CN107323456B - 一种基于轮速前馈补偿的纵向车辆队列协调控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于轮速前馈补偿的纵向车辆队列协调控制系统，属于智能汽车与智能交通技术领域。本发明针对纵向车辆队列及其分散式控制模式，为队列车辆提供了一种三层体系结构的车载控制系统：顶层是队列控制器，采用基于轮速前馈补偿的定时距控制策略；中间层是协调决策模块，对队列的控制目标和车辆自身的动力学稳定性两个方面进行协调；底层是车辆动力学控制器，通过对车轮驱动力矩和制动力矩的主动调节，在保证车辆纵向动力学稳定的前提下，实现队列整体的控制目标。本发明提供的纵向车辆队列控制系统鲁棒性强，受车辆自身动力学的影响小，可以显著减小队列车辆间距误差，大大提高队列的可靠性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于轮速前馈补偿的纵向车辆队列协调控制系统，属于智能汽车与智能交通技术领域。
背景技术
车辆队列是智能交通体系下车辆智能控制的一种方式，车辆队列可以在保证行驶安全的情况下使车与车之间保持较小的距离，这样一方面可以提高道路空间的利用率，缓解交通拥堵压力；另一方面由于相邻车辆之间保持较小的间距，车辆所受的空气阻力也会明显减小，从而可以提高燃油经济性，特别是对重型载货汽车队列而言，燃油经济性提高的效果更为明显；此外，车辆以队列的方式有序行驶也有利于提高道路交通的安全性。
目前，车辆队列控制的研究主要集中于自动控制领域，将车辆队列看成多智能体互联系统的一种形式，将车辆看成一个质量点研究车辆互联系统整体运动的控制策略。这种队列控制思路对个体单元特性的关注较少，而针对不同对象的互联系统由于对象本身特性的差异，互联系统控制策略并不具有通用性。对公路车辆队列而言，车辆在低附着路面上紧急制动或者大扭矩驱动极易出现由于车轮大滑移而失稳的现象，在这种情况下整个车辆队列的控制目标将难以实现。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于轮速前馈补偿的纵向车辆队列协调控制系统，将轮速视作外部干扰信号前馈到顶层队列控制策略中，以弥补个体车辆动力学对整个队列动力学的影响，具有较强的鲁棒性，可以提高车辆队列的控制性能。
本发明采用的技术方案是：一种基于轮速前馈补偿的纵向车辆队列协调控制系统，包括由n辆车组成的纵向车辆队列，队列中的个体车辆通过车载激光雷达传感器探测与其前方距离最近的车辆的间距和相对速度，来跟踪其前方距离最近的车辆的运动；队列中个体车辆的车载控制系统是一种三层的体系结构：顶层是队列控制器，其功能是在保证整个车辆队列稳定的前提下，根据与其前方最近车辆的期望间距、期望相对车速以及前馈的车轮旋转速度信息ωwi，计算输出初步的目标加速度中间层是协调决策模块，该模块根据实际的路面附着条件和顶层队列控制器输出的初步目标加速度对队列的控制目标和车辆自身的动力学稳定性两个方面进行协调，决策输出最终的队列目标加速度底层是车辆动力学控制器，其作用是通过对车轮驱动力矩和制动力矩的主动调节，在保证车辆纵向动力学稳定即不发生车轮大滑移而失稳的前提下，使车辆的实际加速度值尽可能的趋近于中间层协调决策模块输出的最终队列目标加速度从而实现队列的控制目标。
所述的顶层队列控制器采用基于轮速前馈补偿的定时距控制策略，即个体车辆的轮速信息被纳入顶层队列控制器并参与顶层队列控制的决策，对于第i辆车，顶层队列控制器输出的初步目标加速度计算方式如下：
式中，xi-1、分别代表车辆i-1的位置和速度，xi、分别代表车辆i的位置、速度和加速度，ωwi、rwi分别代表车辆i的轮速和车轮滚动半径，hw代表定时距策略的时距常数，kp、kv、kw分别代表间距控制增益、相对速度控制增益、轮速前馈补偿控制增益；所述的轮速ωwi取该车辆所有车轮轮速中最大的一个。
