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      一種新的V2I下車速規(guī)劃與模型預(yù)測(cè)控制方法

      2022-07-14 03:55:22李振鵬劉自斌
      關(guān)鍵詞:網(wǎng)聯(lián)紅綠燈舒適性

      劉 平,李振鵬,蔣 平,舒 航,劉自斌

      (1. 西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610031; 2. 西南交通大學(xué) 先進(jìn)驅(qū)動(dòng)節(jié)能技術(shù)教育部工程研究中心,四川 成都 610031; 3. 成都客車股份有限公司,四川 成都 611743)

      0 引 言

      隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng),我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量迅速增加,交通擁堵和環(huán)境污染問題所帶來的影響已經(jīng)不容忽視,在城市道路網(wǎng)信號(hào)交叉口節(jié)點(diǎn),這一問題尤為嚴(yán)重。車輛在信號(hào)交叉口處受控制信號(hào)的周期性干擾,處于一種“停-走”式的交通運(yùn)行模式,導(dǎo)致交叉口通行效率下降,不僅帶來出行時(shí)間延誤,還帶來燃油消耗及污染物排放上升[1]。近年,隨著無線電子通訊技術(shù)快速發(fā)展,利用車聯(lián)網(wǎng)的車速規(guī)劃與車速控制結(jié)合,來解決交叉路口的“停-走”模式成為一種有效的方法。

      在車速規(guī)劃方面,M.BARTH等[2]提出了基于三角函數(shù)變化的動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)駕駛,將干道上交通信號(hào)燈的相位和定時(shí)信息提供給車輛,車輛可以在通過信號(hào)燈時(shí)調(diào)整其速度,最大限度降低油耗和排放;T.W.SUNG等[3]提出了一種根據(jù)駕駛條件確定經(jīng)濟(jì)參考速度的駕駛規(guī)劃方案,該方案以平滑車速變化,減少車輛等待時(shí)間,提高在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)通過交叉口的車輛數(shù)量,經(jīng)仿真該方案在平均等待時(shí)間和碳排放量評(píng)估方面表現(xiàn)良好;石琴等[4]提出基于固定引導(dǎo)時(shí)長(zhǎng)的車隊(duì)車速引導(dǎo)策略,并與固定引導(dǎo)距離的車隊(duì)車速引導(dǎo)策略進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明該方案能顯著減少車隊(duì)在信號(hào)交叉口通行的車輛延誤和燃油消耗。

      在車聯(lián)網(wǎng)車速控制方面,研究主要集中在優(yōu)化控制上,大體可分為全局優(yōu)化和局部?jī)?yōu)化。全局優(yōu)化方法以動(dòng)態(tài)規(guī)劃為代表,G.OH等[5]使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃來確定燃料最優(yōu)策略、時(shí)間最優(yōu)策略和平衡生態(tài)駕駛策略這3種不同生態(tài)駕駛策略的全局最優(yōu)軌跡,該方法在不犧牲出行時(shí)間前提下,平均節(jié)省40%~50%的燃油;G.MA等[6]將能量管理結(jié)合車輛協(xié)同控制,采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法,在統(tǒng)一的框架下研究了混合動(dòng)力汽車的能量管理問題和一組混合動(dòng)力汽車的分散協(xié)調(diào)問題,通過綜合優(yōu)化,車輛能夠在最省油區(qū)域附近運(yùn)行,電池在保持始末相同充電狀態(tài)的同時(shí),可以避免耗盡或過度充電。局部?jī)?yōu)化方法主要以模型預(yù)測(cè)控制為代表,B.HOMCHAUDHURI等[7]研究了一組車輛在擁擠的城市道路條件下的燃油經(jīng)濟(jì)控制策略,利用交通信號(hào)燈的相位和定時(shí)(SPAT)信息,采用改進(jìn)成本的模型預(yù)測(cè)控制,減少了紅燈停車次數(shù),提高了一組車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性;J.HAN等[8]提出了一種在保證車輛安全約束前提下,實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化車輛最佳加減速的安全環(huán)保駕駛控制系統(tǒng),該方法在不增加行車時(shí)間的情況下,能顯著降低能耗,避免碰撞。

      目前研究中任存在一些不足:①僅僅考慮對(duì)車速進(jìn)行規(guī)劃而不考慮依據(jù)汽車特性進(jìn)行控制;②雖考慮了在車速規(guī)劃基礎(chǔ)上進(jìn)行控制,但是采用的基于全局優(yōu)化的控制方法計(jì)算復(fù)雜、缺少工況適應(yīng)性。因此,筆者針對(duì)一個(gè)V2I場(chǎng)景,以提高車輛通行效率、舒適性和經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo),擬提出一種將車速規(guī)劃與車速控制相結(jié)合的方法,并通過仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

