CN103761371A - 一种基于模型参考的车辆跟驰系统自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于车辆跟驰控制技术领域，具体涉及到车辆跟驰系统参考模型的建立，基于车距和速度的跟驰状态的划分，以及各具体跟驰状态下后车行为的自适应优化问题。包括如下实施步骤：1、建立车辆跟驰系统模型；2、建立车辆跟驰控制的参考模型；3、动态安全车距的实时计算；4、根据当前具体的车辆跟驰状态，选择相应的后车行为调整数学模型，实时计算车辆跟驰系统的控制律；5、控制律实施，实现后车行为调整；6、后车行为调整过程中实时检测跟驰系统所属的跟驰状态，转步骤4，循环执行。后车在追踪前车运行过程中，根据当前跟驰状态和车辆性能、行为与车距信息，实时计算调整自身行为的控制律，进而实现安全、高效和平稳（舒适）地跟驰运行。

Description

一种基于模型参考的车辆跟驰系统自适应控制方法

技术领域

本发明属于交通运输系统车辆跟驰控制技术领域，具体涉及到车辆跟驰系统参考模型的建立，基于车距和速度的跟驰状态的划分，以及各具体跟驰状态下后车行为的数学模型及自适应优化问题。

背景技术

自适应控制（Adaptive cruise control，ACC）应用于车辆跟驰系统已经有数十年了。很多研究者致力于自适用控制技术与其他先进技术相结合以改善跟驰的安全性、高效性和行为调整的平稳（舒适）性。当前，自适应巡航控制仍然是车辆跟驰控制研究领域的热点问题。Desjardins和 Chaib-draa利用函数近似技术求解车辆自适应巡航系统的控制策略，使得车辆跟驰系统的安全性得到很大的保障，但未对跟驰效率给予足够的讨论。Li等几位学者提出车辆自适应巡航系统的递阶控制模型，但制动距离确定为恒定的5米似有不妥之处。Dunbar和Caveney提出分布式回归控制算法来处理车辆编队运行的非线性控制问题，由于恒定的期望车距与实际情形存在差异，在安全、高效为主要性能指标的车辆行为综合优化上可能还存在一些难尽人意的地方。Somda和Cormerais 极其重视安全车距的动态计算，在自适应智能巡航系统中运用相对安全车距对车跟驰星质量进行评估，进而采取相应的控制措施，但对前车加速运行情况下如何动态计算相对安全车距则未作更深入的讨论。 针对车辆巡航系统的安全性、高效性和行为调整的平稳（舒适）性问题，Kesting等利用智能驾驶模型来描述自适应控制车辆，提出加速度能够自动调整的自适应控制策略，然而未深入探究动态跟驰形势下安全时隙的科学确定问题。Wang和Rajamani 指出，“车自适应巡航系统应当保持恒定的时隙么？”Lin 等几位学者，考虑到时隙对与行车组织的重要性，对时隙作用于自适应车辆驾驶性能的效果作了富有价值和指导意义的讨论，大的时隙无疑会赋予车辆跟驰系统更大的安全裕量，但效率也会随之降低。Bageshwar等运用模型预测控制来计算自适应巡航车辆的跟驰控制律，在稳态跟驰条件下取得了较好的仿真效果，遗憾的是未能给出非稳态跟驰条件下的控制律计算方法,如何确保该状态下任意时刻车辆跟驰的安全性和高效性，还需要进一步的研究。Smallwood 和Whitcomb阐述了水下载运工具低速运行的轨迹跟踪问题，所设计的自适应控制器能够提供合理的参数估计，其中包括速度、位置的准确跟踪，仿真实验中表现出较好的一致性。Pan和 Zheng 建立了车辆跟驰控制的离散时滞模型，提出一种最优控制律的计算方法，取得了较好的仿真效果。车辆跟驰自适应控制系统的复杂性在于：（1）控制对象的非线性，特别是速度、加速度和车距控制的同步问题；（2）安全性、高效性和行为调整的平稳（舒适）性，需要在车辆跟驰过程中的任意时刻加以考虑，并作为行为优化的目标。如果实际车距                                               

远远大于当前安全车距

，且前、后车的速度相同，即

=

（

为后车速度，为前车速度），纯粹的速差控制对此情形则无能为力；而纯粹的车距控制虽能实现

=

（

为实际车距），但和

较难实现；Zhao和Gao 为了解决这个问题，将速差控制和加速度差控制结合起来，力图重建安全、高效跟驰稳态，但对

、

 且 

 远大于或远小于

的情形则无能为力；当前的自适应巡航跟驰控制系统在安全、高效跟驰稳态的重建方面，由于在“速度”、“加速度”和“车距”三个参数的控制上未实现同步，也存在行为调整频繁的问题，甚至产生较大的振荡。

