[发明专利]一种基于信息物理系统的车辆广播通信控制方法

权利要求书

1.一种基于信息物理系统的车辆广播通信控制系统，其特征在于：包括多传感器模块、状态估计器、航迹推算模块和通信调度单元；多传感器模块负责接收当前时刻车辆传感器的测量信息并通过通信手段获得外部测量装置返回的状态信息；状态估计器利用状态估计方法，对车辆广播所需要的位置坐标、偏航角和速度进行估计，获得精确的车辆行驶信息；航迹推算模块保存周围车辆广播的状态信息和车辆自身最新一次的广播数据，并在信息更新间隔内，根据运动学方程推算当前的状态；通信调度单元通过结合估计器和航迹推算模块的输出，生成动态的事件触发条件并对车辆的广播行为进行控制；所述车辆广播至周围车辆的数据类型包括坐标、偏航角、速度和加速度；由于加速度受驾驶员行为的控制，不对车辆的加速度进行估计；

可变状态估计器估计状态的数据类型为位置坐标、偏航角和速度；所述多传感器模块的数据类型包括各车载传感器测量的车辆行驶数据，以及外部单元测量的车辆状态信息；综合数据类型得到车辆观测空间形式如下：

S＝(U^m,Z^m)             (1)

其中，U^m表示对于估计状态的直接观测量，Z^m表示对于估计状态的间接观测量；

所述可变状态估计器是一个混杂卡尔曼滤波结构，包括以下步骤：

S1、根据车辆的动力学模型建立对应的状态空间方程和观测方程；

S2、处理估计状态的直接观测量U^m，融合对于同一状态的多个测量值；

S3、利用扩展混杂卡尔曼滤波实现对于车辆状态的估计；

S4、处理估计状态的间接观测量Z^m，使用迭代估计的方法，提高估计结果的准确度；

在估计状态的间接观测量Z^m中，存在两组针对同一状态量的观测值M_i和M_j，协方差矩阵为P_i和P_j，其融合方程为：

K＝P_i(P_i+P_j)^-1                (2)

M＝M_i+K(M_j-M_i)             (3)

P＝(1-K)P_i                     (4)

其中，K表示数据融合的混杂卡尔曼增益，M和P分别为融合后的等效观测量和其对应的协方差矩阵；

根据每个车辆的动力学模型，将其状态空间方程和观测方程记为f和h，则对广播通信所需的状态量进行估计的混杂卡尔曼滤波方程如下：

K_k+1＝P_k+1,kH^T(HP_k+1,kH^T+R_k+1)^-1                  (8)

P_k+1＝(I-K_k+1H)P_k+1,k                     (10)

其中，在k时刻，方程(5)通过当前的状态估计值和经过S2处理之后的等效观测值U_k，得到k+1时刻的先验估计值方程(6)通过k时刻的状态的误差协方差矩阵P_k和经过S2处理之后等效观测值的误差协方差矩阵Q_k，得到k+1时刻的先验预测值的误差协方差矩阵P_k+1,k；在k+1时刻，方程(7)对车辆的观测方程h进行线性化，得到观测矩阵H；方程(8)通过先验预测值的误差协方差矩阵P_k+1,k和直接观测量的误差协方差矩阵R_k+1，得到k+1时刻的混杂卡尔曼增益K_k+1；方程(9)通过直接对于估计状态的观测量Z_k+1和先验预测值得到车辆在k+1时刻的状态估计值方程(10)通过k+1时刻的混杂卡尔曼增益K_k+1和先验预测值的误差协方差矩阵P_k+1,k，得到k+1时刻的估计误差协方差矩阵P_k+1；

若直接对于估计状态的观测量Z_k+1中包含多个对同一状态的测量值，则将当前时刻的估计结果，作为当前时刻的先验估计值代入方程(8)、(9)、(10)进行更新，反复迭代，直至完成对直接观测量中所有重复测量值的更新，得到最后的估计结果；

所述航迹推算模块会保存车辆自身和周围车辆最新一次的广播信息，并为每辆车辆设置单独的子推算单元；在更新保存状态的时间间隔内，其运动学推算方程为：

其中，η表示加速度衰减系数，根据实际情况进行选择，但需要保证在通信范围内，所有车辆对本车的η取值必须相同，其取值范围为(0,1)；[x₀,y₀,θ₀,v₀,a₀]^T表示航迹推算模块内存储的某车辆最新广播的数据；则[x_k,y_k,θ_k,v_k,a_k]^T表示在第k时刻，航迹推算模块推算出的车辆当前状态；

所述调度单元以状态估计器的估计状态和航迹推算模块的推算结果作输入，比较得到各状态量的推算误差，并结合状态估计器的估计结果，动态生成触发阈值；当推算误差超过触发阈值时，车辆广播自身的状态信息，以同步更新本车和周围车辆的航迹推算模块中的数据；使用“≥”和“≤”表示两个矩阵间各元素的大小关系，则调度单元的触发条件为：

其中，表示第k时刻状态估计器的估计结果，表示第k时刻航迹推算模块的输出结果；表示推算误差；

对于车辆的位置坐标信息，采用相对车辆的横向误差和纵向误差来表示车辆位置坐标的推算误差，则推算误差为：

其中，表示第k时刻航迹推算模块的输出结果，表示第k时刻可变状态估计器的估计结果；采用的误差变量包括横向误差ε_lat，纵向误差ε_long，角度误差ε_θ，速度误差ε_v；

根据拉依达准则，得到所述状态估计器的理论最大偏差满足：

其中代表状态估计器输出的单个状态的估计结果，e_i是状态值X_i所对应的误差的标准差；基于公式13以及误差的事件触发模型，得到动态事件触发阈值为：

其中，Tr_long,Tr_lat,Tr_θ,Tr_v分别为可容忍的横向误差，纵向误差，角度误差和速度误差上界，根据实际情况进行调整；e_x,k,e_y,k,e_θ,k,e_v,k分别为第k时刻可变状态估计器得到的误差的协方差矩阵P_k的主对角线各元素的标准差。