一种切换通信拓扑下的车辆队列控制方法、系统及存储介质与流程

1.本发明涉及智能交通技术领域，尤其是涉及一种切换通信拓扑下的车辆队列控制方法、系统及存储介质。


背景技术：

2.在当前对智能网联算法的研究中，对智能网联汽车与驾驶人驾驶汽车同时存在的混合交通研究较少。在不同渗透率的智能网联汽车组成的混合交通中，不同交通状态与道路场景下为提高运行安全与效率，需要针对不同的优化目标执行不同的协同决策任务，同时要保证不同协同决策任务间相互协调。针对多类型、多性能、多任务智能网联汽车组成的混合交通群体，研究满足不同的优化目标执行不同的协同决策任务的车辆个体与群体的建模方法，建立智能网联汽车个体状态模型，建立智能网联汽车交通流群体模型，探究智能网联车辆异常对个体运行和所处交通流运行效率及运行安全影响规律，为后续研究基于区域云的智能网联汽车协同决策方法提供计算模型支撑。
3.多车系统由多个网联车辆所构成，网联车辆自身的复杂动力学特性对多车系统的整体行为有着重要的影响。特别地，由于车辆系统结构与参数的差异，每个车辆的动力学特性是不同的，这种动力学特性异质性会给多车系统的控制设计与性能分析带来一定的挑战。同时，针对混合交通的一般情况，在车辆队列的行驶过程中，考虑车车通信网络会受到外界环境的扰动，车辆间的通信链接无法保证绝对可靠，会存在失效的情况。这种通信链接失效的情况会引起多车系统通信拓扑的切换。
4.因此，聚焦复杂车辆动力学条件下的多车系统分布式运动控制，着重考虑车辆动力学特性异质性的影响，同时，针对通信失效的普遍过程，建立车辆模型及切换通信拓扑下的车辆队列模型，对实现混合交通场景下基于区域云的协同决策方法具有指导性意义。