发明内容

本发明的目的是为了克服当前车辆跟驰控制系统中速度、加速度和车距控制难以同步的问题，并在车辆跟驰过程中的任意时刻把安全性、高效性和行为调整的平稳（舒适）性作为后车行为优化的目标，实现后车跟驰行为的科学调整。

本发明基于背景技术状况，建立了一种新的车辆跟驰系统数学参考模型，并在合理划分车辆跟驰状态的基础上，将模型参考与自适应控制结合起来，根据当前跟驰状态确定相应的最佳跟驰控制律计算模型，并将最佳控制律加以实施，以科学的后车行为调整实现车辆跟驰系统的安全、高效和平稳（舒适）运行，解决了长期以来一直存在的速度控制、加速度控制和车距控制难以同步的问题。

本发明概述的技术方案实施步骤：

步骤1：建立车辆跟驰系统模型。

该车辆跟驰系统的数学模型，见式（1）所示：

,         (1)

其中：

和

分别为前、后车的加速度， 

和

分别为前、后车的速度，

和

分别为前、后车的位置，

和

分别为前、后车的初始速度，

和

分别为前、后车的初始位置，

 前、后车之间的实际跟驰车距，

为前、后车之间的安全车距，且，。

步骤2：建立车辆跟驰控制的参考模型。

该参考模型的数学描述为

,                   (3)

安全车距

依赖并随着前、后车速度和加速度的变化而变化，可以用式（2）来描述，

                                 (2)

表示非线性函数，

和分别表示前、后车的实时行为。

步骤3：动态安全车距的实时计算。

按下式实时计算安全车距

                             (4)

其中， 和分别为前、后车制动停车距离的计算函数，

为前车紧急制动加速度，

，

， 

为安全裕量。

若

≠0, 

 为相对安全车距；若

=0,  则为绝对安全车距。假定

,                                         (5)

为绝对安全车距的计算公式，则相对安全车距的计算公式可以表示为

.                                     (6)

步骤4：根据当前具体的车辆跟驰状态，选择相应的后车行为调整数学模型，实时计算车辆跟驰系统的控制律。

将根据初始时刻前、后车的速度和车距，将跟驰状态划分为若干子状态，分别给出相应的控制律计算方法，

将安全、高效跟驰稳态定义为实际车距处在

邻域内且 and ，其中，

 为大于0且小于100%的微小百分率。 

（1) 当

时

i) 若

，计算后车行为调整规律的数学模型为

                         (9)

其中：  为大于0的系数, 

 为大于0的时间常数，

则是为了方便后车行为调整的工程计算而设定的微小正数。 

ii) 若

，跟驰控制的数学模型为

                (10)

其中：

后车行为调整过程中的最大速度, 

, 和

等其他参数含义与式（9）相同。

iii) 若

，相应的跟驰控制数学模型为

               (12)

式中, 

和

等其他参数含义与式（9）相同。

2) 当

时

i) 若 

，按照式（9）计算车辆跟驰控制律。

ii) 若

，后车保持当前跟驰状态，直至跟驰系统由于前车的行为变化而进入另一跟驰状态。

iii) 若

，按照式（12）计算车辆跟驰控制律，直至跟驰系统由于前车的行为变化而进入另一跟驰状态。

3) 当 

时

i) 若 

，后车宜采取紧急制动策略，见式（13）所示。

                                               (13)

其中：

 为后车紧急制动时的加速度，对于给定的车辆，

为已知。

ii) 若

，跟驰控制的数学模型为

             (14)