所述的中间层协调决策模块的决策过程为：
1)根据车辆的动力学状态并利用参数估计算法实时估计路面附着系数，进而估计得到车辆的加速度极限aimax；
2)如果顶层队列控制器输出的初步的目标加速度不超过估计的车辆加速度极限，即则最终的队列目标加速度否则如果顶层队列控制器输出的初步的目标加速度超过了估计的车辆加速度极限，即则最终的队列目标加速度
所述的底层车辆动力学控制器采用双反馈回路的控制方法，跟踪队列的目标加速度和期望的车轮滑移率，车轮驱动/制动力矩按下式计算：
ΔTi(t)＝ΔTi a(t)+ΔTi s(t)
其中：
上式中，ΔTi a(t)、ΔTi s(t)分别代表加速度跟踪的车轮修正力矩和车轮滑移率跟踪的车轮修正力矩，kPa、kIa、kDa分别代表加速度跟踪控制的比例、积分、微分控制参数，kPs、kIs、kDs分别代表车轮滑移率控制的比例、积分、微分控制参数，Δai(t)代表车辆实际加速度ai与队列目标加速度的偏差，Δsi(t)代表车轮实际滑移率与期望滑移率的偏差。
所述的期望滑移率在20％～30％范围内取值。
本发明的工作原理是：本发明提供的一种基于轮速前馈补偿的纵向车辆队列协调控制系统，概括来讲其原理是前馈干扰补偿控制与双回路反馈跟踪控制的有机结合。具体来说，对车辆队列和个体车辆动力学分别进行控制，在控制过程中两者进行协调，在保证车辆纵向动力学不失稳的前提下尽可能实现队列的控制目标；其中，位于整个控制系统顶层的车辆纵向队列控制器是基于干扰前馈补偿的控制思想，更具体的说是采用基于轮速前馈补偿的定时距控制策略，将轮速视作外部干扰信号，在顶层队列控制逻辑中就预先考虑了车轮旋转动力学也即个体车辆动力学对整个队列动力学的影响，在顶层队列控制决策阶段就能够抵消一部分甚至全部的个体车辆动力学的影响，从而也就减少了因顶层队列控制器决策不当而导致个体车辆动力学失稳的机会，而一旦出现个体车辆动力学失稳由于耦合作用又会影响整个队列的稳定性，甚至导致追尾碰撞事故，所以顶层队列控制器采用基于轮速前馈补偿的定时距控制策略除了决策队列的控制目标，还是防止队列失稳的第一道屏障；从原理上讲，位于整个控制系统底层的车辆动力学控制器是一种双反馈回路的控制系统，其中一个回路是通过反馈控制的方式对中间层决策的队列目标加速度进行跟踪，另一个回路是通过反馈控制的方式对期望的车轮滑移率进行跟踪，所以底层车辆动力学控制器是防止队列失稳的第二道屏障。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于轮速前馈补偿的纵向车辆队列协调控制系统，与传统的纵向车辆队列控制相比，本发明的特色之处是采用前馈干扰补偿控制与双回路反馈跟踪控制有机结合的控制思路，特别是顶层的纵向车辆队列控制器采用基于轮速前馈补偿的定时距控制策略，将轮速视作外部干扰信号，在顶层队列控制逻辑中就预先考虑了车轮旋转动力学也即个体车辆动力学对整个队列动力学的影响，在顶层队列控制决策阶段就能够抵消一部分甚至全部的个体车辆动力学的影响，提高了队列整体控制的鲁棒性；加上中间层协调决策模块对顶层和底层的协调作用，因顶层队列控制器决策不当而导致个体车辆动力学失稳发生的机会将大大减少，而一旦出现个体车辆动力学失稳由于耦合作用又会影响整个队列的稳定性，甚至导致追尾碰撞事故，因此本发明提供的一种基于轮速前馈补偿的纵向车辆队列协调控制系统对提高车辆队列的可靠性也大有益处。
附图说明
图1为本发明实施例中的纵向车辆队列示意图；
图2为本发明实施例中本发明提供的一种基于轮速前馈补偿的纵向车辆队列协调控制系统的逻辑原理图；
