车辆队列抗扰抗内切协同路径跟踪控制

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.08.003

摘要/Abstract

摘要：

本文研究过弯场景下车辆队列的抗扰抗内切协同路径跟踪控制方法。首先，基于前车直接跟随式方案，采用圆弧曲线跟踪路径代替一般直线跟踪路径，构建车辆队列过弯抗内切策略，以降低车辆队列过弯时的整体跟踪误差；其次，设计卡尔曼滤波器和龙伯格观测器，以解决跟随车位置状态噪声及航向状态噪声或不易量测的问题；然后，设计协同路径跟踪控制器，并基于李雅普诺夫稳定性理论导出系统稳定的充分条件，指导控制器参数设计；最后，通过数值仿真和实车试验验证控制器设计的可行性和有效性。

关键词: 智能网联汽车, 路径跟踪控制, 协同控制, 抗扰控制

Abstract:

The anti-disturbance and anti-corner-cutting collaborative path tracking control method for a vehicle platoon under the turning scenario is studied in this paper. Firstly, based on the predecessor-following topology scheme，a platoon turning anti-corner-cutting strategy is constructed by using circular-arc curve tracking path to replace the general straight-line tracking path, alleviating the overall tracking error of the vehicle platoon during turning. Secondly, a Kalman filter and a Luenberger observer are designed to address the problem of position noise and heading noise of the following vehicle or difficult measurement. Then, a collaborative path tracking controller is designed. By using the Lyapunov stability theory, sufficient conditions for system stability are derived for controller parameter design. Finally, the feasibility and effectiveness of the designed controller are validated through numerical simulation and real-vehicle experiments.

Key words: intelligent and connected vehicle, path tracking control, collaborative control, anti-disturbance control

边有钢,张田田,谢和平,秦洪懋,杨泽宇. 车辆队列抗扰抗内切协同路径跟踪控制[J]. 汽车工程, 2023, 45(8): 1320-1332.

Yougang Bian,Tiantian Zhang,Heping Xie,Hongmao Qin,Zeyu Yang. Anti-disturbance and Anti-corner-cutting Control for Collaborative Path Tracking of Vehicle Platoon[J]. Automotive Engineering, 2023, 45(8): 1320-1332.

图/表 20

图1

图2

图3

图4

表1

仿真用车队控制器参数"

项目	参数	数值
领航车	PID控制器	$k p = 0.3, k i = 0, k d = 0$
	预瞄常数	2 m
	预瞄系数	0.2
跟随车	控制增益	$k 1, i = 3, k 2, i = 3$
跟随车	跟车时距	0.2 s

表1

图5

图6

表2

仿真用滤波器参数"

参数	数值
过程噪声协方差矩阵	$Q i = 0.0001 I$
测量噪声协方差矩阵	$R i = 0.1 I$
误差协方差矩阵	$P i = 0.01 I$

表2

图7

图8

图9

图10

图11

图12

表3

实车试验用车辆控制器参数"

项目	参数	数值
领航车	PID控制器	$k p = 0.1, k i = 0, k d = 0$
	预瞄常数	1.2
	预瞄系数	0.1
跟随车	反馈增益	$k 1, i = 3, k 2, i = 3$
	停车间距	1.26 m
	跟车时距	0.2 s

表3

图13

图14

表4

实车试验用滤波器和观测器参数"

参数	数值
过程噪声协方差矩阵	$Q i = 0.001 I$
测量噪声协方差矩阵	$R i = 0.1 I$
误差协方差矩阵	$P i = 0.001 I$
观测器增益	$h i, 1 = 30, h i, 2 = 30$ $h i, 3 = 10, h i, 4 = 10$