其中：后车行为调整过程中的最小速度值且满足，

, 

和

等其他参数含义与式（9）相同。 

iii) 若

，按照式（12）计算车辆跟驰控制律，直至跟驰系统由于前车的行为变化而进入另一跟驰状态。

步骤5：控制律实施，实现后车行为调整。

步骤6：后车行为调整过程中实时检测跟驰系统所属的跟驰状态，转步骤4，循环执行。

以上技术方案是在建立参考模型后，以跟驰状态的细分和控制律计算数学模型为基础，通过跟驰状态的准确判断和实施相应的控制律，来实现后车安全、高效和平稳（舒适）运行。

1）所述跟驰状态的细分，该新的跟驰状态细分方法为：

根据前、后车速度和车距，以及安全、高效跟驰稳态的定义，将跟驰状态划分为若干子状态。具体划分方法如下：

A．当

时

i) 若

ii) 若

iii) 若

B．当

时

i) 若

ii) 若

iii) 若

C．当 

时

i) 若

ii) 若

iii) 若

2）所述控制律计算数学模型，是基于所述跟驰状态细分的车辆跟驰系统控制律计算的数学模型。数学模型基于车辆跟驰状态的细分，考虑到安全、高效跟驰稳态建立过程中尽量减少行为调整的频繁程度，同时兼顾行为调整安全性、高效性和平稳（舒适）性。具体的数学模型，其主要特征在于以下3个方面：

A．遵循“安全第一，兼顾效率”的原则，始终以实际车距与安全车距之差，即

，作为后车行为调整的首要依据；

B．引入双曲函数，确定有利于工程计算和实施的

、

、

、

和

相关参数，有效实现了后车行为调整过程中的平稳（舒适）性。

C．较好地解决了速度控制、加速度控制和车距控制的同步性问题，能够有效实现安全、高效跟驰稳态，即实际车距控制在

邻域内且满足

 and 

两个条件，一定程度上减少了后车行为调整的频繁程度。

本发明建立了车辆跟驰系统新的参考模型，然后细分跟驰状态，以车距控制为目的，以速度控制和加速度控制作为后车跟驰过程中的行为控制的具体手段，分别建立相应的控制律计算数学模型，通过跟驰状态的准确判断和实时计算相应的控制律，实施并实现速度、加速度和车距的同步控制，从而能够实现后车安全、高效和平稳（舒适）运行。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1. 车辆跟驰系统框图。

图2. 模型参考框图。

图3. 基于模型参考的自适应车辆跟驰控制系统框图。

图4. 当 且

时后车的行为调整轨迹：(a) 

曲线。

图5. 当 

且

时后车的行为调整轨迹：(b) 

曲线。

图6. 当

且时后车的行为调整轨迹：(a) 

曲线。

图7. 当且

时后车的行为调整轨迹：(b) 

曲线。

图8. 当

且

时后车的行为调整轨迹：(a) 

曲线。

图9. 当

且

时后车的行为调整轨迹：(b) 

曲线。

图10 当

且

时后车的行为调整轨迹：(a) 

曲线。

图11. 当且

时后车的行为调整轨迹：(b) 

曲线。

图12. 跟驰系统实例仿真：(a) 速度—时间曲线。

图13. 跟驰系统实例仿真：(b) 加速度—时间曲线。

图14. 跟驰系统实例仿真：(c) 位置—时间曲线。

图15. 跟驰系统实例仿真：(d) 车距—时间曲线。

图16. 跟驰系统实例仿真：(e) 后车的冲动值—时间曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案作进一步详细说明，如图1-16所示：

步骤1：建立车辆跟驰系统模型。

车辆跟驰系统框图见图1所示。其中：和

分别为前、后车的加速度， 

和

分别为前、后车的速度，

和

分别为前、后车的位置，

和分别为前、后车的初始速度， 

和

分别为前、后车的初始位置， 

 前、后车之间的实际跟驰车距，为前、后车之间的安全车距，且，。

车辆跟驰系统的数学模型，见式（1）所示。

,         (1)

步骤2：建立车辆跟驰控制的参考模型。

参考模型框图见图2所示。安全车距

依赖并随着前、后车速度和加速度的变化而变化，可以用式（2）来描述。

                                 (2)

这里，

表示非线性函数，和

分别表示前、后车的实时行为。

参考模型的数学描述为

,                   (3)

步骤3：动态安全车距的实时计算。

考虑到最不利跟驰形势和安全车距计算方法的一般适用性，按下式实时计算安全车距

                             (4)

其中， 

和分别为前、后车制动停车距离的计算函数，

为前车紧急制动加速度，

，

， 

为安全裕量。

若

≠0, 

 为相对安全车距；若

=0, 

 则为绝对安全车距。假定

,                                         (5)

为绝对安全车距的计算公式，则相对安全车距的计算公式可以表示为

.                                     (6)

步骤4：车辆跟驰系统的自适应控制律的计算。

基于模型参考的自适应车辆跟驰控制系统框图见图3所示。假设

、

为车辆跟驰系统初始安全车距和初始实际车距，由图1可知

                                              (7)