图3为本发明实施例中顶层车辆队列控制器中没有轮速前馈控制时的车辆间距误差响应；
图4为本发明实施例中顶层车辆队列控制器中没有轮速前馈控制时的车轮滑移率响应；
图5为本发明实施例中顶层车辆队列控制器中包含轮速前馈控制时的车辆间距误差响应；
图6为本发明实施例中顶层车辆队列控制器中包含轮速前馈控制时的车轮滑移率响应。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-6所示，一种基于轮速前馈补偿的纵向车辆队列协调控制系统，包括由n辆车组成的纵向车辆队列，队列中的个体车辆通过车载激光雷达传感器探测与其前方距离最近的车辆的间距和相对速度，来跟踪其前方距离最近的车辆的运动；队列中个体车辆的车载控制系统是一种三层的体系结构：顶层是队列控制器，其功能是在保证整个车辆队列稳定的前提下，根据与其前方最近车辆的期望间距、期望相对车速以及前馈的车轮旋转速度信息ωwi，计算输出初步的目标加速度中间层是协调决策模块，该模块根据实际的路面附着条件(即路面附着系数)和顶层队列控制器输出的初步目标加速度对队列的控制目标和车辆自身的动力学稳定性两个方面进行协调，决策输出最终的队列目标加速度底层是车辆动力学控制器，其作用是通过对车轮驱动力矩和制动力矩的主动调节，在保证车辆纵向动力学稳定即不发生车轮大滑移而失稳的前提下，使车辆的实际加速度值尽可能的趋近于中间层协调决策模块输出的最终队列目标加速度从而实现队列的控制目标。
具体地，所述的顶层队列控制器采用基于轮速前馈补偿的定时距控制策略，对于第i辆车，顶层队列控制器输出的初步目标加速度计算方式如下：
式中，xi-1、分别代表车辆i-1的位置和速度，xi、分别代表车辆i的位置、速度和加速度，ωwi、rwi分别代表车辆i的轮速和车轮滚动半径，hw代表定时距策略的时距常数，kp、kv、kw分别代表间距控制增益、相对速度控制增益、轮速前馈补偿控制增益；所述的轮速ωwi取该车辆所有车轮轮速中最大的一个。
具体地，所述的中间层协调决策模块的决策过程为：
1)根据车辆的动力学状态并利用参数估计算法实时估计路面附着系数，进而估计得到车辆的加速度极限aimax；
2)如果顶层队列控制器输出的初步的目标加速度不超过估计的车辆加速度极限，即则最终的队列目标加速度否则如果顶层队列控制器输出的初步的目标加速度超过了估计的车辆加速度极限，即则最终的队列目标加速度
具体地，所述的底层车辆动力学控制器采用双反馈回路的控制方法，跟踪队列的目标加速度和期望的车轮滑移率，车轮驱动/制动力矩按下式计算：
ΔTi(t)＝ΔTi a(t)+ΔTi s(t)
其中：
上式中，ΔTi a(t)、ΔTi s(t)分别代表加速度跟踪的车轮修正力矩和车轮滑移率跟踪的车轮修正力矩，kPa、kIa、kDa分别代表加速度跟踪控制的比例、积分、微分控制参数，kPs、kIs、kDs分别代表车轮滑移率控制的比例、积分、微分控制参数，Δai(t)代表车辆实际加速度ai与队列目标加速度的偏差，Δsi(t)代表车轮实际滑移率与期望滑移率的偏差。
优选地，所述的期望滑移率在20％～30％范围内取值。
举例说明：考虑如图1所示的由n辆轿车组成的纵向车辆队列，以第i辆车为例，车辆的位置、速度分别用xi、表示，其它车辆的位置、速度定义与此类似；作为实例说明，不失一般性，在本实施例中考虑8辆车(n＝8)组成的队列；所述的队列采用分散式的队列控制模式。
