本發(fā)明屬于汽車智能安全與自動駕駛領域，特別是涉及通信時延、執(zhí)行器故障、傳感器故障聯(lián)合影響下的智能網聯(lián)汽車隊列主動容錯控制方法。

背景技術：

1、隨著私家車保有量的持續(xù)攀升，現(xiàn)有的道路交通基礎設施已難以有效承載日益增長的通行需求。這一狀況直接導致交通擁堵現(xiàn)象的頻發(fā)，車輛不得不頻繁啟動與停止，不僅極大地加劇能源的消耗，還間接促使道路安全事故的增多，從而顯著提升公眾的出行成本與生活負擔。智能網聯(lián)汽車編隊行駛可以調整間距來提高道路利用率，通過速度協(xié)同來緩解能源浪費，在解決上述痛點有巨大應用潛力。

2、智能網聯(lián)汽車編隊控制技術是借助于(v2x,vehicle?to?everything)技術共享車輛的信息，隊列中每一輛車基于汽車車輛共享的信息來調節(jié)自身的運動狀態(tài)，以實現(xiàn)與相鄰車輛期望的間距，與領航車輛一致的速度。文獻1(yu?g,wong?p?k,huang?w,etal.distributed?adaptive?consensus?protocol?for?connected?vehicle?platoon?withheterogeneous?time-varying?delays?and?switching?topologies[j].ieeetransactions?on?intelligent?transportation?systems,2022,23(10):17620-17631.)提出一種用于異構時變時延的車輛編隊自適應控制方法。文獻2(liu?c,zhao?j,patton?rj.distributed?antittack?fault-tolerant?tracking?control?for?vehicle?platoonsystems?under?cyber-physical?threats[j].ieee?transactions?on?industrialinformatics,2023,19(6):7825-7834.)提出一種基于未知輸入觀測器的控制方法以解決執(zhí)行器故障和切換拓撲。

3、智能網聯(lián)汽車編隊借助v2x車聯(lián)網技術來提高汽車輛的感知能力。然而無線通信的引入不可避免會帶來信息傳遞時延的問題，即通信時延，可能導致車輛間信息同步問題，增加追尾風險，并降低隊列協(xié)同效率。此外在實際應用中，智能網聯(lián)車輛的傳感器和執(zhí)行器由于各種因素的影響，可能會出現(xiàn)故障，導致汽車輛無法準確感知環(huán)境信息或無法執(zhí)行控制指令，導致控制性能下降甚至失效。針對通信時延、傳感器故障、執(zhí)行器故障對于智能網聯(lián)汽車編隊的影響，本發(fā)明提出一種通信延遲下的智能網聯(lián)汽車隊列主動容錯控制方法。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術中對于存在通信時延、傳感器故障和執(zhí)行器故障的汽車隊列系統(tǒng)編隊問題，提供一種通信時延下智能網聯(lián)汽車隊列主動容錯控制方法，即使在傳感器或執(zhí)行器發(fā)生故障的情況下，也能保持車隊的穩(wěn)定運行，確保車輛之間的安全距離和行駛速度。本發(fā)明首先設計分散式動態(tài)比例積分觀測器對隊列的每輛汽車的傳感器與執(zhí)行器故障進行估計，接著基于故障估計值和其他車輛的延遲的輸出信息設計分布式控制器，進而抑制傳感器與執(zhí)行器故障帶來的影響，實現(xiàn)隊列控制的目標。

2、本發(fā)明所述通信時延下智能網聯(lián)汽車隊列主動容錯控制方法，包括以下步驟：

3、步驟1：汽車隊列的組成和信息采集：汽車隊列由n+1輛車組成，包括一輛領航車輛和n輛跟隨車輛；使用車載傳感器獲取車輛自身狀態(tài)信息，包括車輛位置、行駛速度和加速度；并通過v2x無線通信網絡實時采集相鄰車輛和領航車輛的輸出信息，實時接收建立通信連接車輛的輸出信息，將自車的輸出信息廣播出去；

4、步驟2：根據車載傳感器和v2x無線通信網絡得到的信息，建立具有執(zhí)行器故障和傳感器故障的單個車輛的縱向動力學狀態(tài)空間模型；具體的：基于牛頓第二定律推導單個車輛的非線性縱向動力學表達式，基于逆模型補償技術進行反饋線性化，得出單個車輛的線性化縱向動力學模型；將自車的位置、速度和加速度信息作為狀態(tài)向量，考慮執(zhí)行器故障，建立包含執(zhí)行器故障的車輛縱向運動模型，考慮傳感器故障，構建傳感器輸出信息，以便在控制過程中對這些故障進行估計和補償；

5、步驟3：基于圖論描述智能網聯(lián)汽車之間的信息交互形式建立智能網聯(lián)汽車編隊控制的目標函數(shù)，具體的：基于圖論定義汽車隊列的通信拓撲，并給出關于鄰接矩陣和拉普拉斯矩陣的定義；設定自車與領航車輛的速度差，自車與前車的距離差作為自變量，構造汽車隊列控制的目標函數(shù)，使編隊保持恒定的期望隊形。

