CN107380165A - 一种车辆自适应变速巡航过程车间距控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种车辆自适应变速巡航过程车间距控制方法，针对车辆自适应变速巡航过程车间距不断提高实时性和准确性控制要求，建立车辆自适应变速巡航过程三阶连续时间动力学模型，并引入相对车辆间距控制误差的积分信号，建立车辆自适应变速巡航过程四阶状态空间扰动扩展数学模型，再通MatLab命令函数lqr计算车间距控制器增益向量，进而实时计算车辆自适应变速巡航过程车间距控制量，实现本车车辆高实时性和准确性的自适应变速巡航控制。本发明的优点是理解简单、参数设置少、通用性强、不需要在线计算，满足了车辆自适应变速巡航过程的车间距高实时性和准确性控制的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种车辆自适应变速巡航过程车间距控制方法。
背景技术
车辆自适应巡航控制利用车载传感器和功能模块获取车辆周围以及自身的信息，调节车辆自身的加-减速度，实现车辆高效、安全、舒适的行驶，是自动驾驶车辆的一种基本控制方法。在车辆行驶过程中，随着前车加-减速度的变化，自动控制车辆与前车保持一定的相对安全距离，不仅可以减轻驾驶员的工作强度，还可以提升道路的交通流量密度，增强车辆行驶过程中的主动安全性。车辆自适应变速巡航控制是在车辆定速巡航基础上发展起来的一种新型辅助自动驾驶控制方法，可以在城郊道路环境下自动跟踪前车的速度变化，同时保证两车行驶过程处于安全间距范围，因此是当前车辆自主控制与智能化研究领域的热点。通过对现有车辆自适应变速巡航过程车间距控制方法的文献的检索发现，车辆自适应变速巡航过程车间距控制方法主要有：滑模巡航车间距控制、动态规划巡航车间距控制、模型预测巡航车间距控制、模糊逻辑巡航车间距控制和基于数据的巡航车间距控制，但滑模巡航车间距控制由于滑模面的切换会产生车辆速度抖震，不利于车辆行驶过程的平稳性和乘车舒适性，动态规划巡航车间距控制需要已知车辆全程行驶场景，显然在前车变速情形下本车很难获得全程行驶场景，模型预测巡航车间距控制需要在线计算巡航控制量，在线计算量很大，模糊逻辑巡航车间距控制在前车变速情形下难以建立准确的车辆信息模糊隶属度函数，基于数据的巡航车间距控制则需要采用大量的车辆巡航过程数据训练巡航模型，这些变速巡航车间距控制方法对前车剧烈变速的车间距控制效果的收敛速度缓慢，理解抽象，而且应用过程复杂。因为前车驾驶员驾驶行为的高度主观性和不确定性，但车辆自适应变速巡航过程车间距控制实时性和准确性要求高，因此，尽管车辆自适应变速巡航过程车间距控制方法研究取得了一些成果，但近年来相关学者对于这个具有挑战性的重要难题仍然进行了大量细致地研究和探讨，以满足当前面对各类复杂的交通状况，实现车辆自适应变速巡航过程的高实时性和准确性车间距控制的迫切要求。
发明内容
为了克服已有车辆自适应变速巡航过程车间距控制方法的理解抽象、在线计算复杂和实现困难的不足，本发明提供一种理解直观、设计简单、易于实现的车辆自适应变速巡航过程车间距控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种车辆自适应变速巡航过程车间距控制方法，所述控制方法包括如下步骤：
1)、建立车辆自适应变速巡航过程三阶连续时间动力学模型，参见式(1)：
其中，变量t表示时间；x1(t)、x2(t)和x3(t)分别表示在t时刻前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度；u(t)表示在t时刻本车的命令加速度；w(t)表示在t时刻前车的实际加速度；参数h和σ分别为车头时距和时间常数；考虑模型式(1)，定义车辆自适应变速巡航过程的状态列向量x＝[x1 x2 x3]T，其中，符号T表示向量的转置；
2)、定义相对车间距控制偏差的积分信号q(t)，参见式(2)：
其中，符号s表示积分器内的积分变量；积分信号q(t)表示本车在t时刻相对车间距控制偏差的累积偏差；yr(t)表示本车在t时刻的期望相对车间距偏差；积分器的输入是相对车间距偏差信号，参见式(3)：
其中，表示累计相对车间距偏差对时间变量的一阶导数；
3)、结合式(1)和式(3)，建立车辆自适应变速巡航过程状态空间扰动扩展数学模型，参见式(4)：
4)、给定5个参数R1、R2、R3、R4和R5，定义车辆自适应变速巡航过程车间距控制函数，参见式(5)：
u(t)＝-[k1 k2 k3]x(t)-k4q(t) (5)
其中，系数k1、k2、k3和k4为控制器的增益；令行向量K＝[k1 k2 k3 k4]为增益向量，将通过MatLab命令函数lqr计算，参见式(6)：
K＝lqr(A,B,Q,R5) (6)
其中，增广矩阵和
5)、在线测量当前时刻前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，根据方程式(5)实时计算车辆自适应变速巡航过程车间距控制量u(t)，驱动本车跟踪前车运动状态；在下一个控制周期时，重新在线测量前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，如此周而复始，实现本车高实时性和准确性的车辆自适应变速巡航过程车间距控制。
