一种智能通信延时补偿自动驾驶队列控制器增益的优化方法

本发明涉及交通管理与控制，特别是一种智能通信延时补偿自动驾驶队列控制器增益的优化方法。

背景技术：

1、在现实生活中，车辆所处的交通流环境是非常复杂的，除了车辆本身所产生的执行延时，还包括通信延时，采用cacc系统的车辆队列对于通信延时是非常敏感的。尽管现如今针对网络通信的技术越来越先进，但是不可避免的通信延时仍然会存在且网络拥塞的发生时间也无法确定。对于cacc系统来说，较小的通信延时暂且可以容忍，但当延时超过一定数值时，控制器性能就会受到影响，且影响程度随通信延时的增大而增大。在实际应用中，通信延时过大会导致车辆队列系统的控制性能受到极大的负面影响，从而存在极大的安全隐患。

2、因此，分析cacc控制系统性能方面还涉及到四个主要系统参数：加速度增益、速度差增益、间距增益以及车头时距，通过调整参数可以将控制器的适用性和精确度进一步提高，从而提高自动驾驶队列的稳定性。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种智能通信延时补偿自动驾驶队列控制器增益的优化方法，该智能通信延时补偿自动驾驶队列控制器增益的优化方法基于车辆之间的通讯进行消息传递，网联自动驾驶车辆执行动态调整控制器参数的驾驶策略以抑制车辆速度、加速度扰动的传播，从而减少振荡波所带来的交通事故风险、队列不稳定性和交通拥堵。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种智能通信延时补偿自动驾驶队列控制器增益的优化方法，包括如下步骤。

4、步骤1、队列初始行驶状态：自动驾驶队列具有n辆自动驾驶车，从前至后分别编号为1、2、3、……、i-1、i、……、n；其中，1≤i≤n；n辆自动驾驶车均以速度v0稳定行驶，且均保持恒定车头时距td。

5、步骤2、队列数据传递：第i辆自动驾驶车在t时刻能通过无线通信获取第i-1辆自动驾驶车的通讯延时值δ和延时前加速度ai-1(t-δ)；第i辆自动驾驶车在t时刻能通过雷达传感器获取第i-1辆自动驾驶车的速度vi-1(t)和位置数据pi-1(t)。

6、步骤3、构建cacc控制模型：n辆自动驾驶车均内置有cacc控制器；第i辆自动驾驶车的cacc控制器在t时刻的cacc控制模型ui(t)的表达式为：

7、ui(t)＝ka·ai-1(t-δ)+kv·[vi-1(t)-vi(t)]+ks·[si(t)-vi(t)td-l0]

8、其中：

9、si(t)＝pi-1(t)-pi(t)

10、式中，ka为前车加速度增益系数。

11、kv为前车与跟随车辆之间速度差的增益系数。

12、ks为跟随车辆与前车的间距和期望跟车距离之间误差的增益系数。

13、vi(t)为第i辆自动驾驶车在t时刻的速度；其中，2≤i≤5。

14、si(t)为车辆i与车辆i-1在时刻t的前后保险杠距离。

15、pi(t)为第i辆自动驾驶车在t时刻的位置。

16、l0为自动驾驶队列的车身长度。

17、步骤4、动态调整cacc控制模型系数：当δ>0且与上一时刻δ值不等时，通过构建关于ka、kv、ks和δ的速度扰动传递衰减函数，并求取速度扰动传递衰减函数中未知量ka、kv和ks的最优解，从而得到不同通讯延时值δ所对应的最佳cacc控制模型系数ka、kv和ks。

