一种车群协同控制与动态容错方法与流程

本发明涉及智能网联汽车与自动驾驶，尤其涉及一种车群协同控制与动态容错方法。

背景技术：

1、随着智能网联与自动驾驶技术的不断发展，乘用车在高速公路与城市快速路上的行驶模式已逐渐由单车智能演进为多车协同的编队行驶。在多台乘用车组成的协同编队中，不仅需要保障多车并行与跟驰时的绝对物理防碰撞安全，更需严格遵循编队行驶中关于固定安全车距保持、车道内稳定行驶以及全局交通流一致性等严苛的控制约束。

2、目前车辆编队控制策略主要包括领导者-跟随者法、虚拟结构法和人工势场法等，编队控制器主要从渐进收敛、指数收敛、有限时间收敛等角度进行设计。针对多台乘用车的避障控制与协同调度，现有技术已进行了大量探索，但在应对高速行驶场景的编队稳定性要求与车辆底盘动力学约束时，仍存在显著的技术弊端。

3、其一，在“基于动态避障与轨迹偏折的多车防撞”路线方面。专利名称为“一种动态障碍环境下的多车协同编队控制方法”（公开号为cn114594756a）的发明专利公开了一种技术方案：主要通过检测障碍物信息，利用模型预测控制改变局部目标点进行动态避让与轨迹跟踪。当环境中存在其他环境车辆且对无人车多车道编队形成阻碍时，车辆编队进入编队避障状态，位于阻塞车道的编队车辆并入通畅车道，编队结构进行调整以安全通过阻碍区域。

4、然而，该方案存在以下主要缺陷：乘用车编队行驶的核心要求是多车必须保持严格的稳定队形与平顺循迹。如果底层控制系统为了避障而频繁且大幅度地改变单车的行驶轨迹，将瞬间破坏编队车辆间既定的安全间距与相对位置。这种轨迹的动态扭曲极易向相邻车道溢出并引发危险的变道冲突，破坏整体交通流的平稳性，同时也会严重影响车内乘员的舒适度。此外，该方案高度依赖车与车（v2v）间的实时高频位姿交互，在城市峡谷、隧道或拥堵路段等弱网环境下，极易因通信延迟引发集群控制的指令振荡甚至系统崩溃。

5、其二，在“基于刚性距离保持与同步加减速的多车调度”路线方面。专利名称为“基于前馈-反馈控制的车辆编队方法和系统”（公开号为cn111332290b）的发明专利公开了一种技术方案：通过获取前车和本车的速度与加速度等状态信息，进行受控车辆的纵向加减速同步控制。

6、然而，该方案存在以下主要缺陷：首先，其采用静态的拓扑结构与“刚性同步进退”策略。在真实的混合交通流中，当编队中某台乘用车因传感器短暂受限或机械轻微异常发生局部降速（即处于亚健康态）时，为维持“刚性同步”，整个编队将被迫集体紧急制动减速。这将引发严重的“幽灵交通堵塞”，并极易导致后方未联网的社会车辆发生追尾事故。其次，该刚性同步方案缺乏应对单车彻底宕机或被迫退队时的“动态队形重构与平滑接管”机制。若编队中某车辆突发故障滞留，现有的刚性编队往往会瞬间解散瘫痪，后方跟随车辆极易在极短距离内执行大角度急打方向盘以强行变道避障。这不仅会引发车辆底盘失稳与侧滑风险，更会在事故断面造成交通流的彻底中断，完全丧失了编队系统的容错代偿能力。

7、综上所述，现有的乘用车协同技术要么为了单车避障而牺牲整体编队稳定性与交通流效率，要么受困于死板的刚性同步策略而放大局部故障，且在面对单车异常宕机时极易引发次生交通事故。因此，亟需一种全新的乘用车群协同控制与动态容错方法，以打破传统限制，在复杂的通信与交通环境下实现安全空间隔离、队形自适应重构与异常态车辆平滑容灾接管的统一。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种车群协同控制与动态容错方法。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一种车群协同控制与动态容错方法，包括以下步骤：