表4

图15

图16

参考文献 24

1	ZHUANG H， CHEN X， WANG C， et al. Lateral control method of the follower vehicle in local decentralized platooning［C］. 2021 5th CAA International Conference on Vehicular Control and Intelligence （CVCI）. IEEE， 2021： 1-5.
2	ZHUANG W， XU L， YIN G. Robust cooperative control of multiple autonomous vehicles for platoon formation considering parameter uncertainties［J］. Automotive Innovation， 2020， 3： 88-100.
3	马芳武，王佳伟，杨昱，等. 网联车辆协同编队控制系统研究［J］. 汽车工程， 2020， 42（7）： 860-866.
	MA F W， WANG J W， YANG Y， et al. Research on networked-vehicle cooperative platoon control system［J］. Automotive Engineering， 2020， 42（7）： 860-866.
4	HU M， LI C， BIAN Y， et al. Fuel economy-oriented vehicle platoon control using economic model predictive control［J］. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems， 2022， 23 （11）： 20836-20849.
5	ZHANG Y， LI S E， et al. String stability for vehicular platoon control： definitions and analysis methods［J］. Annual Reviews in Control， 2019， 47： 81-97.
6	REN P， JIANG H， XU X. Research on a cooperative adaptive cruise control （CACC） algorithm based on frenet frame with lateral and longitudinal directions［J］. Sensors， 2023， 23（4）： 1888.
7	余伶俐，况宗旭，王正久，等. 智能车辆队列横纵向有限时间滑模控制［J］. 控制理论与应用， 2021， 38（8）： 1299-1312.
	YU L L， KUANG Z X， WANG Z J， et al. Intelligent vehicle platoon lateral and longitudinal control based on finite-time sliding mode control［J］. Journal of Control Theory and Applications， 2021， 38（8）： 1299-1312.
8	KIM D， LEE J， KIM B， et al. Integrated risk management based automated vehicle following system on inner-city streets［C］. 17th International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems （ITSC）. IEEE， 2014： 418-423.
9	刘阳，宗长富，郑宏宇，等. 基于参考向量场的车辆队列二维跟踪控制算法［J］. 汽车工程， 2021， 43（7）： 962-970.
	LIU Y， ZONG C F， ZHENG H Y， et al. Two⁃dimensional tracking control algorithm for vehicle platoon based on reference vector field［J］. Automotive Engineering， 2021， 43（7）： 962-970.
10	黄健飞，马彦. 基于跟随领航者的车辆自适应编队控制［J］. 吉林大学学报（信息科学版）， 2019， 37（3）： 253-259.
	HUANG J F， MA Y. Adaptive formation control for vehicles based on leader-follower strategy［J］. Journal of Jilin University （Information Science Edition）， 2019， 37（3）： 253-259.
11	TUNCER Ö， GÜVENC L， COSKUN F， et al. Vision based lane keeping assistance control triggered by a driver inattention monitor［C］.2010 IEEE International Conference on Systems， Man and Cybernetics. IEEE， 2010： 289-297.
12	RAJAMANI R， TAN H S， LAW B K， et al. Demonstration of integrated longitudinal and lateral control for the operation of automated vehicles in platoons［J］. IEEE Transactions on Control Systems Technology， 2000， 8（4）： 695-708.
13	BIAN Y， ZHENG Y， REN W， et al. Reducing time headway for platooning of connected vehicles via V2V communication［J］. Transportation Research Part C： Emerging Technologies， 2019， 102： 87-105.
14	VAN DEN BERG D， VAN DER PLOEG C， ALIREZAEI M， et al. Lateral vehicle following in a cooperative vehicle platooning application： an H_∞ approach［C］.2021 European Control Conference （ECC）. IEEE， 2021： 1802-1807.
15	LIU M， CHOUR K， RATHINAM S， et al. Lateral control of an autonomous and connected following vehicle with limited preview information［J］. IEEE Transactions on Intelligent Vehicles， 2020， 6（3）： 406-418.
16	高秀晶，马育林，杉町敏之，等. 基于车车通讯的队列自动跟驰横向耦合模型［J］. 汽车工程， 2021， 43（12）： 1745-1751.
	GAO X J， MA Y L， SUGIMACHI T， et al. Lateral coupling model of automatic platooning based on vehicle to vehicle communication［J］. Automotive Engineering， 2021， 43（12）： 1745-1751.
17	FASSBENDER D， HEINRICH B C， LUETTEL T， et al. An optimization approach to trajectory generation for autonomous vehicle following［C］.2017 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems （IROS）. IEEE， 2017： 3675-3680.
18	WEI S， ZOU Y， ZHANG X， et al. An integrated longitudinal and lateral vehicle following control system with radar and vehicle-to-vehicle communication［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2019， 68（2）： 1116-1127.
19	LIU Y， ZONG C， ZHANG D. Lateral control system for vehicle platoon considering vehicle dynamic characteristics［J］. IET Intelligent Transport Systems， 2019， 13（9）： 1356-1364.
20	CHEN W， ZHAO C， DAI G， et al. A partially flexible virtual trailer link model for vehicle-following systems［J］. Transactions of the Institute of Measurement and Control， 2015， 37（2）： 273-281.
21	BAYUWINDRA A， AAKRE Ø L， PLOEG J， et al. Combined lateral and longitudinal CACC for a unicycle-type platoon［C］.2016 IEEE Intelligent Vehicles Symposium （IV）. IEEE， 2016： 527-532.
22	BAYUWINDRA A， LEFEBER E， PLOEG J， et al. Extended look-ahead tracking controller with orientation-error observer for vehicle platooning［J］. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems， 2019， 21（11）： 4808-4821.
23	JAKUBIAK J， LEFEBER E， TCHOŃ K， et al. Two observer-based tracking algorithms for a unicycle mobile robot［J］. International Journal of Applied Mathematics and Computer Science， 2002， 12（4）： 513-522.
24	BAYUWINDRA A， PLOEG J， LEFEBER E， et al. Combined longitudinal and lateral control of car-like vehicle platooning with extended look-ahead［J］. IEEE Transactions on Control Systems Technology， 2019， 28（3）： 790-803.

