东南大学学报( 自然科学版)

增刊
岳伟， 等： 通讯网络影响下自主车队分散式控制
145
采用最小数目的车载传感器， 提出一种车队纵向滑 ． ［ 9 ］ 模控制策略 文献 提出离散迭代控制算法， 该 使车队车间距控制达 控制算法利用最优控制理论， 到最优． IVHS 对车队的控制不仅要求车队中每辆车 同时还要求保证车队整体的稳定性， 都保证稳定， 即要避免车间距离误差从第一辆跟随车辆向后逐 渐增加． 该问题在变车间距控制中并不存在， 因其
பைடு நூலகம்
Decentralized control of autonomous platoon under networked communication effect
Yue Wei Guo Ge Wang Liyuan
（ School of Information Science and Technology ，Dalian Maritime University ，Dalian 116026 ，China）
运行的同时， 通过车间的无线通讯来实现车队的整 体稳定性． 无线通信的介入， 虽可有效增强车队控 制系统的稳定性与鲁棒性， 但无可避免会出现网络 延时、 丢包及量化等问题． 目前， 已有很多关于采用 网络 通 讯 来 实 现 对 车 队 纵 向 控 制 的 研 究． 文 献 ［ 11］ 考虑了通讯延时对车队稳定性的影响； 文献 ［ 12］ 对存在丢包的纵向车队系统进行状态估计； 13］ 文献［ 设计一种通讯控制策略的车辆驾驶辅助 系统， 使车队在能见度较低， 交通拥挤的情况下安 全行驶． 目前 ， 对于考虑通讯网络影响下的车队控制 问题的研究仍是一个开放性问题 ． 本文主要研究 1113］考虑网络影响下的车 以下 3 点 ： ① 文献［ 队控制 问 题 ， 都只考虑了网络因素的某一方面 （ 如 ： 仅考虑延时与丢包其中一个 ） ， 对网络的影 响因素考虑并不全面 ． ② 车队通讯信息的传递并 不同步 （ 如 ： 领队车辆的信息传递采用无线网络 ， 前车信息的传递 采 用 车 载 传 感 器 完 成 ） ， 在研究 中反馈信息的性质不同往往被忽略 ． ③ 车队中车 辆控制器设计不仅需要车辆本身位置 、 速度和加 速度等信息 ， 还需要前车的信息 ， 因此 ， 车队本身 ， 是一个 交 叠 式 混 合 系 统 该 点 在 很 多 论 文 被 忽 略 ． 为了 能 使 控 制 策 略 更 好 的 在 实 践 中 得 以 应 用， 本文充 分 考 虑 以 上 几 点 设 计 控 制 器 ， 并对车 队控制性能进行分析 ．
0 u1 B1 0 … 0 B … 0 u2 2 0 … Bn － 1 un － 1 0
（ 5）
146 0 0 Ai = 0 其中， 0 Bi = 0 0 0 说明 2 1 0 0 0 0 0 0 0 1 Si 0 0 1 0 1 ， Ain = 0 1 － 0 Si
通讯网络影响下自主车队分散式控制
岳 伟 郭 戈 王丽媛
（ 大连海事大学信息科学技术学院 ，大连 116026 ）
摘要： 针对基于网络的自主式车队控制这一重要课题 ， 建立了充分考虑车队间通讯网络限制影 （ ： 、 ） 响 如 网络量化 延时以及丢包的问题 的交叠式混合车队纵向控制模型． 针对该车队系统设计 分层式结构的控制器， 第一层为反馈线性化控制器， 第二层为分散式保性能控制器． 通过顶层反 馈线性化控制器消除车队系统的非线性 ， 进而针对线性交叠系统设计分散式保性能控制器 ． 该分 散式保性能控制器解决了车队间通讯网络存在网络量化 、 延时及丢包的问题， 不但实现车队的稳 定运行控制， 而且使车队控制效果大大改善． 并通过仿真试验证明所获得的控制方法的有效性 ． 关键词： 交叠式混合模型； 量化； 延时与丢包； 保性能控制 014408 中图分类号： TP13 文献标志码： A 文章编号： 1001 － 0505 （ 2011 ） 增刊-
Abstract： The important issue of control of autonomous platoons on highw ays w ith netw orked communication effect is considered． Firstly ，an overlapping hybrid model is established for the platoon’ s longitudinal movement，in w hich the constraints induced by communication netw ork （ e． g． ，timedropout） are given full considerations and involved in the model for delay ，quantization and packetthe first time． Then，a hierarchical platoon controller design framew ork is established，comprising a feedback linearization controller at the first layer and a guaranteed cost controller at the second layer． By reducing the nonlinear system to a linear model using the top layer feedback linearization controller，a decentralized guaranteed cost control algorithm is presented w hich has solution to quantization， delay and dropout on the platoon． Under this controller，the platoon can be stable． Simulations results show the effectiveness of the proposed approach． Key words： overlapping hybrid model； quantization； delay / dropout； decentralized guaranteed cost control 在过去的 30 多年中， 伴随高速公路系统的迅 速发展， 一系列恶劣的后果也随之产生． 如： 交通拥 挤、 环境污染等问题， 都直接导致大量的经济损失． 因此， 目前众多学者致力于自主高速公路系统 （ AHVS ） 与智能高速公路系统 （ IVHS ） 的研究［1-3］． IVHS 的结构是车辆以队列的形式， 在领队车辆的 带领下， 以较小的车间距离安全行驶． 目前广泛采 ［46 ］ ， 用的方法是车队的纵向控制 因其有效避免车 辆控制中的人为失误， 在保证安全性和舒适性的前 提下， 有效提高交通容量， 使其成为目前 IVHS 研 7］ 究的热点方向之一． 文献［ 提出 2 种纵向控制的 8］ 基本方法， 车辆跟随控制和点跟随控制． 文献［