以及

.                                           (8)

显然，在任一初始条件下

是后车安全运行的必要条件。如果

 太大，则线路运能的利用程度不高。

与跟驰系统的安全、效率密切相关。

这里，本发明将根据初始时刻前、后车的速度和车距，将跟驰状态划分为若干（共9个）子状态，分别给出相应的控制律计算方法，同时为了安全、高效跟驰稳态建立过程中降低车辆行为调整的频繁程度，将安全、高效跟驰稳态定义为实际车距处在

邻域内且

 and 

。其中， 为大于0且小于100%的微小百分率。 

（1) 当

时

为前、后车之间存在跟驰关系的上界，实际车距

大于

，则后车可不受前车行为、位置和控制策略的约束。

按照前、后车之间不同的速度关系细分为3种情况：

, 

 and 

。

i) 若

跟驰控制的主要矛盾为在安全行车的前提下缩短车距以提高线路运能的利用效率。计算后车行为调整规律的数学模型为

                         (9)

其中： 

 为大于0的系数, 

 为大于0的时间常数，

则是为了方便后车行为调整的工程计算而设定的微小正数。图4、图5描述后车的行为调整细节。 

从图4、图5可以看出，只要后车加速度

的绝对值不大于0.63 m/s²，且冲动值

不大于2.0 m/s³，后车的行为调整即可满足平稳（舒适）性。对于给定的值，上述两个条件显然可以确定相应的值和

值。

这样，式（9）就可以用来计算后车在和

条件下的行为调整轨迹，并实现安全、高效和平稳（舒适）的行为调整。

ii) 若

在

和

条件下，传统的速差控制显然无能为力。此时跟驰控制的数学模型为

                (10)

其中：

后车行为调整过程中的最大速度, 

, 和等其他参数含义与式（9）相同。

图6、图7描述了跟驰控制律实施后的后车行为调整轨迹。

对于给定的

，参数

、和

 可以通过下式计算而得。

.                          (11)

这样，式（10）就可以用来计算后车在

和

条件下的行为调整轨迹，并实现安全、高效和平稳（舒适）的行为调整。

iii) 若

相应的跟驰控制数学模型为

               (12)

式中

, 

和

等其他参数含义与式（9）相同。其行为调整细节见图8、图9所示。

2) 当

时

i) 若 

按照式（9）计算车辆跟驰控制律。

ii) 若

后车保持当前跟驰状态，直至跟驰系统由于前车的行为变化而进入另一跟驰状态。

iii) 若

按照式（12）计算车辆跟驰控制律，直至跟驰系统由于前车的行为变化而进入另一跟驰状态。

3) 当 

时

i) 若 

在

和

条件下，后车不及时进行行为调整将有发生冲突的风险。此时，后车宜采取紧急制动策略，见式（13）所示。

                                               (13)

其中： 为后车紧急制动时的加速度。对于给定的车辆，

为已知。

ii) 若

此时，安全性仍然是跟驰控制的主要矛盾。跟驰控制的数学模型为

             (14)

其中：

后车行为调整过程中的最小速度值且满足

，, 和

等其他参数含义与式（9）相同。 

跟驰控制律实施后，后车的行调整细节见图10、图11所示。

iii) 若

尽管

，但由于

，前、后车之间不存在冲突的风险。按照式（12）计算车辆跟驰控制律，直至跟驰系统由于前车的行为变化而进入另一跟驰状态。

 

仿真实例

下面结合仿真实例对本发明技术方案作验证。

跟驰系统的初始参数如下：

=100m、

=6200m、

=20m/s、

=45m/s、=-1.1m/s²、

=5%和

=1m/s。

前车采取的控制策略见式（15）所示。

                              (15)

本发明技术方案在该实例中具体实施步骤如下：

步骤1：建立车辆跟驰系统模型。车辆跟驰系统框图见图1所示。车辆跟驰系统的数学模型如下。

 

