面向高速多车道场景的车辆集群编队控制方法及装置

本技术涉及预期智能网联汽车，特别涉及一种面向高速多车道场景的车辆集群编队控制方法及装置。

背景技术：

1、智能网联汽车(connected-automated-vehicle，cav)协同技术是推动智能网联汽车广泛应用的重要关键技术之一。其中，车辆集群(车群)编队控制是多车协同技术的重要组成部分，对于提高交通效率、行车安全和燃油经济性具有重要意义。相比于目前研究较多的单车道队列，多车道、非固定队形的车群具有更强的灵活性、可塑性和交通适应性，因此对多车道车群编队控制展开研究具有重要的现实意义。

2、目前，基于车路云协同架构而建立的多车编队控制方法已经成为现有多车编队方法的重要组成部分。网联环境下车辆能够直接接受控制中心的实时信息指令，精准调整车辆运行状态，实现多车协同控制的安全性和灵活性要求。

3、现有研究中，常用的多车编队方法以基于领航跟随模型的编队方法为主，但场景中车辆数目增多，会导致跟随车状态响应会有滞后现象，难以满足车路云体系下大规模车群编队时的实时性要求，且现有的多车编队控制研究还额外存在以下问题：研究对象和场景主要是单车道单个车辆队列，而多车道场景的研究主要针对多队列协同控制，多是在单队列控制基础上进行扩展，并非针对多车道、随机分布、可具有任意队形的车辆集群；目前多车编队控制的几何和通信拓扑选择多依赖经验，并缺乏合理的分析和设计，亟待改进。

技术实现思路

1、本技术提供一种面向高速多车道场景的车辆集群编队控制方法及装置，以解决现有技术在多车道复杂场景中，车群的几何与通信拓扑可适用性差、编队协同控制场景局限性较大且协同效率低等问题。

2、本技术第一方面实施例提供一种面向高速多车道场景的车辆集群编队控制方法，包括以下步骤：

3、获取区域路况信息，并根据所述区域路况信息确定编队协同区域和目标车群，且根据所述编队协同区域和所述目标车群确定协同控制目标和期望编队队形；

4、根据所述协同控制目标和所述期望编队队形确定编队规则和编队流程，并基于所述编队规则和所述编队流程，并结合预设的通信拓扑切换策略调整所述目标车群，得到调整后的目标车群；

5、建立车辆运动模型和通信模型，并根据所述车辆运动模型和所述通信模型确定所述调整后的目标车群的协同控制指令，以根据所述协同控制指令对所述目标车群进行控制。

6、根据本技术的一个实施例，所述区域路况信息包括路段车辆平均车速、车群维度和编队请求时间。

7、根据本技术的一个实施例，所述根据所述区域路况信息确定编队协同区域和目标车群，包括：

8、基于所述车群维度，在所述编队请求时间内，以所述车辆平均车速覆盖的行驶区域作为编队协同区域。

9、根据本技术的一个实施例，所述根据所述编队协同区域和所述目标车群确定协同控制目标和期望编队队形，包括：

10、获取期望车辆间距、期望车速和车群状态约束；

11、根据所述期望车辆间距、所述期望车速和所述车群状态约束确定所述协同控制目标；

12、基于所述协同控制目标，从所述目标车群中确定满足预设编队调整条件的交错式拓扑结构作为所述期望编队队形。

13、根据本技术的一个实施例，所述根据所述协同控制目标和所述期望编队队形确定编队规则和编队流程，包括：

14、调整所述目标车群的车辆间的距离，并根据协同控制目标确定所述目标车群中车辆的变道行为，直至所述目标车群的车辆间的距离收敛至所述期望车辆间距。

15、根据本技术的一个实施例，所述车辆运动模型为：

16、

17、所述通信模型为：

18、amode，i，j(t)＝[ai，j]m×n；

19、其中，为车辆位置的微分，t为车辆当前运动时刻，vi()为车辆速度，i为车辆i下标，为车辆速度的微分，ui()为车辆加速度，为，amode，i，j(t)为在当前mode下的车辆通信拓扑矩阵，[ai，j]m×n为车辆i、j之间的通信连接状态，ai，j＝1，ai，j＝0分别表示通信连通或不连通，j为车辆j下标，m×n为通信矩阵的维度。

20、根据本技术的一个实施例，所述协同控制指令为：

21、

22、其中，ui(t)为控制器输出的车辆控制量，i为控制器输出所对应的车辆i下标，t为当前控制时刻，ux，i为车辆i在纵向上的控制量，uy，i为为车辆i在横向上的控制量，为车辆i控制量集合，n为车辆集群所包含的所有车辆数目，aij(kxv(vi，x-vj，x)+kxp(xi-xj-ddes为车辆i将车辆j状态作为参考时的一致性控制协议，kxvvi，x-vj，x为速度参考量，kxv()为速度控制加权系数，vi，x为车辆i的纵向速度，vj，x为车辆j的纵向速度，kyp(yi-yj-ddes)为位移参考量，kyp()为位移控制加权系数，yi为车辆i的横向位置，yj为车辆j的横向位移，ddes为期望的车辆间距，ai，x，desire为控制器的输出即车辆i的纵向期望加速度，ai，y，desire为控制器的输出即车辆i的横向期望加速度，为控制器的输出集合。