[1]	胡林,谷子逸,王丹琦,王方,邹铁方,黄晶. 汽车安全性测评规程现状及趋势展望[J]. 汽车工程, 2024, 46(2): 187-200.
[2]	关书睿,李克强,周俊宇,石佳,孔伟伟,罗禹贡. 面向强制换道场景的智能网联汽车协同换道策略[J]. 汽车工程, 2024, 46(2): 201-210.
[3]	王庞伟,刘程,汪云峰,张名芳. 面向城市道路的智能网联汽车多车道轨迹优化方法[J]. 汽车工程, 2024, 46(2): 241-252.
[4]	左政,王云鹏,麻斌,邹博松,曹耀光,杨世春. 基于AFC-TARA的车载网络组件风险率量化评估分析[J]. 汽车工程, 2023, 45(9): 1553-1562.
[5]	李升波,占国建,蒋宇轩,兰志前,张宇航,邹文俊,陈晨,成波,李克强. 类脑学习型自动驾驶决控系统的关键技术[J]. 汽车工程, 2023, 45(9): 1499-1515.
[6]	刘济铮,王震坡,孙逢春,张雷. 异构智能网联汽车编队延迟补偿控制研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(9): 1573-1582.
[7]	吴思宇,于文浩,邢星宇,张玉新,李楚照,李雪轲,古昕昱,李云巍,马小涵,路伟,王政,郝圳茂,王红,李骏. 基于关键场景的预期功能安全双闭环测试验证方法[J]. 汽车工程, 2023, 45(9): 1583-1607.
[8]	朱冰,姜泓屹,赵健,韩嘉懿,刘彦辰. 智能网联汽车协同感知信任度动态计算与评价方法[J]. 汽车工程, 2023, 45(8): 1383-1391.
[9]	关宇昕,冀浩杰,崔哲,李贺,陈丽文. 智能网联汽车车载CAN网络入侵检测方法综述[J]. 汽车工程, 2023, 45(6): 922-935.
[10]	胡耘浩,李克强,向云丰,石佳,罗禹贡. 智能网联汽车通用跨平台实时仿真系统架构及应用[J]. 汽车工程, 2023, 45(3): 372-381.
[11]	李子先,潘世举,徐友春. 8轮分布式电驱动车辆AFS和DYC协同控制[J]. 汽车工程, 2023, 45(3): 409-420.
[12]	张新荣,谭宇航,贾一帆,黄晋,许权宁. 四轮独立驱动电动汽车路径跟踪鲁棒控制[J]. 汽车工程, 2023, 45(2): 253-262.
[13]	刘浩天,魏洪乾,时培成,张幽彤. 基于帧间隔-总线电压混合特征的汽车ECU伪装攻击识别[J]. 汽车工程, 2023, 45(11): 2070-2081.
[14]	李捷,吴晓东,许敏,刘永刚. 基于强化学习的城市场景多目标生态驾驶策略[J]. 汽车工程, 2023, 45(10): 1791-1802.
[15]	钱立军,陈晨,陈健,陈欣宇,熊驰. 基于Q学习模型的无信号交叉口离散车队控制[J]. 汽车工程, 2022, 44(9): 1350-1358.