本发明的技术构思是：针对车辆自适应变速巡航控制领域不断提高车间距实时性和准确性控制要求，建立车辆自适应变速巡航过程三阶连续时间动力学模型，并引入相对车间距偏差的积分信号，建立车辆自适应变速巡航过程四阶状态空间扰动扩展数学模型，再通MatLab命令函数lqr计算车间距控制器增益向量，进而实时计算车辆自适应变速巡航过程车间距控制量，实现本车车辆高实时性和准确性的自适应变速巡航车间距控制。
本发明主要执行部分在车辆自动驾驶控制计算机上运行实施。本方法实施过程可以分以下三个阶段：
1、参数设置：包括模型参数和控制器参数，在模型参数导入界面中，输入模车头时距h、时间常数σ和期望相对车间距偏差yr；在控制器参数设置中，输入参数R1、R2、R3、R4和R5，输入参数确认后，由控制计算机将设置数据送入计算机存储单元RAM中保存；参数R1、R2、R3、R4和R5的取值规则：R1、R2、R3、R4和R5为大于零的正数；
2、离线调试：点击组态界面中的“调试”按钮，巡航控制系统进入控制器离线仿真调试阶段，调整控制器参数R1、R2、R3、R4和R5，观察车辆自适应变速巡航过程车间距控制效果，由此确定一组能良好实现车辆自适应变速巡航过程车间距控制的参数；参数R1、R2、R3、R4和R5的调整规则：增大R1、R2、R3和R4的取值或者减小R5的取值将加快车辆巡航过程车间距控制的响应速度，但同时增大本车命令加速度的输出；相反，减小R1、R2、R3和R4的取值或者增大R5的取值将减慢车辆巡航过程车间距控制的响应速度，减小本车命令加速度的输出，因此，实际调试参数R1、R2、R3、R4和R5时，应权衡车辆自适应变速巡航过程车间距控制的响应能力、调整时间和本车命令加速度输出之间的综合性能；
3、在线运行：启动主控制计算机的CPU读取模型参数和控制器参数，通过在线测量当前时刻前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，实时计算车辆自适应变速巡航过程车间距控制量，驱动本车跟踪前车运动状态；在下一个控制周期时，重新在线测量前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，如此周而复始，实现本车高实时性和准确性的车辆自适应变速巡航车间距控制。
本发明的有益效果主要表现在：1、车辆自适应变速巡航过程车间距控制器调整参数少，设计简单、容易理解、在线实施简便、实用性强；2、直接将前车加速度信息作为一个外部扰动进行补偿，引入关于相对车间距误差的偏差构建相应的增广系统，消除巡航过程可能存在的稳态误差并提高了车间距控制的快速性与稳定性，满足本车能快速保持与前车的间距误差控制实时性要求。
附图说明
图1为车辆自适应变速巡航过程车间距控制中实际车间距与理想车间距变化曲线，其中，实线为实际车间距变化曲线，虚线为理想车间距变化曲线。
图2为车辆自适应变速巡航过程车间距控制中本车与前车的速度变化曲线，其中，实线为本车速度变化曲线，虚线为前车速度变化曲线。
图3为车辆自适应变速巡航过程车间距控制中本车与前车的加速度变化曲线，其中，实线为本车加速度变化曲线，虚线为前车加速度变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的方法作进一步详细说明。
参照图1～图3，一种车辆自适应变速巡航过程车间距控制方法，所述控制方法包括如下步骤：
1)、建立车辆自适应变速巡航过程三阶连续时间动力学模型，参见式(1)：
其中，变量t表示时间；x1(t)、x2(t)和x3(t)分别表示在t时刻前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度；u(t)表示在t时刻本车的命令加速度；w(t)表示在t时刻前车的实际加速度；参数h和σ分别为车头时距和时间常数；考虑模型式(1)，定义车辆自适应变速巡航过程的状态列向量x＝[x1 x2 x3]T，其中，符号T表示向量的转置；
2)、定义相对车间距控制偏差的积分信号q(t)，参见式(2)：
其中，符号s表示积分器内的积分变量；积分信号q(t)表示本车在t时刻相对车间距控制偏差的累积偏差；yr(t)表示本车在t时刻的期望相对车间距偏差；积分器的输入是相对车间距偏差信号，参见式(3)：
其中，表示累计相对车间距偏差对时间变量的一阶导数；
3)、结合式(1)和式(3)，建立车辆自适应变速巡航过程状态空间扰动扩展数学模型，参见式(4)：
4)、给定5个参数R1、R2、R3、R4和R5，定义车辆自适应变速巡航过程车间距控制函数，参见式(5)：
u(t)＝-[k1 k2 k3]x(t)-k4q(t) (5)
其中，系数k1、k2、k3和k4为控制器的增益；令行向量K＝[k1 k2 k3 k4]为增益向量，将通过MatLab命令函数lqr计算，参见式(6)：
K＝lqr(A,B,Q,R5) (6)
其中，增广矩阵和