步骤2：建立车辆跟驰控制的参考模型，其框图见图2所示。参考模型的数学描述如下

步骤3：根据车辆所采取的制动模式进行动态安全车距的实时计算。其中，绝对安全车距的计算公式如下

相对安全车距的计算公式表示为

步骤4：根据当前具体的车辆跟驰状态，选择相应的后车行为调整数学模型，实时计算车辆跟驰系统的控制律。

步骤5：控制律实施，实现后车行为调整。

步骤6：后车行为调整过程中实时检测跟驰系统所属的跟驰状态，转步骤4，循环执行。

按照发明给定的跟驰状态和相应的控制律数学模型，前、后车行为的仿真结果见图12—图16所示：

尽管实际跟驰车距

始终大于

 并且前车处在加速之中，后车仍然在行为调整之初从45m/s减速到20m/s 左右；当后车速度低于或等于前车时，后车开始加速运行，以提高跟驰效率，降低实际车距进一步扩大的趋势，见图12、13所示，这样做的理由在于遵循“安全第一”的原则。除非前车由于安全和效率等原因必须调整自身行为，前车一般不应总是改变自身的行为，事实上在道路设计和建造过程中就已考虑避免车辆频繁调整的问题。当前车以恒定速度运行，后车应当安全、高效和平稳（舒适）地调整自身行为，以重建安全、高效跟驰稳态，见图12、13、15、16所示。然而，这个安全、高效跟驰稳态，由于前车减速停车运行而被打破，见图12所示，后车采取随之采取相应的行为调整，以适应前车的减速停车引起的行为变化，直到一个新的、特殊稳态，即静止状态，被重新建立起来，见图12、13、14所示。

Claims (1)

1.一种基于模型参考的车辆跟驰系统自适应控制方法，其特征在于：包括如下实施步骤：

步骤1：建立车辆跟驰系统模型；

该车辆跟驰系统的数学模型，见式（1）所示：

,         (1)

其中：

和分别为前、后车的加速度， 

和

分别为前、后车的速度，

和

分别为前、后车的位置，

和

分别为前、后车的初始速度，

和分别为前、后车的初始位置， 前、后车之间的实际跟驰车距，为前、后车之间的安全车距，且

，

；

步骤2：建立车辆跟驰控制的参考模型；

该参考模型的数学描述为

,                   (3)

安全车距

依赖并随着前、后车速度和加速度的变化而变化，可以用式（2）来描述，

                                 (2)

表示非线性函数，

和

分别表示前、后车的实时行为；

步骤3：动态安全车距的实时计算；

按下式实时计算安全车距

                             (4)

其中， 

和分别为前、后车制动停车距离的计算函数，

为前车紧急制动加速度，，

， 

为安全裕量；

若≠0, 

 为相对安全车距；若

=0, 

 则为绝对安全车距；假定

,                                         (5)

为绝对安全车距的计算公式，则相对安全车距的计算公式可以表示为

.                                     (6)

步骤4：根据当前具体的车辆跟驰状态，选择相应的后车行为调整数学模型，实时计算车辆跟驰系统的控制律；

将根据初始时刻前、后车的速度和车距，将跟驰状态划分为若干子状态，分别给出相应的控制律计算方法，

将安全、高效跟驰稳态定义为实际车距处在

邻域内且 and 

，其中， 为大于0且小于100%的微小百分率； 

（1) 当

时

i) 若

，计算后车行为调整规律的数学模型为

                         (9)

其中： 

 为大于0的系数, 

 为大于0的时间常数，

则是为了方便后车行为调整的工程计算而设定的微小正数； 

ii) 若

，跟驰控制的数学模型为

                (10)

其中：后车行为调整过程中的最大速度, 

, 和

等其他参数含义与式（9）相同；

iii) 若

，相应的跟驰控制数学模型为

               (12)

式中

, 

和等其他参数含义与式（9）相同；

2) 当

时

i) 若 

，按照式（9）计算车辆跟驰控制律；

ii) 若

，后车保持当前跟驰状态，直至跟驰系统由于前车的行为变化而进入另一跟驰状态；

iii) 若，按照式（12）计算车辆跟驰控制律，直至跟驰系统由于前车的行为变化而进入另一跟驰状态；

3) 当 

时

i) 若 

，后车宜采取紧急制动策略，见式（13）所示；

                                               (13)

其中：

 为后车紧急制动时的加速度，对于给定的车辆，

为已知；

ii) 若

，跟驰控制的数学模型为

             (14)

其中：

后车行为调整过程中的最小速度值且满足

，

, 

和

等其他参数含义与式（9）相同； 

iii) 若

，按照式（12）计算车辆跟驰控制律，直至跟驰系统由于前车的行为变化而进入另一跟驰状态；

步骤5：控制律实施，实现后车行为调整；

步骤6：后车行为调整过程中实时检测跟驰系统所属的跟驰状态，转步骤4，循环执行。

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