      1 研究場(chǎng)景與思路

      1.1 V2I場(chǎng)景設(shè)置

      研究客車直線通過支持V2I的交通路段,搭建的車聯(lián)網(wǎng)駕駛環(huán)境如圖1。場(chǎng)景全長(zhǎng)3 316 m,共6個(gè)紅綠燈路口,客車主要在車聯(lián)網(wǎng)中作為信息接收方,路口的紅綠燈作為信息的發(fā)送方。紅綠燈主要發(fā)送的信息包括紅綠燈ID,紅綠狀態(tài)Tf,紅燈開始時(shí)間Tr,綠燈開始時(shí)間Tg和位置坐標(biāo)。一個(gè)信號(hào)周期為Tp,包括綠燈周期Tgp和紅燈周期Trp。

      圖1 研究的V2I場(chǎng)景

      1.2 研究思路

      在V2I場(chǎng)景中,首先需利用紅綠燈信號(hào)規(guī)劃客車速度,以解決客車路口怠速問題,因此要計(jì)算參考車速;其次為了改善駕駛舒適性和經(jīng)濟(jì)性,采用MPC對(duì)客車進(jìn)行車速的追蹤控制??蓪⒕W(wǎng)聯(lián)客車的控制分為兩層:第一層為車速規(guī)劃層,主要計(jì)算參考車速;第二層為車速控制層,主要利用MPC控制汽車。研究思路如圖2。

      圖2 研究思路

      在具有V2I網(wǎng)絡(luò)的交通路口中,首先將紅綠燈相位信息發(fā)送給客車,先進(jìn)行車速規(guī)劃,即利用紅綠燈信息與客車當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)計(jì)算參考車速,再以參考車速為目標(biāo)基于MPC對(duì)客車進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)客車對(duì)參考車速的追蹤。而被控客車的狀態(tài)又反饋給車速規(guī)劃層和車速控制層,重新計(jì)算參考車速并重新進(jìn)行MPC控制。

      2 參考車速

      客車接收到紅綠燈信號(hào)后,便開始計(jì)算參考車速范圍,計(jì)算流程如圖3。

      圖3 參考車速計(jì)算流程

      在參考車速計(jì)算中需要確定合理的接收距離,設(shè)接收紅綠燈信號(hào)的距離為接收距離d。接收距離過大會(huì)造成計(jì)算資源浪費(fèi),接收距離過小則導(dǎo)致控制不及時(shí)??紤]客車需要足夠的控制時(shí)間,則接收距離d的確定如式(1):

      d=Tp×v0

      (1)

      式中:v0為客車勻速路段巡航車速,同時(shí)也是接受距離外的參考車速,取v0=30 km/h;Tp為當(dāng)前路口紅綠燈的信號(hào)周期,設(shè)計(jì)各路口紅綠燈的周期在25~30 s之間。

      通過路口的參考速度,由客車與交通信號(hào)燈的當(dāng)前距離和交通信號(hào)燈的相位共同決定,主要遵循原則為:①保持當(dāng)前速度能在紅燈前通過路口;②在保證駕駛舒適性前提下,以允許的最大加速度加速至道路最大限制車速,并在綠燈結(jié)束前通過路口;③減速至最低車速(指客車在紅燈剩余時(shí)間內(nèi)勻速行駛剛好到達(dá)路口的車速)在下一次綠燈來臨時(shí)通過路口。這樣就能避免客車在路口前進(jìn)入怠速工況。

      根據(jù)客車與交通信號(hào)燈的當(dāng)前距離(取距離的絕對(duì)值ds)是否進(jìn)入接收距離的范圍,計(jì)算分兩種情況。

      2.1 進(jìn)入接收距離范圍

      (2)

      (3)

      (4)

      (5)

      式中:fn為n/2的向上取整值,即fn總是大于或等于n/2。

      為了減少出行時(shí)間,參考車速vref應(yīng)該以盡可能大,參考車速計(jì)算如式(6):

      (6)

      2.2 未進(jìn)入接收距離范圍

      此時(shí)客車經(jīng)過停車線進(jìn)入路口段,應(yīng)該讓客車以盡可能大的車速通過,若此時(shí)參考車速大于巡航車速v0,則保持當(dāng)前車速不變;若此時(shí)參考車速小于巡航車速v0,則有:

      vref=v0

      (7)