0616． 作者简介： 岳伟（ 1981 —） ， geguo@ yeah． net． 收稿日期： 2011男， 博士生； 郭戈（ 联系人） ， 男， 博士， 教授， 博士生导师， 040982 ） 、 基金项目： 国家自然科学基金资助项目 （ 60974013 ） 、 霍英东教育基金资助项目（ 111066 ） 、 新世纪优秀人才支持计划 （ NECT中央 2009QN120 ） ． 高校基本科研业务费专项资金资助项目 （ 2009JC11 ， ． 东南大学学报： 自然科学版， 2011 ， 41 （ S1 ） ： 144151． ［doi： 10． 引文格式： 岳伟， 郭戈， 王丽媛． 通讯网络影响下自主车队分散式控制［J］ 3969 / j． issn． 1001 － 0505． 2011． S1． 031］
1
建立交叠式混车队合模型
本文用于研究的车队是由 n 辆在高速公路上 沿相同方向行驶的车辆组成 （ i = 0 代表领队车辆， i = 1， 2 …n － 1 代表跟随车辆） ， 数学结构如下： （ 1） δi = z i － 1 － z i － δd z i 为车辆的参考位置； δ d 为期望的车间距离； 式中， δ i 为期望车间距离与实际距离误差 （ 简称车间距 误差） ， 控制目标是使所有的误差为零， 车队结构 图如图 1 所示．
（ 3）
u i 为待设计附加输入量， 式中， 经过反馈线性化后
采用控制律 （ 3 ） 有 2 个目的： 使第 i
辆车的动态模型线性化和通过消除车辆系统中的 特性参数 （ 如机械阻力、 车辆质量和空气阻力等 ） 使车辆模型更加简单． i e i ¨ ei ｝ T ， 定义车队状态变量为： xi （ t ） = ｛ δi δ 其中 e i 为跟踪误差 （ 跟随车辆与领队车辆之间的 并且有 δ i = e i － 距离误差） e i = z 0 － z i － i （ δ d + L ） ， e i － 1 = z i － 1 － z i － δ d － L （ i = 0 ，e 0 = 0 ） ， 进而车队的 闭环系统 S 可写为 1 A 1 x x A 2 = in n － 1 0 x 0 x1 A2 … 0 x2 + 0 … A n － 1 xn － 1 0 …
［10 ］ 并不存在车辆间的通讯问题 ． 本文是对定车间 距离的车队控制研究， 车队中各个车辆在保证稳定
图1
车队结构
假设车队行驶的道路水平且不受风速影响 ， 则 第 i 辆车的纵向动态数学模型描述如下 ： i = vi －1 － vi δ v i = ai a i = fi （ v i ， ai ） + gi （ v i ） c i （ 2） c i 为发动机的输入量； f i （ v i ， ai ） 和 gi （ v i ） 给 式中， 出如下形式： fi （ v i ， ai ） = － σA i c di v i a i σA i c di 2 d mi 1 － v i + vi + Si mi 2 mi mi gi （ v i ） = 1 Si mi
(
)
式中， σ 为空气质量密度； A i 为第 i 辆车的横截面 面积； C di 为拽力系数； d m i 为第 i 辆车的机械阻力； m i 为车的质量； S i 为发动机的时间常数． 对于式（ 2 ） 所示的车辆非线性模型， 本节采用 反馈线性化的方法设计控制器如下 ： 2 σA i c di v i c i = ui mi + + d m i + S i σA i c di v i a i 2 得到车辆模型变为 a i = － 说明 1 1 1 a + u Si i Si i （ 4）
东南大学学报（ 自然科学版） 0 0 0 0 0 0 0 0 0 －1 ， 0 0
第 41 卷
用符号 f （ · ） 表示， 假 量化器为无记忆时不变型， f（ － v ） = － f （ v ） ． 相应的 设该量化器是对称的， 即， 量化级集合可以描述如下： U = ｛ ± ui ， i = 0， ± 1， ± 2， …｝ ∪｛ 0 ｝ 述为 U = ｛ ± ui ， ui = ρi u0 ， i = 0， ± 1， ± 2， …｝ ∪｛ u0 ｝ ∪｛ 0｝ 0 ＜ ρ ＜ 1 ， u0 ＞ 0 则该量化器称作对数量化器． （ 8） （ 7） 14］指出， 文献［ 如果量化器的量化级可以描
10如果信号在传输过程中出现丢包丢包数为果信号成功从传感器传送到控制器则信号在无线网络中的延时为传感器到量化器之间没有延由上述分析及假设条件2可知同时考虑延时丢包和量化因素后车队反馈控制器10可以11其中述兼有部分反馈量存在丢包延时情况该车队反馈控制律可以写为东南大学学报自然科学版第41设计分散式保性能控制器前一节建立了考虑网络量化延时丢包等问题的交叠车队混合系统模型本节则以此为基础设计可保证车队稳定的分散式控制器
第 41 卷 增刊 2011 年 9 月
东南大学学报（
自然科学版）
JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY （ Natural Science Edition）
Vol． 41 Sup Sept． 2011
doi： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 0505． 2011． S1． 031