23、根据本技术实施例的面向高速多车道场景的车辆集群编队控制方法，根据区域路况信息确定编队协同区域和目标车群，进而确定协同控制目标和期望编队队形；根据协同控制目标和期望编队队形确定编队规则和编队流程，并结合通信拓扑切换策略调整目标车群，根据车辆运动模型和通信模型确定调整后的目标车群的协同控制指令，以对目标车群进行控制。由此，解决了现有技术在多车道复杂场景中，车群的几何与通信拓扑可适用性差、编队协同控制场景局限性较大且协同效率低等问题，针对多车道、随机分布、可具有任意队形的车辆集群进行有效控制，从而实现复杂多车道场景下的车群协同编队行为。

24、本技术第二方面实施例提供一种面向高速多车道场景的车辆集群编队控制装置，包括：

25、获取与确定模块，用于获取区域路况信息，并根据所述区域路况信息确定编队协同区域和目标车群，且根据所述编队协同区域和所述目标车群确定协同控制目标和期望编队队形；

26、处理模块，用于根据所述协同控制目标和所述期望编队队形确定编队规则和编队流程，并基于所述编队规则和所述编队流程，并结合预设的通信拓扑切换策略调整所述目标车群，得到调整后的目标车群；

27、控制模块，用于建立车辆运动模型和通信模型，并根据所述车辆运动模型和所述通信模型确定所述调整后的目标车群的协同控制指令，以根据所述协同控制指令对所述目标车群进行控制。

28、根据本技术的一个实施例，所述区域路况信息包括路段车辆平均车速、车群维度和编队请求时间。

29、根据本技术的一个实施例，所述获取与确定模块，用于：

30、基于所述车群维度，在所述编队请求时间内，以所述车辆平均车速覆盖的行驶区域作为编队协同区域。

31、根据本技术的一个实施例，所述获取与确定模块，用于：

32、获取期望车辆间距、期望车速和车群状态约束；

33、根据所述期望车辆间距、所述期望车速和所述车群状态约束确定所述协同控制目标；

34、基于所述协同控制目标，从所述目标车群中确定满足预设编队调整条件的交错式拓扑结构作为所述期望编队队形。

35、根据本技术的一个实施例，所述处理模块，用于：

36、调整所述目标车群的车辆间的距离，并根据协同控制目标确定所述目标车群中车辆的变道行为，直至所述目标车群的车辆间的距离收敛至所述期望车辆间距。

37、根据本技术的一个实施例，所述车辆运动模型为：

38、

39、所述通信模型为：

40、amode，i，j(t)＝[ai，j]m×n；

41、其中，为车辆位置的微分，t为车辆当前运动时刻，vi()为车辆速度，i为车辆i下标，为车辆速度的微分，ui()为车辆加速度，为，amode，i，j(t)为在当前mode下的车辆通信拓扑矩阵，[ai，j]m×n为车辆i、j之间的通信连接状态，ai，j＝1，ai，j＝0分别表示通信连通或不连通，j为车辆j下标，m×n为通信矩阵的维度。

42、根据本技术的一个实施例，所述协同控制指令为：

43、

44、其中，ui(t)为控制器输出的车辆控制量，i为控制器输出所对应的车辆i下标，t为当前控制时刻，ux，i为车辆i在纵向上的控制量，uy，i为为车辆i在横向上的控制量，为车辆i控制量集合，n为车辆集群所包含的所有车辆数目，aij(kxv(vi，x-vj，x)+kxp(xi-xj-ddes))为车辆i将车辆j状态作为参考时的一致性控制协议，kxv(vi，x-vj，x)为速度参考量，kxv()为速度控制加权系数，vi，x为车辆i的纵向速度，vj，x为车辆j的纵向速度，kyp(yi-yj-ddes)为位移参考量，kyp()为位移控制加权系数，yi为车辆i的横向位置，yj为车辆j的横向位移，ddes为期望的车辆间距，ai，x，desire为控制器的输出即车辆i的纵向期望加速度，ai，y，desire为控制器的输出即车辆i的横向期望加速度，为控制器的输出集合。

45、根据本技术实施例的面向高速多车道场景的车辆集群编队控制装置，根据区域路况信息确定编队协同区域和目标车群，进而确定协同控制目标和期望编队队形；根据协同控制目标和期望编队队形确定编队规则和编队流程，并结合通信拓扑切换策略调整目标车群，根据车辆运动模型和通信模型确定调整后的目标车群的协同控制指令，以对目标车群进行控制。由此，解决了现有技术在多车道复杂场景中，车群的几何与通信拓扑可适用性差、编队协同控制场景局限性较大且协同效率低等问题，针对多车道、随机分布、可具有任意队形的车辆集群进行有效控制，从而实现复杂多车道场景下的车群协同编队行为。

46、本技术第三方面实施例提供一种服务器，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如上述实施例所述的面向高速多车道场景的车辆集群编队控制方法。

47、本技术第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现如上述实施例所述的面向高速多车道场景的车辆集群编队控制方法。

48、本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。