6、步驟4：針對傳感器故障與執(zhí)行器故障影響下的汽車隊列系統(tǒng)，建立分散式誤差與故障觀測器，設計無時延影響下的分布式主動容錯控制器，設計通信時延影響下的分布式主動容錯控制器，實時求解編隊控制所需的車輪電機驅動力矩，具體的：

7、4.1)構建包含傳感器故障的增廣系統(tǒng)，設計分散式動態(tài)比例積分觀測器，建立汽車隊列觀測器誤差閉環(huán)系統(tǒng)；

8、4.2)設計無通信時延下的分布式主動容錯控制器并將其代入編隊模型，建立汽車隊列閉環(huán)誤差控制系統(tǒng)；

9、4.3)基于lyapunov穩(wěn)定理論和線性矩陣不等式方法，給出無時變時延下主動容錯控制器實現(xiàn)隊列閉環(huán)誤差系統(tǒng)穩(wěn)定性的條件，得到控制器增益矩陣與分散式觀測器增益的設計方法；

10、4.4)設計通信時延影響下分布式主動容錯控制器，其代入編隊模型，建立時變通信時延影響下汽車隊列閉環(huán)誤差控制系統(tǒng)；

11、4.5)基于lyapunov穩(wěn)定理論、線性矩陣不等式方法與halanay不等式，給時變時延下主動容錯控制器實現(xiàn)隊列閉環(huán)誤差系統(tǒng)穩(wěn)定性的條件，即得出由步驟4.3)求取的控制器與觀測器增益所能容忍的時延上界。

12、4.6)將主動容錯控制器代入步驟2中的反饋線性化模型，實時計算車輛的車輪期望驅動力矩，實現(xiàn)智能網聯(lián)汽車的編隊控制。

13、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下突出的技術效果和優(yōu)點：

14、本發(fā)明利用車載傳感器以及v2x無線通信系統(tǒng)來實現(xiàn)自身和其他車輛的信息交互，采取逆模型補償和反饋線性化的技術，建立具有傳感器故障與執(zhí)行器故障的汽車隊列閉環(huán)控制模型，在通信事業(yè)影響下設計一種分散式觀測器的主動容錯控制方法。本發(fā)明通過反饋線性化，可以將原本復雜的非線性控制系統(tǒng)轉化為相對簡單的線性控制系統(tǒng)，使得控制設計更加容易實現(xiàn)。本發(fā)明基于動態(tài)比例積分觀測器，對傳感器故障與執(zhí)行器故障進行估計，在控制器部分考慮通信時延及對故障進行補償，實現(xiàn)隊列系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保隊列中每輛汽車的期望車車間距以及期望行駛速度。通過考慮執(zhí)行器故障和傳感器故障，設計的控制器可以更好地應對這些不確定性因素，提高系統(tǒng)的魯棒性和可靠性。本發(fā)明利用車載傳感器和v2x無線通信網絡實時采集和交換信息，可以快速響應車輛狀態(tài)的變化，提高系統(tǒng)的實時性。本發(fā)明方法不僅適用于單個車輛的控制，還可以擴展到整個車隊的協(xié)調控制，有助于實現(xiàn)車隊的自動化和智能化管理。

技術特征：

1.通信時延下智能網聯(lián)汽車隊列主動容錯控制方法，其特征在于包括以下步驟：

2.如權利要求1所述通信時延下智能網聯(lián)汽車隊列主動容錯控制方法，其特征在于在步驟2中，所述建立具有執(zhí)行器故障和傳感器故障的單個車輛的縱向動力學狀態(tài)空間模型，具體步驟包括：

3.如權利要求1所述通信時延下智能網聯(lián)汽車隊列主動容錯控制方法，其特征在于在步驟3中，所述基于圖論描述智能網聯(lián)汽車之間的信息交互形式建立智能網聯(lián)汽車編隊控制的目標函數(shù)，包括以下步驟：

4.如權利要求1所述通信時延下智能網聯(lián)汽車隊列主動容錯控制方法，其特征在于在步驟4中，實時求解編隊控制所需的車輪電機驅動力矩的具體步驟包括：

技術總結
通信時延下智能網聯(lián)汽車隊列主動容錯控制方法，涉及汽車智能安全與自動駕駛。利用車載傳感器以及V2X無線通信系統(tǒng)實現(xiàn)自身和其他車輛的信息交互，采取逆模型補償和反饋線性化的技術，建立具有傳感器故障與執(zhí)行器故障的汽車隊列閉環(huán)控制模型，在通信時延影響下設計一種分散式觀測器的主動容錯控制方法?；趧討B(tài)比例積分觀測器，對傳感器故障與執(zhí)行器故障進行估計，在控制器部分考慮通信時延及對故障進行補償，實現(xiàn)隊列系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保隊列中每輛汽車的期望車車間距以及期望行駛速度。基于故障估計值設計和其他車輛的延遲的輸出信息設計分布式控制器，進而抑制傳感器與執(zhí)行器故障帶來的影響，實現(xiàn)隊列控制的目標。

技術研發(fā)人員：王靖瑤,黃江山,郭景華,曾澤欽,唐盛浩,周洋
受保護的技術使用者：廈門大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/26