18、步骤2中，队列数据传递的时间步长为dt，且通讯延时值δ为dt的倍数。

19、步骤4中，速度扰动传递衰减函数的具体表达式为：

20、

21、其中，的求解方程为：

22、

23、vi(t)＝vi(t-dt)+ai(t-dt)·dt

24、

25、ui(t-dt)＝{ka·ai-1(t-dt-δ)+kv(vi-1(t-dt)-vi(t-dt))+ks

26、·[pi-1(t-dt)-pi(t-dt)-vi(t-dt)·td-l0]}

27、的求解方程为：

28、

29、

30、ui-1(t-dt)＝{ka·ai-2(t-dt-δ)+kv(vi-2(t-dt)-vi-1(t-dt))+ks

31、·[pi-2(t-dt)-pi-1(t-dt)-vi-1(t-dt)·td-l0]}

32、同时，i、t、ka、kv和ks还需同时满足如下约束条件：

33、

34、式中，表示相邻车辆i-1和车辆i之间所有速度误差比值中的最大值。

35、表示车辆i在时刻t时的速度误差。

36、vi(t)和vi(t-dt)分别表示车辆i在时刻t和时刻t-dt时的速度。

37、ai(t-dt)和ai(t-2·dt)分别表示车辆i在时刻t-dt和时刻t-2dt时的加速度。

38、τ表示cacc控制器的延时值，已知值。

39、ui(t-dt)表示车辆i在时刻t-dt时其cacc控制器的输出值。

40、vi-1(t-dt)和vi-2(t-dt)分别表示车辆i-1和车辆i-2在时刻t-dt时的速度。

41、表示车辆i-1在时刻t时的速度误差；和

42、pi-2(t-dt)、pi-1(t-dt)、pi(t-dt)分别表示车辆i-2、车辆i-1和车辆i在时刻t-dt时的位置。

43、ai-1(t-2·dt)表示车辆i-1在时刻t-2dt时的加速度。

44、ui-1(t-dt)表示车辆i-1在时刻t-dt时其cacc控制器的输出值。

45、ai-1(t-dt-δ)和ai-2(t-dt-δ)分别表示车辆i-1和车辆i-2在时刻t-dt-δ时的加速度。

46、t0表示开始时刻；t0+tp表示结束时刻。

47、速度扰动传递衰减函数采用粒子群算法pso求解最佳cacc控制模型系数。

48、本发明具有如下有益效果：

49、1、本发明能实现根据通讯延时动态调整控制器参数调整，能够有效应对通信延迟变化的情况，提高车队系统的稳定性和安全性。

50、2、本发明具有较强的自适应性和鲁棒性，可以适应不同的通信环境和车队系统要求。

51、3、本发明不仅能够解决通信延时对cacc控制器的影响，还能够有效缓和参数调整过程中状态变化情况，从而提高车队系统的稳定性和安全性。

技术特征：

1.一种智能通信延时补偿自动驾驶队列控制器增益的优化方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、队列初始行驶状态：自动驾驶队列具有n辆自动驾驶车，从前至后分别编号为1、2、3、……、i-1、i、……、n；其中，1≤i≤n；n辆自动驾驶车均以速度v0稳定行驶，且均保持恒定车头时距td；

2.根据权利要求1所述的智能通信延时补偿自动驾驶队列控制器增益的优化方法，其特征在于：步骤2中，队列数据传递的时间步长为dt，且通讯延时值δ为dt的倍数。

3.根据权利要求2所述的智能通信延时补偿自动驾驶队列控制器增益的优化方法，其特征在于：步骤4中，速度扰动传递衰减函数的具体表达式为：

4.根据权利要求1或3所述的智能通信延时补偿自动驾驶队列控制器增益的优化方法，其特征在于：速度扰动传递衰减函数采用粒子群算法pso求解最佳cacc控制模型系数。

技术总结本发明公开了一种智能通信延时补偿自动驾驶队列控制器增益的优化方法，包括步骤1、队列初始行驶状态；步骤2、队列数据传递；步骤3、构建CACC控制模型；步骤4、动态调整CACC控制模型系数。本发明通过利用车车通信获取车队信息，例如车辆加速度、速度和位置信息，将速度跟踪与位置跟踪作为控制策略的状态输入，并提出车队协同式自适应巡航CACC的精准控制策略。为了深入剖析该策略的性能，针对无延迟理想环境和有通讯延迟两种不同场景下的稳定性进行了分析。最终，为了验证算法的实效性与可靠性，我们采用搭建的联合仿真技术，对算法的可行性进行了验证，进一步提高了自动驾驶队列的稳定性。技术研发人员：徐铖铖,孙雅康,蒋璇,王志豪,莫静波受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15