技术实现要素：

5.鉴于以上问题，本发明提出了一种切换通信拓扑下的车辆队列控制方法、系统及存储介质，不仅离散时间下的车辆动力学建模方法考虑通信条件下的采样时间限制，为协同决策的连续时间控制提供车辆模型，而且切换通信拓扑下的车辆队列模型方法针对车车通信失效的情况，提供切换通信拓扑的联合拓扑车辆队列模型。
6.为了实现上述目的及其他相关目的，本发明提供的技术方案如下：
7.一种切换通信拓扑下的车辆队列控制方法，包括以下步骤：
8.u1：基于智能网联的车辆队列，将所述车辆队列的每一辆车辆作为一个节点，构建车辆节点集合v，即v＝{v1，v2，v3，
…
，vn}，其中vi为节点，n为节点个数，i＝1，2，3，
…
，n；
9.u2：基于所述车辆节点集合v，获取任意两个节点的通信连接状态，构建车辆连接状态集合p，p＝{i∈n,j∈n且vi与vj存在通信连接|(i,j)}，再根据所述车辆连接状态集合p，获取车辆通信连接的邻接矩阵q＝[a
ij
]∈rn×n，其中a
ij
表示节点vi与节点vj之间的通信关系，从而得到车辆队列的通信拓扑关系g＝(v,p,q)；
[0010]
u3：根据所述车辆队列的通信拓扑关系g，获取车辆队列在t时刻的通信拓扑关系g(t)，t＝0，1，2，
…
，+∞，从而得到车辆队列的联合通信拓扑关系再根据车辆队列的联合通信拓扑关系，输出车辆队列各个车辆的通信数据信息；
[0011]
u4：根据所述车辆队列各个车辆的通信数据信息，针对车辆动力学模型，采用多目标车辆精确反馈线性化函数，对车辆队列进行控制和调节。
[0012]
进一步的，所述多目标车辆精确反馈线性化函数为
[0013][0014]
其中i∈n，n表示正整数集合n＝{1,2,
…
,n}，n为车辆数目，vi为车辆i的速度，mi为车辆的质量，c
a,i
为集总空气阻力系数，g为重力加速度常数，fi为滚动阻力系数，α
r,i
为道路坡度，ti为实际的驱动力或制动力的力矩，t
des,i
为期望的驱动力或制动力的力矩，τi为传动系的时滞常数，r
w,i
为车轮半径，η
t,i
为传动系统的机械效率，ai为车辆的加速度，μi是反馈线性化后的车辆控制输入。
[0015]
进一步的，所述车辆动力学模型的函数为
[0016]
xi(t+1)＝fi(xi(t),μi(t))，其中xi(t)为车辆状态，μi(t)为t时刻车辆加速度。
[0017]
进一步的，所述车辆动力学模型的约束条件为
[0018]fi
(xi,0)＝axi，
[0019]
其中其满足
[0020]
进一步的，基于所述车辆队列在t时刻的通信拓扑关系g(t),得到车辆i在t时刻的入邻居集mi(t)和出邻居集hi(t),
[0021]
mi(t)＝{ja
ij
(t)＝1}，hi(t)＝{ja
ji
(t)＝1}，其中a
ij
表示t时刻节点vi与节点vj之间的通信关系，a
ji
表示t时刻节点vj与节点vi之间的通信关系。
[0022]
进一步的，基于所述车辆i在t时刻的入邻居集mi(t)和出邻居集hi(t)，得到所述车辆队列在t时刻的通信拓扑关系g(t)的牵引矩阵y＝diag{b
ii
}∈rn×n，根据车辆队列在不同时刻牵引矩阵的变化，得到牵引集合yi(t),
[0023][0024]
从而得到拓扑关系的牵引入邻居集合θi(t),
[0025]
θi(t)＝mi(t)∪yi(t)。
[0026]
进一步的，基于所述牵引入邻居集合θi(t)和所述出邻居集hi(t)，得到联合拓扑关系的牵引入邻居集δi和联合出邻居集βi，
[0027][0028]
为了实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供了一种切换通信拓扑下的车辆队列控制系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行任意一项所述切换通信拓扑下的车辆队列控制方法的步骤。
[0029]
为了实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行任意一项所述切换通信拓扑下的车辆队列控制方法的计算机程序。
[0030]
本发明具有以下积极效果：
[0031]
1.本发明离散时间下的车辆动力学建模方法考虑通信条件下的采样时间限制，为协同决策的连续时间控制提供车辆模型。
[0032]
2.本发明通过车辆队列的通信联合拓扑关系和车辆运动学模型的耦合，提高了车辆控制的精度和在通信失联的情况下也能进行车辆队列的控制和调整。
[0033]
3.本发明切换通信拓扑下的车辆队列模型方法针对车车通信失效的情况，提供切换通信拓扑的联合拓扑车辆队列模型。
附图说明
[0034]
图1为本发明方法流程示意图；
[0035]
图2为本发明车辆队列联合通信拓扑关系图。
具体实施方式
[0036]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0037]
实施例1：如图1所示，一种切换通信拓扑下的车辆队列控制方法，包括以下步骤：
[0038]
u1：基于智能网联的车辆队列，将所述车辆队列的每一辆车辆作为一个节点，构建车辆节点集合v，即v＝{v1，v2，v3，
…
，vn}，其中vi为节点，n为节点个数，i＝1，2，3，
…
，n；
[0039]