仍以第i辆车为例来说明，本发明提供的一种基于轮速前馈补偿的纵向车辆队列协调控制系统的逻辑原理图如图2所示，即车辆i的车载控制系统逻辑，该车载控制系统是一种三层的体系结构：顶层是队列控制器，其功能是在保证整个车辆队列稳定的前提下，计算车辆i的初步队列控制目标，在实施中车辆i通过车载激光雷达传感器探测与其前方车辆i-1的实际间距Δxi和实际相对速度与期望间距、期望相对车速进行比较并利用前馈的车辆i的轮速信息ωwi，计算对其前方距离最近的车辆i-1跟踪的初步目标加速度中间层是协调决策模块，该模块根据估计的实际路面附着系数条件和顶层队列控制器输出的初步目标加速度对队列的控制目标和车辆自身的动力学稳定性两个方面进行协调，决策输出最终的队列目标加速度底层是车辆动力学控制器，其作用是通过对车轮驱动力矩和制动力矩的主动调节，在保证车辆纵向动力学稳定即不发生车轮大滑移而失稳的前提下，使车辆的实际加速度值尽可能的趋近于中间层协调决策模块输出的最终队列目标加速度底层车辆动力学控制器一种双反馈回路的控制系统，其中一个回路是通过反馈控制的方式对中间层决策的队列目标加速度进行跟踪，另一个回路是通过反馈控制的方式对期望的车轮滑移率进行跟踪，从而实现队列的控制目标。
以第i辆车为例，所述的顶层队列控制器采用基于轮速前馈补偿的定时距控制策略，顶层队列控制器输出的初步目标加速度计算方式如下：
式中，xi-1、分别代表车辆i-1的位置和速度，xi、分别代表车辆i的位置、速度和加速度，ωwi、rwi分别代表车辆i的轮速和车轮滚动半径，hw代表定时距策略的时距常数，kp、kv、kw分别代表间距控制增益、相对速度控制增益、轮速前馈补偿控制增益；所述的轮速ωwi取该车辆所有车轮轮速中最大的一个。
中间层协调决策模块的决策过程为：
1)根据车辆的动力学状态并利用参数估计算法实时估计路面附着系数，进而估计得到车辆的加速度极限aimax；
2)如果顶层队列控制器输出的初步的目标加速度不超过估计的车辆加速度极限，即则最终的队列目标加速度否则如果顶层队列控制器输出的初步的目标加速度超过了估计的车辆加速度极限，即则最终的队列目标加速度
所述的底层车辆动力学控制器采用双反馈回路的控制方法，跟踪队列的目标加速度和期望的车轮滑移率，车轮驱动/制动力矩按下式计算：
ΔTi(t)＝ΔTi a(t)+ΔTi s(t)
其中：
上式中，ΔTi a(t)、ΔTi s(t)分别代表加速度跟踪的车轮修正力矩和车轮滑移率跟踪的车轮修正力矩，kPa、kIa、kDa分别代表加速度跟踪控制的比例、积分、微分控制参数，kPs、kIs、kDs分别代表车轮滑移率控制的比例、积分、微分控制参数，Δai(t)代表车辆实际加速度ai与队列目标加速度的偏差，Δsi(t)代表车轮实际滑移率与期望滑移率的偏差；优选的，所述期望滑移率在20％～30％范围内取值，在本实施例中，期望的滑移率取20％。
按照本实施例中所述的实施思路，相关仿真结果如图3～图6所示。其中，图3和图4分别展示了基于以往的定时距队列控制思路而在顶层车辆队列控制器中没有轮速前馈控制时的车辆间距误差响应和车轮滑移率响应，即仅通过车辆间距和相对速度信息决策车辆队列的控制目标(目标加速度)，而不考虑个体车辆自身的动力学行为如车轮滑移特性；图5和图6分别展示了基于本发明提供的一种基于轮速前馈补偿的纵向车辆队列协调控制系统在顶层车辆队列控制器中包含了轮速前馈控制时的车辆间距误差响应和车轮滑移率响应，即车辆队列控制目标的决策除了主要依据车辆间距和相对速度信息，同时还考虑了个体车辆自身的动力学行为；图3和图5中ej(j＝2,3L,8)代表车辆j的实际位置跟踪误差(期望误差为0)。可以发现，与图3相比，图5展示的基于本发明提供的一种基于轮速前馈补偿的纵向车辆队列协调控制系统的车辆间距误差大大减小，收敛速度更快；由图4看出，按照以往的定时距队列控制思路，沿着逆队列方向(朝队列尾部方向)车轮滑移越来越严重，即车轮滑移率沿逆队列方向有向后扩散放大的趋势，不难想象，在这种情况下必定会在队列后面某个位置出现车辆由于长时间的车轮大滑移而失稳，进而殃及其后面的车辆，造成追尾碰撞事故；与图4相比，图6展示的基于本发明提供的一种基于轮速前馈补偿的纵向车辆队列协调控制系统的个体车辆车轮滑移率响应也有了较大的改善，车轮大滑移的时间大大缩短，并且沿逆队列方向的车轮滑移率向后扩散放大的趋势被抑制，降低了车辆间追尾碰撞的风险，大大提高了整个队列的可靠性和安全性。