      3 變權(quán)重的車速M(fèi)PC控制

      3.1 預(yù)測(cè)模型的建立

      在研究V2I應(yīng)用場(chǎng)景時(shí),主要考慮客車在縱向上的行駛情況,可以用汽車縱向動(dòng)力學(xué)來預(yù)測(cè)客車的縱向車速。汽車動(dòng)力學(xué)模型如式(8):

      (8)

      式中:δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);m為客車質(zhì)量;FD為總驅(qū)動(dòng)力;i0為主減速比;ig為變速器傳動(dòng)比;Fb為制動(dòng)力;Fr為行駛阻力,包括空氣阻力,滾動(dòng)阻力和坡道阻力,F(xiàn)r計(jì)算如式(9):

      (9)

      式中:CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積;v為車速;g為重力加速度;θ為坡道傾斜角;μ為滾動(dòng)阻力系數(shù)。研究主要考慮在水平路面,取θ=0。

      設(shè)TS為采樣周期,對(duì)式(8)、式(9)進(jìn)行離散化,得到式(10)的離散狀態(tài)方程,即為預(yù)測(cè)模型。

      x(k+1)=Ax(k)+Bμ(k)+Dφ(k)

      (10)

      3.2 滾動(dòng)優(yōu)化函數(shù)

      選取的目標(biāo)函數(shù)包含4項(xiàng),分別是客車參考車速的跟隨、加速度、沖擊度和制動(dòng)力。參考車速的跟蹤是為了提高路口的通過率,客車的加速度和沖擊度是為了提高舒適性,而制動(dòng)力是對(duì)經(jīng)濟(jì)性的間接體現(xiàn),較小的制動(dòng)力可避免能量浪費(fèi)。目標(biāo)函數(shù)J(t)為4項(xiàng)的加權(quán)和,如式(11):

      ω2[a(t)]2+ω3[Jerk(t)]2+ω4[Fb(t)]2}

      (11)

      式中:k為MPC的預(yù)測(cè)步長(zhǎng);ω1,ω2,ω3和ω4是各項(xiàng)的權(quán)重系數(shù);v(t)為車速;a(t)為加速度;Jerk(t)是車輛縱向加速度的變化率[9],即沖擊度,不同沖擊度對(duì)舒適性影響顯著,為不影響乘客舒適感,沖擊度不應(yīng)該超過±2.94 m/s3[10]范圍。

      采用固定的權(quán)重系數(shù),就不能在工況變化時(shí)同時(shí)滿足出行時(shí)間與駕駛舒適性。因此設(shè)計(jì)了變權(quán)重方法,選取需滿足以下原則:①當(dāng)參考車速vref與實(shí)際車速v差值(用差值的絕對(duì)值vs表示)較小時(shí),主要目標(biāo)為加強(qiáng)追蹤參考車速的能力,即適當(dāng)選取較大的ω1;②當(dāng)vs較大時(shí),此時(shí)因變速會(huì)造成較大的沖擊度,因此主要提高舒適性,即適當(dāng)選取較大的ω2和ω3;③權(quán)重系數(shù)的選取要有明確上下限,避免過大ω2和ω3帶來沖擊度震蕩,過小的ω1會(huì)帶來追蹤目標(biāo)速度的變化不明顯,造成不必要的算力浪費(fèi);④當(dāng)處于加速狀態(tài)時(shí),為減少制動(dòng)力的出現(xiàn)頻率,取較大的ω4。

      權(quán)重系數(shù)ω1、ω2和ω3的在不同車速差時(shí)的選取如式(12)~(14):

      當(dāng)0.2

      (12)

      當(dāng)0.2≥vs,則:

      (13)

      當(dāng)1.1≤vs,則:

      (14)

      權(quán)重系數(shù)的ω4選取如式(15):

      (15)

      3.3 約束條件

      在利用模型預(yù)測(cè)控制進(jìn)行客車車速跟蹤時(shí),還需要滿足一些狀態(tài)約束,以避免求解得到無法實(shí)施的控制量或出現(xiàn)控制狀態(tài)不理想的情況。

      加速度的約束為:

      amin≤a(t)≤amax

      (16)

      考慮駕駛舒適性,加速度宜在±1.6 m/s2范圍內(nèi)[11]。

      制動(dòng)力Fb最大值由客車最大制動(dòng)力決定,F(xiàn)D是客車的總驅(qū)動(dòng)力,它的最大值由發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)MAP依據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速nrpm決定,即:

