[0001] 本发明涉及智能交通技术领域，尤其是涉及动态事件触发机制的固定时间收敛编队控制系统和方法。

[0002] 近年来，随着城市交通参与者增多，交通拥堵和事故频发，其制约着城市经济发展和人民的安全。为了解决此问题，自动驾驶技术应运而生。车辆编队控制技术作为自动驾驶技术的重要组成部分，将车辆组织成编队，避免了拥堵路段急刹，相互争抢导致的拥堵和事故，在十字路口，拥堵路段等场景下能够使车辆高效率，安全地通过拥堵路段。

[0003] 目前车辆编队控制策略包括领导者‑跟随者法、虚拟结构法和人工势场法等。编队控制器主要从渐进收敛，指数收敛，有限时间收敛等角度进行设计。编队通信机制主要包括基于固定周期触发和基于事件触发等。

[0004] 从车辆编队控制策略角度来说，领导者‑跟随者法的实现过程为：系统中存在一个或多个领导者，跟随者以领导者作为参考进行控制。但是跟随者控制协议依赖于领导者，当领导者出现故障时，编队系统将立刻崩溃，此外，领导者没有跟随者的状态信息反馈，致使系统鲁棒性差。

[0042] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0043] 为便于对本实施例进行理解，下面对本发明实施例进行详细介绍。

[0044] 实施例一：

[0045] 图1为本发明实施例一提供的动态事件触发机制的固定时间收敛编队控制系统示意图。

[0046] 参照图1，该系统包括：上游模块1、固定时间编队控制器2、车联网模块3和V2X路端模块4，其中，上游模块1包括决策模块11；

[0047] 上游模块1、车联网模块3分别与固定时间编队控制器2相连接，上游模块1和V2X路端模块4分别与车联网模块3相连接；

[0048] 上游模块1，用于获取场景信息；

[0049] 这里，场景信息包括现有编队信息、车辆信息、定位信息、地图信息和障碍物信息中的一种或几种。上游模块1还包括定位模块、地图模块和感知模块等。

[0050] 本申请中的固定时间编队控制器2设置在控制模块中，固定时间编队控制器2用于接收定位模块、地图模块、感知模块和车联网模块发送的信息。

[0051] 决策模块11，用于判断场景信息是否满足编队条件，如果满足，则通过车联网模块3向V2X路端模块4发送编队请求信息；

[0052] 这里，如果不满足，则继续保持自主自动驾驶。

[0053] V2X路端模块4，用于根据编队请求信息确定新成员加入编队后，初始化固定时间编队控制器，并获取编队通信拓扑图和编队成员车辆状态信息；根据编队通信拓扑图和编队成员车辆状态信息构建新的通信拓扑图，依据新的通信拓扑图与邻居节点的车辆建立通信；

[0054] 获取邻居节点的状态信息和期望队形；根据邻居节点的状态信息和期望队形建立基于动态事件触发机制的固定时间编队控制器。

[0055] 具体地，V2X路端模块4进行安全性检查后，同意新成员加入编队，则开始初始化固定时间编队控制器2；如果不同意，则继续保持自主自动驾驶。根据编队通信拓扑图和编队成员车辆状态信息构建新的通信拓扑图，新的通信拓扑图具备连通性和安全冗余。连通性是指新的通信拓扑图满足连通性要求，同时考虑安全冗余，每个编队成员至少具备两个邻居，当其中一个邻居状态信息不可信时，采用另一个邻居状态信息作为控制律的更新计算。参照图2，虚线为欲建立(入队)的拓扑关系，当编队中有成员进行入队时，需要建立具备连通性和安全冗余的通信拓扑关系，保证入队后的编队系统仍然可以安全地运行。参照图3，虚线为欲解除(离队)的拓扑关系，当编队中有成员进行离队时，需要建立具备连通性和安全冗余的通信拓扑关系，保证离队后的编队系统仍然可以安全地运行。其中，ego为自车。

[0056] 新的通信拓扑图与邻居节点的车辆建立通信，初始化信息交互数据实例包括自车位置、朝向和意图等信息。

[0057] 进一步的，固定时间编队控制器2包括云端控制器和自车编队控制器，自车编队控制器包括内环控制器和外环控制器。

[0058] 外环控制器主要负责根据邻居状态和自身状态，采用根据自车的状态信息、邻居节点的状态信息和期望队形，计算自车期望控制量(期望车辆速度和期望朝向)，并下发给内环控制器。同时负责与车联网模块的交互，将自车的状态信息和邻居节点的状态信息更新到V2X路端模块中。