4、步骤s1，中央调度层计算单台乘用车的虚拟行驶走廊宽度，以道路几何中心为原点对可行驶空域进行一维切割，为编队中各车辆分配横向几何中心偏移量；

5、步骤s2，单车执行层接收虚拟行驶走廊宽度与横向几何中心偏移量，将编队全局参考轨迹在横向上整体平移横向几何中心偏移量的距离，并以虚拟行驶走廊宽度为物理边界，在所属虚拟走廊内独立完成本车路径规划；

6、步骤s3，中央调度层接收各车辆回传的运行数据，进行编队状态机诊断，识别亚健康状态或致死状态的车辆，提取故障节点最后一次有效位置作为基准线，并在致死状态下更新有效车辆总数；

7、步骤s4，基于双模态映射执行动态容错的空间拓扑重构：若为亚健康状态，缩减滞后车辆的虚拟走廊宽度并等量放大邻接健康车辆的虚拟走廊宽度，同步平移滞后车辆及其邻接健康车辆的几何中心；若为致死状态，冻结故障断面后方已行驶区域，对编队中健康车辆在前方空域重新计算虚拟走廊宽度与横向几何中心偏移量；

8、步骤s5，各车辆接收重构指令后，计算横向位移差值，结合车辆底盘最大允许安全转向角计算实现平滑切入所需的最短纵向缓冲距离；

9、步骤s6，当车辆纵向里程满足最短纵向缓冲距离的触发条件时，生成缓和轨迹曲线切入新轨迹，切入后继承断点快照中的编队角色状态。

10、进一步的，步骤s1中，所述中央调度层获取道路可行驶空域总宽度，当前参与编队的有效车辆总数以及单台乘用车的物理车宽度，基于预设的安全冗余计算所述虚拟行驶走廊宽度：

11、；

12、若，则触发超宽报警并拒绝下发调度指令。

13、进一步的，步骤s1中分配横向几何中心偏移量的具体方式为：

14、确定最左侧领航车辆id=0的起步中心偏移量：

15、；

16、基于递推关系，为编队中的任意第台车辆分配横向几何中心偏移量：

17、；

18、其中，为车辆的逻辑拓扑编号，，编队车辆按自左向右的顺序依次赋值为递增编号。

19、进一步的，步骤s2中，单车执行层将编队全局参考轨迹在横向上整体平移所述偏移量距离后，以虚拟行驶走廊宽度为物理行驶边界，在虚拟行驶走廊宽度范围内利用内置底层原生算法计算所需的微调子路径数量，并按照车辆原有的纵向跟驰逻辑与行驶模态，独立封闭地完成所有轨迹点的计算与输出。