      0≤FD(t)≤Fmax

      (17)

      0≤Fb(t)≤Fb_max

      (18)

      客車的車速約束為:

      0≤v(t)≤vmax

      (19)

      4 仿真與結(jié)果分析

      4.1 仿真模型的搭建

      采用Prescan與simulink聯(lián)合建模進(jìn)行仿真。Prescan主要搭建交通場(chǎng)景, Simulink主要處理V2I下的信息交互和計(jì)算處理,即建立參考車速計(jì)算模型、MPC控制模型和被控對(duì)象的模型。使用序列二次規(guī)劃(SQP)求解非線性的MPC目標(biāo)函數(shù),調(diào)用MATLAB的求優(yōu)函數(shù)進(jìn)行求解。聯(lián)合仿真模型主體如圖4,仿真參數(shù)如表1。

      圖4 V2I車速規(guī)劃與控制仿真模型

      表1 仿真參數(shù)表

      4.2 結(jié)果分析

      為了便于分析,對(duì)比了兩種情況:①控制層采用相同方法(采用PI),而速度規(guī)劃層分別采用傳統(tǒng)駕駛規(guī)劃[12]和筆者的網(wǎng)聯(lián)速度規(guī)劃方法,相應(yīng)的方法簡(jiǎn)稱為傳統(tǒng)規(guī)劃和網(wǎng)聯(lián)規(guī)劃;②速度規(guī)劃層都采用網(wǎng)聯(lián)速度規(guī)劃,而控制層分別采用PI控制和MPC控制,對(duì)應(yīng)的方法分別簡(jiǎn)稱為網(wǎng)聯(lián)-PI和網(wǎng)聯(lián)-MPC。

      4.2.1 通行效率對(duì)比

      通行效率由車速規(guī)劃層所采用的方法決定。將傳統(tǒng)規(guī)劃與網(wǎng)聯(lián)規(guī)劃的通行時(shí)間和通行速度進(jìn)行對(duì)比,分別如圖5、圖6。

      圖5 通行時(shí)間對(duì)比

      圖6 車速對(duì)比

      圖5中的灰色虛線表示紅綠燈的狀態(tài),其中灰色虛線部分代表紅燈時(shí)間窗口,空白部分代表綠燈時(shí)間窗口。由圖5可知:在同樣的駕駛行程中,傳統(tǒng)規(guī)劃方法耗時(shí)450.30 s,而網(wǎng)聯(lián)規(guī)劃耗時(shí)398.25 s,比傳統(tǒng)規(guī)劃方法節(jié)省了52.05 s。傳統(tǒng)規(guī)劃在6個(gè)紅綠燈口共出現(xiàn)了5次怠速,而網(wǎng)聯(lián)規(guī)劃能在綠燈結(jié)束時(shí)進(jìn)行加速,或者在紅燈結(jié)束時(shí)進(jìn)行減速通過十字路口,因此能減少許多怠速情況的發(fā)生,減少了出行時(shí)間,這說明經(jīng)網(wǎng)聯(lián)車速規(guī)劃后,相比傳統(tǒng)車的駕駛模式,能顯著降低乘客的出行時(shí)間。

      圖6為傳統(tǒng)駕駛與網(wǎng)聯(lián)規(guī)劃0~130 s內(nèi)的通行時(shí)速對(duì)比,通行速度情況經(jīng)整理后可得:網(wǎng)聯(lián)規(guī)劃平均車速為29.38 km/h,最大車速為36.93 km/h超過巡航車速v0(30 km/h),而傳統(tǒng)規(guī)劃平均車速為25.98 km/h,最大車速29.91 km/h,接近給定的巡航車速v0,并且在60~80 s內(nèi)發(fā)生了第一次怠速工況。網(wǎng)聯(lián)規(guī)劃方法避免了停車怠速情況的發(fā)生,使車速維持在一個(gè)較高水平,提高了通行效率。

      4.2.2 舒適性對(duì)比

      舒適性由車速控制層的控制方法決定。將網(wǎng)聯(lián)-PI與網(wǎng)聯(lián)-MPC的加速度和沖擊度進(jìn)行對(duì)比,分別如圖7和圖8。