[0059] 内环控制器负责更具车辆运动学和动力学对车辆进行更精确地控制，此部分采用车辆原始的控制器即可，例如MPC，LQR，PID等。

[0060] 进一步的，决策模块11，用于判断已组建编队与最近编队的欧氏距离是否满足要求、是否超过最大编队数量阈值、车辆是否处于可建队场景中、车联网模块是否得到进队请求，以及V2X路端模块是否满足建队要求；如果满足，则通过车联网模块向V2X路端模块发送编队请求信息。

[0061] 进一步的，每个编队成员设置有对应的事件触发控制器，并且每个事件触发控制器管理对应的编队成员的动态变量；

[0062] V2X路端模块4，用于当检测到满足事件触发条件时，使事件触发控制器更新动态变量，根据动态变量和误差项计算触发结果。

[0063] 这里，当满足事件触发条件时，V2X路端模块4才会下发状态更新命令给编队成员。

[0064] 进一步的，外环控制器，用于获取自车的状态信息；根据自车的状态信息、邻居节点的状态信息和期望队形，计算自车的期望车辆速度和期望朝向，并将期望车辆速度和期望朝向发送给内环控制器；

[0065] 其中，邻居节点的状态信息为邻居节点最近触发时刻的状态信息。

[0066] 进一步的，内环控制器，用于根据期望车辆速度和期望朝向计算底层执行机构的控制输入，其中，底层执行机构包括方向盘、油门和刹车。

[0067] 具体地，检测事件触发器的输出，若为更新命令，则将自车的期望车辆速度和期望朝向发送给内环控制器，内环控制器进行更精确地跟踪控制。

[0068] 内环控制器根据期望车辆速度和期望朝向计算底层执行机构的控制输入，最后外环控制器负责将自车的状态信息和邻居节点的状态信息发送到车联网模块中，供与V2X路端模块的交互。

[0069] 固定时间编队控制器和动态事件触发机制具体设计如下：

[0070] 第一，预处理：在图2和图3中，基于图论将编队系统描述成无向拓扑连通图，初始化编队系统邻接矩阵，拉普拉斯矩阵等信息。

[0071] 第二，为了权衡整个编队系统的计算效率和控制精度，外环控制器采用数值模型近似车辆动力学模型，仅考虑成员的位置和速度，参照公式(1)：

[0072]

[0073] 其中，f(t,x(t)):R+×RN→RN是非线性函数，用来描述系统的非线性项。di(t)为外T N N界未知扰动，控制输入为u(t)＝[u1(t),u2(t),…,uN(t)]∈R ，R+为一维正实数域，R为N维实数域，i为编队中成员编号。

[0074] 编队系统在固定时间收敛到期望队形的数学形式参照公式(2)：

[0075]

[0076] 其中，通过F＝{ε1,ε2,…,εN}描述期望队形，εi为表示成员i的期望位置的向量。

[0077] 第三，固定时间编队控制器的计算结果参照公式(3)、(4)和(5)：

[0078]

[0079]

[0080]

[0081] 其中，aij为邻接矩阵元素，下标为i和j，zi(t)＝xi(t)‑εi，01是正奇数之比，α，β，c，d是正常数，均为控制器参数，为成员i的第k次事件触发时刻， 为成员j的最近事件触发时刻， 为成员i的控制输入，即固定时间编队控制器的计算结果，sgn(·)为符号函数。

[0082] 目前，从现有的固定时间编队控制器的性能角度来说，目前主要分为渐进收敛，有限时间收敛。渐进时间收敛虽然能够确保收敛，但其收敛时间不确定，并且性能容易受到通信周期和质量影响。有限时间收敛虽然收敛时间存在上限，但是编队系统收敛时间依赖于各成员的初始状态，在部分成员初始状态未知或不可信时，将不再适用。

[0083] 而本申请中，固定时间编队控制器包括外环控制器，上述过程为外环控制器根据自车的状态信息和邻居节点的状态信息计算编队成员的控制输入，该算法满足固定时间收敛的性质，可通过固定时间稳定性判据进行理论证明。本申请在有限时间收敛存在上限的基础上，不依赖于各成员的初始状态。

[0084] 第四，动态事件触发机制：定义的动态变量参照公式(6)：

[0085]

[0086] 其中，ai，bi>0，δi∈(0,1]，σi∈(0,1]，01是正奇数之比均为事件触发器参数， 为动态变量ηi(t)的微分。

[0087] 误差项hi(t)参照公式(7)：

[0088]

[0089] 动态事件触发机制形式参照公式(8)：

[0090]

[0091] 其中，表示成员i的第k次触发时刻，σmax＝max{σi,i＝1,…N}， k＝1,2,…，θi>0，i＝1,2,…,N，ρ均为事件触发器参数。λ2为系统拉普拉斯矩阵的特征值，由编队拓扑图的拉普拉斯矩阵确定。