20、进一步的，步骤s3中，央调度层以预设的监测周期接收各车辆回传的心跳数据包，所述心跳数据包包括通信时间戳、实时车速、当前纵向里程及硬件报警位；

21、计算当前全编队车辆平均推进里程，为第台车辆的当前纵向里程，为车辆的逻辑拓扑编号，且编队车辆按自左向右的顺序依次赋值为递增编号；预设进度滞后阈值；

22、车辆状态划分为健康状态、亚健康状态、致死状态三类，其中未被判定为亚健康状态或致死状态的车辆为健康车；

23、若满足通信短时丢失条件：，或满足进度滞后条件：，则判定为亚健康状态；

24、若连续不少于10s未收到心跳包未收到心跳包，或且硬件报警位触发，则判定为致死状态，并将有效车辆总数更新为。

25、进一步的，步骤s4中，亚健康状态下的走廊宽度代偿具体为：

26、选取与滞后车辆逻辑编号相邻的健康车辆作为邻接健康车；

27、缩减滞后车辆的虚拟走廊宽度至，其中为滞后车代偿后的虚拟走廊宽度，为代偿步长；

28、滞后车的原中心偏移量为，向邻接健康车一侧平移，得到更新后的中心偏移量中心；

29、等量放大邻接健康车的虚拟走廊宽度至，为邻接健康车等量放大后的虚拟走廊宽度；

30、邻接健康车的原中心偏移量为，向远离滞后车的方向平移，后得到更新后的中心偏移量；

31、所述滞后车辆与所述邻接健康车辆的中心偏移量更新方向按照以下方式确定：

32、当所述邻接健康车辆位于所述滞后车辆的右侧时，所述滞后车辆的中心偏移量减小，即几何中心向左平移，所述邻接健康车辆的中心偏移量增大，即几何中心向右平移；

33、当所述邻接健康车辆位于所述滞后车辆的左侧时，所述滞后车辆的中心偏移量增大，即几何中心向右平移，所述邻接健康车辆的中心偏移量减小，即几何中心向左平移；

34、上述平移动作使得两车交界处的安全间距冗余维持不变；

35、中央调度层将与封装为宽度代偿指令，下发至滞后车与邻接健康车。

36、进一步的，步骤s4中，所述致死状态下的全局重切割具体为：

37、冻结所有车辆在纵向里程区域的行驶拓扑，其中为故障节点最后一次有效纵向里程；

38、基于更新后的有效车辆总数，重新解算接管后的新虚拟走廊宽度：

39、；

40、为每一台健康车辆重新计算在前方行驶空域的新中心偏移量：

41、；

42、其中为更新后的逻辑拓扑编号，，车辆按自左向右的顺序依次赋值为递增编号。

43、进一步的，步骤s5中计算最短纵向缓冲距离的公式为：

44、；

45、其中为当前横坐标与目标切入横坐标的物理横向差值，为车辆底盘最大允许安全转向角，为预设的安全裕度系数。

46、进一步的，步骤s6中，当实时纵向里程满足触发条件时，单车原生规划器强制中断当前的规划路径，调用三阶贝塞尔曲线生成平滑的缓和轨迹曲线切入新轨迹，其中：

47、所述缓和轨迹曲线为三阶贝塞尔曲线，其四个控制点分别为：

48、起点：；

49、起步引导点：；

50、切入引导点：；

51、终点：；

52、单车基于上述四个控制点，以插值参数解析生成缓和轨迹曲线，曲线方程为：

53、。

54、进一步的，步骤s6中，车辆切入新轨迹后，系统根据继承的断点快照中的行驶周期数及历史行驶状态，自适应切换执行领航、跟驰或巡航指令。

55、本发明采用以上技术方案，具有以下有益技术效果；

56、1、宏观参数降维调度，底层兼容性强且安全性有保障

57、本发明通过中央调度层下发虚拟行驶走廊宽度与横向几何中心偏移量两类宏观调度参数，将多车编队的二维协同跟驰问题降维为单车的一维横向偏置计算。一方面可在极低的通信开销下实现编队空域的精细化划分，严格保障相邻车辆间的侧向安全冗余；另一方面，单车仅需基于偏移量对全局参考轨迹做整体平移，在虚拟走廊边界内独立完成局部规划，无需修改底层原生防撞算法与纵向跟驰逻辑，大幅降低了编队功能的落地改造成本，同时有效保障编队行驶过程中的碰撞安全性。

58、2、双模态局部代偿，兼顾通行效率与容错灵活性

59、本发明构建了基于状态监测的双模态动态容错机制。当单车处于亚健康滞后状态时，仅通过滞后车与邻接健康车的局部空域代偿实现动态均衡：缩减滞后车走廊宽度、等量放大邻接健康车走廊宽度，同步相向平移两车几何中心，全程维持两车交界处的侧向安全冗余不变。相较于相关技术中“全队紧急制动等待”的刚性同步策略，本方案仅对局部两台车辆的拓扑进行调整，不会影响编队其余车辆的正常行驶，从源头上消除了因整体减速等车导致的“幽灵拥堵”与追尾隐患，在保障安全性的前提下最大化编队通行效率。

60、3、致死场景平滑重构，故障后自恢复能力强

61、本发明针对单车致死宕机的极端场景，设计了全流程平滑重构方案。首先冻结故障断面后方已行驶区域的拓扑快照，避免故障车遗留轨迹干扰后续调度；其次耦合车辆底盘最大允许安全转向角计算最短纵向缓冲距离，为切入动作预留充足的物理余量，避免极短距离内大角度变道导致的底盘失稳、侧滑风险；再者通过三阶贝塞尔非对称缓和曲线生成平滑切入轨迹，并由单车原生规划器在触发点强制接管路径规划，保障轨迹的连续性与可执行性；最后车辆切入新轨迹后可无缝继承断点快照中的已执行调度周期数，自适应切换领航、跟驰或巡航角色，避免单点故障导致交通流长时间中断，实现编队故障后的快速自恢复。