u2：基于所述车辆节点集合v，获取任意两个节点的通信连接状态，构建车辆连接状态集合p，p＝{i∈n,j∈n且vi与vj存在通信连接|(i,j)}，再根据所述车辆连接状态集合p，获取车辆通信连接的邻接矩阵q＝[a
ij
]∈rn×n，其中a
ij
表示节点vi与节点vj之间的通信关系，从而得到车辆队列的通信拓扑关系g＝(v,p,q)；
[0040]
u3：根据所述车辆队列的通信拓扑关系g，获取车辆队列在t时刻的通信拓扑关系g(t)，t＝0，1，2，
…
，+∞，从而得到车辆队列的联合通信拓扑关系再根据车辆队列的联合通信拓扑关系，输出车辆队列各个车辆的通信数据信息；
[0041]
u4：根据所述车辆队列各个车辆的通信数据信息，针对车辆动力学模型，采用多目标车辆精确反馈线性化函数，对车辆队列进行控制和调节。
[0042]
在本实施例中，所述多目标车辆精确反馈线性化函数为
[0043][0044]
其中i∈n，n表示正整数集合n＝{1,2,
…
,n}，n为车辆数目，vi为车辆i的速度，mi为车辆的质量，c
a,i
为集总空气阻力系数，g为重力加速度常数，fi为滚动阻力系数，α
r,i
为道路坡度，ti为实际的驱动力或制动力的力矩，t
des,i
为期望的驱动力或制动力的力矩，τi为传动
系的时滞常数，r
w,i
为车轮半径，η
t,i
为传动系统的机械效率，ai为车辆的加速度，μi是反馈线性化后的车辆控制输入。
[0045]
在本实施例中，所述车辆动力学模型的函数为
[0046]
xi(t+1)＝fi(xi(t),μi(t))，其中xi(t)为车辆状态，μi(t)为t时刻车辆加速度。
[0047]
在本实施例中，所述车辆动力学模型的约束条件为fi(xi,0)＝axi，
[0048]
其中其满足
[0049]
在本实施例中，基于所述车辆队列在t时刻的通信拓扑关系g(t),得到车辆i在t时刻的入邻居集mi(t)和出邻居集hi(t),
[0050]
mi(t)＝{j|a
ij
(t)＝1}，hi(t)＝{j|a
ji
(t)＝1}，其中a
ij
表示t时刻节点vi与节点vj之间的通信关系，a
ji
表示t时刻节点vj与节点vi之间的通信关系。
[0051]
在本实施例中，基于所述车辆i在t时刻的入邻居集mi(t)和出邻居集hi(t)，得到所述车辆队列在t时刻的通信拓扑关系g(t)的牵引矩阵y＝diag{b
ii
}∈rn×n，根据车辆队列在不同时刻牵引矩阵的变化，得到牵引集合yi(t),
[0052][0053]
从而得到拓扑关系的牵引入邻居集合θi(t),
[0054]
θi(t)＝mi(t)∪yi(t)。
[0055]
在本实施例中，基于所述牵引入邻居集合θi(t)和所述出邻居集hi(t)，得到联合拓扑关系的牵引入邻居集δi和联合出邻居集βi，
[0056]ai
为车辆的加速度，μi是反馈线性化后的车辆控制输入。
[0057]
在本实施例中，所述车辆动力学模型的函数为
[0058]
xi(t+1)＝fi(xi(t),μi(t))，其中xi(t)为车辆状态，μi(t)为t时刻车辆加速度。
[0059]
在本实施例中，所述车辆动力学模型的约束条件为fi(xi,0)＝axi，
[0060]
其中其满足
[0061]
在本实施例中，基于所述车辆队列在t时刻的通信拓扑关系g(t),得到车辆i在t时刻的入邻居集mi(t)和出邻居集hi(t),
[0062]
mi(t)＝{ja
ij
(t)＝1}，hi(t)＝{ja
ji
(t)＝1}，其中a
ij
表示t时刻节点vi与节点vj之间的通信关系，a
ji
表示t时刻节点vj与节点vi之间的通信关系。
[0063]
在本实施例中，基于所述车辆i在t时刻的入邻居集mi(t)和出邻居集hi(t)，得到所述车辆队列在t时刻的通信拓扑关系g(t)的牵引矩阵y＝diag{b
ii
}∈rn×n，根据车辆队列在不同时刻牵引矩阵的变化，得到牵引集合yi(t),
[0064]
[0065]
从而得到拓扑关系的牵引入邻居集合θi(t),
[0066]
θi(t)＝mi(t)∪yi(t)。
[0067]
在本实施例中，基于所述牵引入邻居集合θi(t)和所述出邻居集hi(t)，得到联合拓扑关系的牵引入邻居集δi和联合出邻居集βi，
[0068][0069]
实施例2：在实施例1的一种切换通信拓扑下的车辆队列控制方法基础上，下面对本发明作进一步的说明。
[0070]
如图2所示，在车辆队列的行驶过程中，车车通信网络会受到外界环境的扰动，相应地，车辆间的通信链接无法保证绝对可靠，会存在失效的情况。实线表示有效的车车通信链接，而虚线则表示失效的链接。这种通信链接失效的情况会引起多车系统通信拓扑的切换。
[0071]
针对该问题，本方法建立一种建模方法，聚焦复杂车辆动力学条件下的多车系统分布式运动控制，考虑车辆动力学特性异质性的影响，建立基于连续时间信号采集的车辆动力学模型及联合通信拓扑的车辆队列模型。
[0072]
为了实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供了一种切换通信拓扑下的车辆队列控制系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行任意一项所述切换通信拓扑下的车辆队列控制方法的步骤。
[0073]
为了实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行任意一项所述切换通信拓扑下的车辆队列控制方法的计算机程序。