[0092] 目前大部分基于事件触发机制方案中，事件触发机制的阈值是恒定不变的，这将造成不必要的事件和控制器更新，占用系统的通信和计算资源，并且会遗漏重要的邻居信息，进而降低整体编队性能。

[0093] 本申请中，上述过程为V2X路端模块中事件触发控制器的核心算法，事件触发控制器中维护着动态变量。从事件触发机制的形式可以看出，事件触发的阈值不是恒定不变的，是由与系统状态相关的动态变量决定的，确保编队性能的同时减少对计算和通信资源的占用，进而达到动态事件触发的效果。

[0094] 另外，现有的车辆编队控制策略的虚拟结构法将整个车辆编队系统看成一个几何刚体，该方法队形比较固定，避障时队形难以变换，因此只能编队整体避障。

[0095] 人工势场法依据编队成员和环境建立势场，但是势场函数设计复杂，难以精确描述环境且易发生局部极小值问题。

[0096] 从车辆编队通信机制角度来说，基于固定周期的触发机制方法易发生数据阻塞，难以应对通信时滞，丢包等问题。

[0097] 本申请结合车联网模块和V2X路端模块，实现一种可扩展，计算效率高的分布式自组织编队的方法，V2X路端模块负责事件触发器的更新，协调队内成员间的信息交互，V2X路端模块还负责控制量的运算，计算效率高，具备良好的可拓展性。

[0098] 本申请相比于其他编队控制系统，该系统不依赖于领导者，扩展性和容错性强，具备较好的鲁棒性。相较于固定周期触发和事件触发机制来说，分布式动态事件触发机制可以减少对计算和通信资源的占用。采用分布式的固定时间编队控制器能够使系统在收敛时间存在上限且不依赖于系统的初始状态，能够应用于对编队形成时间有精确要求的应用场景。

[0099] 在模拟测试中，该系统可以在固定时间内收敛到期望队形，相比于静态事件触发机制，可明显地减少事件的次数，减少对通信和计算资源的占用，同时无芝诺现象。固定时间编队控制器能够在减少对通信和计算资源占用的同时，保证较快的收敛速度，权衡了计算资源和编队性能。

[0100] 实施例二：

[0101] 图4为本发明实施例二提供的动态事件触发机制的固定时间收敛编队控制方法流程图。

[0102] 参照图4，该方法包括以下步骤：

[0103] 步骤S101，获取场景信息；

[0104] 步骤S102，判断场景信息是否满足编队条件；如果满足，则执行步骤S103；如果不满足，则执行步骤S104；

[0105] 步骤S103，发送编队请求信息；

[0106] 步骤S104，继续保持自主自动驾驶；

[0107] 步骤S105，根据编队请求信息确定新成员加入编队后，初始化固定时间编队控制器；

[0108] 步骤S106，获取编队通信拓扑图和编队成员车辆状态信息；

[0109] 步骤S107，根据编队通信拓扑图和编队成员车辆状态信息构建新的通信拓扑图，依据新的通信拓扑图与邻居节点的车辆建立通信；

[0110] 步骤S108，获取邻居节点的状态信息和期望队形；

[0111] 步骤S109，根据邻居节点的状态信息和期望队形建立基于动态事件触发机制的固定时间编队控制器。

[0112] 图5为本发明实施例二提供的另一动态事件触发机制的固定时间收敛编队控制方法流程图。

[0113] 参照图5，该方法包括以下步骤：

[0114] 步骤S201，当检测到满足事件触发条件时，使事件触发控制器更新动态变量；

[0115] 步骤S202，根据动态变量和误差项计算触发结果；

[0116] 这里，步骤S201和步骤S202是由V2X路端模块执行的。

[0117] 步骤S203，获取自车的状态信息、邻居节点最近触发时刻的状态信息、期望队形和触发结果；

[0118] 步骤S204，检测是否满足触发条件；如果是，则执行步骤S205；如果否，则执行步骤S206；

[0119] 步骤S205，根据自车的状态信息、邻居节点的状态信息和期望队形，计算自车的期望车辆速度和期望朝向；

[0120] 步骤S206，保持最近触发时刻的输出；

[0121] 步骤S207，将自车的期望车辆速度和期望朝向发送给内环控制器进行跟踪控制；

[0122] 步骤S208，内环控制器根据期望车辆速度和期望朝向计算底层执行机构的控制输入。

[0123] 这里，步骤S203至步骤S208是由自车编队控制器执行的。其中，自车编队控制器包括外环控制器和内环控制器。

[0124] 本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例提供的动态事件触发机制的固定时间收敛编队控制方法的步骤。

[0125] 本发明实施例还提供一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，计算机可读介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行上述实施例的动态事件触发机制的固定时间收敛编队控制方法的步骤。

[0126] 本发明实施例所提供的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

[0127] 所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

[0128] 另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0129] 所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read‑Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

[0130] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0131] 最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。