最优速度的一阶导数；令φij＝Vi′Δpij*ti-j，定义τqt表示所有通信连接的通信延时，q＝1,2,...,m，m≤n×n-1，如果所有的通信延时不同,则有m＝n×n-1，因此可以得到以下公式： 其中，和分别表示车辆的状态向量以及状态向量的一阶导数；公式14中：H为下三角值为h的矩阵， Z1＝diag{ki,w}Z3+diag{ki,p}diag{Di}+k0,pPLi,i,Z2＝diag{Di}diag{ki,v+ki,w}+k0,vPLi,i+hdiag{ki,w}Z4+hdiag{ki,p}Z5,[Z3]ij＝aijφij, 其中，In表示为n阶单位向量，0n表示为n阶零向量；在公式14中运用Newton-Leibniz公式,可得： 其中，Cf是与Cq同类的矩阵f＝0,1,…,m；且有τ0t+s≡0，由公式14和15,可得： 其中，τft+s表示通信时延；显然,当q＝1,2,...,m,f＝1,2,...,m时，有CqCf＝0，因此公式16可进一步改写为： 则有以下矩阵： 其中，矩阵S是Hurwitz的。

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百度查询： 苏州科技大学 通信受限条件下的异构车辆队列非线性控制方法

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