[0074]
本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述的存储系统的测试方法。计算机可读存储介质可以是电子介质、磁介质、光介质、电磁介质、红外介质或半导体系统或传播介质。计算机可读存储介质还可以包括半导体或固态存储器、磁带、可移动计算机磁盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、硬磁盘和光盘。光盘可以包括光盘—只读存储器(cd—rom)、光盘—读/写(cd—rw)和dvd。
[0075]
综上所述，本发明通过车辆队列的通信联合拓扑关系和车辆运动学模型的耦合，提高了车辆控制的精度和在通信失联的情况下也能进行车辆队列的控制和调整，而且离散时间下的车辆动力学建模方法考虑通信条件下的采样时间限制，为协同决策的连续时间控制提供车辆模型。
[0076]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种切换通信拓扑下的车辆队列控制方法，其特征在于，包括以下步骤：u1：基于智能网联的车辆队列，将所述车辆队列的每一辆车辆作为一个节点，构建车辆节点集合v，即v＝{v1，v2，v3，
…
，v
n
}，其中v
i
为车辆节点，n为车辆节点个数，i＝1，2，3，
…
，n；u2：基于所述车辆节点集合v，获取任意两个节点的通信连接状态，构建车辆连接状态集合p，p＝{i∈n,j∈n且v
i
与v
j
存在通信连接|(i,j)}，再根据所述车辆连接状态集合p，获取车辆通信连接的邻接矩阵q＝[a
ij
]∈r
n
×
n
，其中a
ij
表示节点v
i
与节点v
j
之间的通信关系，从而得到车辆队列的通信拓扑关系g＝(v,p,q)；u3：根据所述车辆队列的通信拓扑关系g，获取车辆队列在t时刻的通信拓扑关系g(t)，t＝0，1，2，
…
，+∞，从而得到车辆队列的联合通信拓扑关系再根据车辆队列的联合通信拓扑关系，输出车辆队列各个车辆的通信数据信息；u4：根据所述车辆队列各个车辆的通信数据信息，针对车辆动力学模型，采用多目标车辆精确反馈线性化函数，对车辆队列进行控制和调节。2.根据权利要求1所述的切换通信拓扑下的车辆队列控制方法，其特征在于：所述多目标车辆精确反馈线性化函数为其中i∈n，n表示正整数集合n＝{1,2,
…
,n}，n为车辆数目，v
i
为车辆i的速度，m
i
为车辆的质量，c
a,i
为集总空气阻力系数，g为重力加速度常数，f
i
为滚动阻力系数，α
r,i
为道路坡度，t
i
为实际的驱动力或制动力的力矩，t
des,i
为期望的驱动力或制动力的力矩，τ
i
为传动系的时滞常数，r
w,i
为车轮半径，η
t,i
为传动系统的机械效率，a
i
为车辆的加速度，μ
i
是反馈线性化后的车辆控制输入。3.根据权利要求1所述的切换通信拓扑下的车辆队列控制方法，其特征在于：所述车辆动力学模型的函数为x
i
(t+1)＝f
i
(x
i
(t),μ
i
(t))，其中x
i
(t)为车辆状态，μ
i
(t)为t时刻车辆加速度。4.根据权利要求3所述的切换通信拓扑下的车辆队列控制方法，其特征在于：所述车辆动力学模型的约束条件为f
i
(x
i
,0)＝ax
i
，其中其满足5.根据权利要求1所述的切换通信拓扑下的车辆队列控制方法，其特征在于：基于所述车辆队列在t时刻的通信拓扑关系g(t),得到车辆i在t时刻的入邻居集m
i
(t)和出邻居集h
i
(t),m
i
(t)＝{ja
ij
(t)＝1}，h
i
(t)＝{ja
ji
(t)＝1}，其中a
ij
表示t时刻节点v
i
与节点v
j
之间的通信关系，a
ji
表示t时刻节点v
j
与节点v
i
之间的通信关系。6.根据权利要求5所述的切换通信拓扑下的车辆队列控制方法，其特征在于：基于所述车辆i在t时刻的入邻居集m
i
(t)和出邻居集h
i
(t)，得到所述车辆队列在t时刻的通信拓扑关系g(t)的牵引矩阵y＝diag{b
ii
}∈r
n
×
n
，根据车辆队列在不同时刻牵引矩阵的变化，得到牵
引集合y
i
(t),从而得到拓扑关系的牵引入邻居集合θ
i
(t),θ
i
(t)＝m
i
(t)∪y
i
(t)。7.根据权利要求6所述的切换通信拓扑下的车辆队列控制方法，其特征在于：基于所述牵引入邻居集合θ
i
(t)和所述出邻居集h
i
(t)，得到联合拓扑关系的牵引入邻居集δ
i
和联合出邻居集β
i
，8.一种切换通信拓扑下的车辆队列控制系统，包括计算机设备，其特征在于，该计算机设备被编程或配置以执行权利要求1～7中任意一项所述切换通信拓扑下的车辆队列控制方法的步骤。9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行权利要求1～7中任意一项所述切换通信拓扑下的车辆队列控制方法的计算机程序。

技术总结
本发明涉及一种切换通信拓扑下的车辆队列控制方法、系统及存储介质，所述方法包括U1：基于智能网联的车辆队列，将所述车辆队列的每一辆车辆作为一个节点，构建车辆节点集合V，即V＝{V1，V2，V3，


技术研发人员：王祥云 蔡营 陈稷栋 熊聪
受保护的技术使用者：东风悦享科技有限公司
技术研发日：2022.12.07
技术公布日：2023/7/13