      圖7 加速度對(duì)比

      圖8 沖擊度對(duì)比

      圖7中的加速度情況經(jīng)整理后可得:網(wǎng)聯(lián)-PI平均加速度為0.021 m/s2,最大加速度為7.701 m/s2,最大減速度為-3.650 m/s2,并且最大減速度頻繁出現(xiàn);雖然網(wǎng)聯(lián)-MPC平均加速度也是0.021 m/s2,但與網(wǎng)聯(lián)-PI相比,其最大加速度為1.600 m/s2,最大減速度為-0.246 m/s2,分別降低了79.22%、93.26%。并且在行駛過程中網(wǎng)聯(lián)-MPC的加減速度都在±1.6 m/s2的范圍內(nèi),滿足加速度對(duì)舒適性的影響要求。因此,顯然網(wǎng)聯(lián)-MPC的優(yōu)勢(shì)更大。

      圖8中的沖擊度情況經(jīng)整理后可得:網(wǎng)聯(lián)-PI的最大加速?zèng)_擊度為106.359 m/s3,最大減速?zèng)_擊度為-73.001 m/s3,都遠(yuǎn)高于網(wǎng)聯(lián)-MPC的加速和減速?zèng)_擊度,并且網(wǎng)聯(lián)-PI沖擊度變化劇烈且頻繁。此外網(wǎng)聯(lián)-MPC的最大加速?zèng)_擊度為7.733 m/s3,且僅出現(xiàn)在起步階段,而最大減速?zèng)_擊度為-2.643 m/s3,與網(wǎng)聯(lián)-PI相比,分別減少了92.73%和96.38%。并且在行駛過程中除起步階段外,網(wǎng)聯(lián)-MPC的沖擊度都沒超過±2.94 m/s3,因此在保證舒適性方面都遠(yuǎn)比網(wǎng)聯(lián)-PI控制的對(duì)象要好。

      無論是從加速度還是沖擊度的角度考慮對(duì)舒適性的影響,都可以說明經(jīng)由網(wǎng)聯(lián)-MPC控制的車能更好的滿足舒適性要求。

      4.2.3 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

      經(jīng)濟(jì)性由車速控制層的控制方法決定,以行駛中制動(dòng)力使用情況來表征經(jīng)濟(jì)性。將網(wǎng)聯(lián)-PI與網(wǎng)聯(lián)-MPC的制動(dòng)力進(jìn)行對(duì)比,如圖9。

      圖9中的制動(dòng)力情況經(jīng)整理后可得:網(wǎng)聯(lián)-PI的平均制動(dòng)力為297.504 N,最大制動(dòng)力為65 000.000 N,且多次達(dá)到了客車最大制動(dòng)力值;網(wǎng)聯(lián)-MPC控制下的平均制動(dòng)力為149.378 N,最大制動(dòng)力為2 098.423 N,與網(wǎng)聯(lián)-PI相比,分別降低了49.79%和96.77%。這表明在整個(gè)行駛里程上,客車所用的制動(dòng)更少,制動(dòng)強(qiáng)度更小,減少了能量的損耗,提高了經(jīng)濟(jì)性。

      圖9 制動(dòng)力對(duì)比

      5 結(jié) 論

      針對(duì)城市交叉口復(fù)雜的交通場(chǎng)景,提出了一種提高通行效率的車速規(guī)劃和設(shè)計(jì)了變權(quán)重系數(shù)的車速M(fèi)PC控制方法,所得結(jié)論如下:

      1)在通行效率方面,在相同的行駛里程里,由于網(wǎng)聯(lián)客車能維持在較高車速且不發(fā)生路口怠速,相比傳統(tǒng)客車節(jié)省更多的時(shí)間。

      2)在舒適性方面,網(wǎng)聯(lián)-MPC控制策略的加速度和沖擊度分別控制在較佳的范圍內(nèi)。與網(wǎng)聯(lián)-PI控制策略相比,網(wǎng)聯(lián)-MPC控制策略的最大加減速度分別降低了79.22%、93.26%,最大加減速?zèng)_擊度分別降低了92.73%和96.38%。相對(duì)于網(wǎng)聯(lián)-PI的控制策略,網(wǎng)聯(lián)-MPC的控制策略舒適性更高。

      3)在經(jīng)濟(jì)性方面,與網(wǎng)聯(lián)-PI控制策略相比,網(wǎng)聯(lián)-MPC控制策略的平均制動(dòng)力和最大制動(dòng)力分別降低了49.79%和96.77%,使得更少制動(dòng)情況發(fā)生,且制動(dòng)情況更為緩和,改善了經(jīng)濟(jì)性。

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      快樂語文(2018年25期)2018-10-24 05:38:42
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      神奇的紅綠燈
      會(huì)說話的紅綠燈
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