本实施例仅以轿车队列为例来说明本发明的有益效果，显然，本发明所述的队列控制系统并不是限定于轿车队列，凡是在本发明技术方案的基础上的其它公路车辆队列如重型载货汽车列车队列等，均不应排除在本发明的保护范围之外。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (4)
1.一种基于轮速前馈补偿的纵向车辆队列协调控制系统，其特征在于：包括由n辆车组成的纵向车辆队列，队列中的个体车辆通过车载激光雷达传感器探测与其前方距离最近的车辆的间距和相对速度，来跟踪其前方距离最近的车辆的运动；队列中个体车辆的车载控制系统是一种三层的体系结构：顶层是队列控制器，其功能是在保证整个车辆队列稳定的前提下，根据与其前方最近车辆的期望间距、期望相对车速以及前馈的车轮旋转速度信息ωwi，计算输出初步的目标加速度中间层是协调决策模块，该模块根据实际的路面附着条件和顶层队列控制器输出的初步目标加速度对队列的控制目标和车辆自身的动力学稳定性两个方面进行协调，决策输出最终的队列目标加速度底层是车辆动力学控制器，其作用是通过对车轮驱动力矩和制动力矩的主动调节，在保证车辆纵向动力学稳定即不发生车轮大滑移而失稳的前提下，使车辆的实际加速度值尽可能的趋近于中间层协调决策模块输出的最终队列目标加速度从而实现队列的控制目标；
所述的顶层队列控制器采用基于轮速前馈补偿的定时距控制策略，即个体车辆的轮速信息被纳入顶层队列控制器并参与顶层队列控制的决策，对于第i辆车，顶层队列控制器输出的初步目标加速度计算方式如下：
式中，xi-1、分别代表车辆i-1的位置和速度，xi、分别代表车辆i的位置、速度和加速度，ωwi、rwi分别代表车辆i的轮速和车轮滚动半径，hw代表定时距策略的时距常数，kp、kv、kw分别代表间距控制增益、相对速度控制增益、轮速前馈补偿控制增益；所述的轮速ωwi取该车辆所有车轮轮速中最大的一个。
2.根据权利要求1所述的一种基于轮速前馈补偿的纵向车辆队列协调控制系统，其特征在于：所述的中间层协调决策模块的决策过程为：
1)根据车辆的动力学状态并利用参数估计算法实时估计路面附着系数，进而估计得到车辆的加速度极限aimax；
2)如果顶层队列控制器输出的初步的目标加速度不超过估计的车辆加速度极限，即则最终的队列目标加速度否则如果顶层队列控制器输出的初步的目标加速度超过了估计的车辆加速度极限，即则最终的队列目标加速度
3.根据权利要求1所述的一种基于轮速前馈补偿的纵向车辆队列协调控制系统，其特征在于：所述的底层车辆动力学控制器采用双反馈回路的控制方法，跟踪队列的目标加速度和期望的车轮滑移率，车轮驱动/制动力矩按下式计算：
其中：
上式中，分别代表加速度跟踪的车轮修正力矩和车轮滑移率跟踪的车轮修正力矩，kPa、kIa、kDa分别代表加速度跟踪控制的比例、积分、微分控制参数，kPs、kIs、kDs分别代表车轮滑移率控制的比例、积分、微分控制参数，Δai(t)代表车辆实际加速度ai与队列目标加速度的偏差，Δsi(t)代表车轮实际滑移率与期望滑移率的偏差。
4.根据权利要求3所述的一种基于轮速前馈补偿的纵向车辆队列协调控制系统，其特征在于：所述的期望滑移率在20％～30％范围内取值。
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