一种保障车辆快速编队稳定的多车协同控制方法及装置

技术特征：
1.一种保障车辆快速编队稳定的多车协同控制方法，其特征在于：包括有领航车和跟随车，所述领航车和跟随车中任一车辆均为被控车辆，实施以下步骤：步骤一、信息采集，被控车辆在任意时刻采集领航车、相邻车以及本车的实时状态信息；步骤二、被控车辆判断是否已处于理想车道上，若否则进入步骤三，进行车辆编队控制；所述理想车道是被控车辆希望汇入的队列系统所行驶中的车道；若是则进入步骤五，进行队列稳定控制；步骤三、收集到目标位置和相关数据信息后，将车辆动力学的稳定性边界引入到多智能体群集运动控制算法中，采用优化方法对群集算法关键参数进行优化，生成车辆编队参考状态；步骤四、根据步骤三中的所述的车辆编队参考状态，规划出编队参考轨迹，用模型预测控制方法对被控车辆实际状态进行跟踪并保证其快速稳定编队；结束后返回步骤二；步骤五、设定控制律，通过运用队列稳定鲁棒协同控制算法实现队列系统稳定；结束后返回步骤二，循环往复。2.根据权利要求1中所述的保障车辆快速编队稳定的多车协同控制方法的方法，其特征在于：在所述步骤三中，采用优化方法对群集算法关键参数进行优化，并生成车辆编队参考状态的流程如下：sa1，选取优化变量矩阵为：λ＝[a b c
1 c
2 c
3 c4]
t
定义优化目标函数为：j1：其中，p1和q1为权重，n
t
为正常数，v
k，i
为车辆所允许的最大速度；v
k，i
和ω
k，i
分别为被控车辆i在k时刻的纵向车速和横摆角速度；γ
max，i
为车辆所允许的最大横摆角速度；优化问题表述为：sa2，根据可行性区间，随机生成当时间t
←
t 1，sa3，根据优化变量或的当前值计算车辆的参考车速v
t，i
和参考横摆角速度ω
t，i
；sa4，将满足车辆动力学稳定性边界的v
t，i
和ω
t，i
作为最终的编队参考状态；如果不满足边界条件，通过求解优化问题重新生成返回sa3。3.根据权利要求1中所述的保障车辆快速编队稳定的多车协同控制方法的方法，其特征在于：队列稳定鲁棒协同控制算法，根据给出的控制律，寻找相应的控制增益，使队列系统在新的控制律下满足稳定性；跟随车的控制律为：其中，k1和k2为控制增益，ψ(t)＝[ψ1(t)，
…
，ψ
n
(t)]
t
为一组状态矢量，如图5所示，μ
i
为领航车与第i辆跟随车之间的车间距误差，为领航车与第i辆跟随车之间的速度误差。
4.根据权利要求1所述的保障车辆快速编队稳定的多车协同控制方法的方法，其特征在于：所述步骤四包括如下步骤：sb1.建立代价函数：j2：其中，n
p
和n
c
分别为预测时域数和控制时域数，p2和q2为系数矩阵，为k时刻的预测参考状态信息，δu
k m|k，i
为在k时刻控制时域内群集运动控制算法的系统输入增量；定义的优化问题：sb2.在k时刻下求解优化控制问题所得到的控制输入序列为：sb3.为了减小系统的偏差，选择序列中的第一项为系统的输入增量，则最终的控制输入为：令在k 1时刻需要根据新的系统状态量重新求解优化问题，以此来实现模型预测控制的迭代前进；由此生成的新的系统输入u
′
i
，控制车辆执行快速稳定编队。5.根据权利要求1所述的保障车辆快速编队稳定的多车协同控制方法的方法，其特征在于：所述步骤五还包括如下步骤，sc1、设定控制律，定义第i辆跟随车的控制律为：其中，k1和k2为控制增益，ψ(t)＝[ψ1(t)，
…
，ψ
n
(t)]
t
为一组状态矢量，μ
i
为领航车与第i辆跟随车之间的车间距误差，为领航车与第i辆跟随车之间的速度误差；和分别为无线通信和雷达的数据延时量；sc2.定义鲁棒协同控制算法的性能指标为：其中，z(t)为含时滞和干扰的队列系统的控制输出，γ≥0为常数，w(t)为外界干扰量且符合有界条件；sc3.采用李雅普诺夫-克拉索夫斯基泛函法并结合h
∞
鲁棒控制理论得出的反馈控制增益k1和k2为：
其中，和p为正定对称矩阵，式中i2为二阶单位阵；sc4.将式(2)代入式(1)，由此得到新的控制律u
*i
′
，控制队列系统稳定纵向行驶。6.一种保障车辆快速编队稳定的多车协同控制装置，其特征在于，包括：信息采集装置，用于采取理想车道上各车辆和自身的实时状态信息；规划层控制装置，用于被控车辆根据所收集到的实时状态信息，生成编队参考状态；跟踪层控制装置，用于规划编队参考轨迹，并对编队参考状态进行跟踪；鲁棒控制装置，用于通过队列鲁棒协同控制算法实现队列系统稳定控制。7.根据权利要求6所述的保障车辆快速编队稳定的多车协同控制装置，其特征在于：所述信息采集装置、规划层控制装置、跟踪层控制装置以及鲁棒控制装置安装在编队中和队列系统中的每一辆车上。8.根据权利要求6所述的保障车辆快速编队稳定的多车协同控制装置，其特征在于：所述信息采集装置包括无线通信设备、外部环境感知模块、自身状态获取模块，分别负责采取领航车、前车、自身的实时状态信息；所述规划层控制装置与所述信息采集装置连接，接收到目标位置和相关数据信息后，根据车辆动力学系统模型优化群集运动控制算法，生成车辆编队参考状态。9.根据权利要求6所述的保障车辆快速编队稳定的多车协同控制装置，其特征在于：所述跟踪层控制装置与所述规划层控制装置连接，包括ltv-mpc控制器和执行模块；所述ltv-mpc控制器用于根据优化后的多智能体群集运动控制算法和ltv动力学模型规划编队参考轨迹，并按照此轨迹控制执行模块a；所述执行模块a控制车辆执行编队。10.根据权利要求6所述的保障车辆快速编队稳定的多车协同控制装置，其特征在于：所述鲁棒控制装置与所述信息采集装置连接，包括算法模块和执行模块b；已汇入理想车道上处于队列系统中的被控车辆接收到领航车和相邻车的实时状态信息后，所述算法模块根据队列稳定鲁棒协同控制算法计算出所需要的控制律，并按照此控制律控制执行模块b；所述执行模块b控制队列系统稳定纵向行驶。

技术总结
本发明公开了一种保障车辆快速编队稳定的多车协同控制方法及装置，该方法包括：1)信息采集模块，用于被控车辆采集领航车、相邻车、自身的实时状态信息；2)队列成形控制模块，保证位于不同车道、以不同车速行驶的多车系统形成队列；3)队列稳定控制模块，通过运用队列稳定鲁棒协同控制算法实现队列系统稳定。本发明控制方法将车辆动力学系统和群集运动控制算法相结合，解决了传统队列成型控制忽视车辆动力学特性的问题；该方法基于李雅普诺夫-克拉索夫斯基稳定性理论保障队列系统稳定，且能够减小控制系统冗余，适宜推广及应用；此外，该方法还考虑了信息传输过程中有时会发生的数据丢包和信息时滞现象，控制安全等级更高。控制安全等级更高。控制安全等级更高。


技术研发人员：徐利伟 徐明诚 殷国栋 刘赢 采国顺
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2022.01.06
技术公布日：2022/5/17