5)、在线测量当前时刻前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，根据方程式(5)实时计算车辆自适应变速巡航过程车间距控制量u(t)，驱动本车跟踪前车运动状态；在下一个控制周期时，重新在线测量前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，如此周而复始，实现本车高实时性和准确性的车辆自适应变速巡航过程车间距控制。
本实施例为车辆自适应变速巡航过程车间距控制过程，具体操作过程如下：
1、在参数设置界面中，输入车辆自适应变速巡航车间距控制模型参数，如下：车头时距h＝0.2、时间常数σ＝0.1和期望相对车间距偏差yr＝0，及控制器参数R1、R2、R3、R4和R5；
2、在组态界面上点击“调试”按钮进入调试界面，启动主控计算机的CPU调用事先编制好的“控制器计算程序”求解车间距控制增益K，具体计算过程如下：
2.1)根据给定的参数R1、R2、R3、R4和R5，利用方程式(6)计算巡航过程车间距控制器增益K；
2.2)根据方程式(5)和参数R1、R2、R3、R4和R5的取值与调整规则，综合考虑车辆自适应变速巡航过程车间距控制的响应能力、调整时间和本车命令加速度输出之间的性能，调试参数得到R1＝1000、R2＝100、R3＝10、R4＝100和R5＝0.8；
2.3)利用调试得到的参数R1、R2、R3、R4和R5值计算控制器增益向量K＝[-39.8375 -15.0725 3.2553 -11.1803]，将计算结果保存到计算机存储单元RAM中；
3、点击组态界面中的“运行”按钮，启动主控计算机的CPU读取模型参数和控制器参数，通过在线测量当前时刻前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，实时计算车辆自适应变速巡航过程车间距控制量，驱动本车跟踪前车运动状态；在下一个控制周期时，重新在线测量前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，如此周而复始，实现本车高实时性和准确性的车辆自适应变速巡航过程车间距控制。
实际控制效果如图1、图2和图3所示，图1为车辆自适应变速巡航过程车间距控制中实际车间距与理想车间距变化曲线，其中，实线为实际车间距变化曲线，虚线为理想车间距变化曲线；图2为车辆自适应变速巡航过程车间距控制中本车与前车的速度变化曲线，其中，实线为本车速度变化曲线，虚线为前车速度变化曲线；图3为车辆自适应变速巡航过程车间距控制中本车与前车的加速度变化曲线，其中，实线为本车加速度变化曲线，虚线为前车加速度变化曲线。
以上阐述的是本发明给出的一个实施例所表现出的优良的车辆自适应变速巡航过程车间距控制效果。需要指出，上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改，都落入本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种车辆自适应变速巡航过程车间距控制方法，其特征在于：所述控制方法包括如下步骤：
1)、建立车辆自适应变速巡航过程三阶连续时间动力学模型，参见式(1)：
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其中，变量t表示时间；x1(t)、x2(t)和x3(t)分别表示在t时刻前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度；u(t)表示在t时刻本车的命令加速度；w(t)表示在t时刻前车的实际加速度；参数h和σ分别为车头时距和时间常数；考虑模型式(1)，定义车辆自适应变速巡航过程的状态列向量x＝[x1 x2 x3]T，其中，符号T表示向量的转置；
2)、定义相对车间距控制偏差的积分信号q(t)，参见式(2)：
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其中，符号s表示积分器内的积分变量；积分信号q(t)表示本车在t时刻相对车间距控制偏差的累积偏差；yr(t)表示本车在t时刻的期望相对车间距偏差；积分器的输入是相对车间距偏差信号，参见式(3)：
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其中，表示累计相对车间距偏差对时间变量的一阶导数；
3)、结合式(1)和式(3)，建立车辆自适应变速巡航过程状态空间扰动扩展数学模型，参见式(4)：
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4)、给定5个参数R1、R2、R3、R4和R5，定义车辆自适应变速巡航过程车间距控制函数，参见式(5)：
u(t)＝-[k1 k2 k3]x(t)-k4q(t) (5)
其中，系数k1、k2、k3和k4为控制器的增益；令行向量K＝[k1 k2 k3 k4]为增益向量，将通过MatLab命令函数lqr计算，参见式(6)：
K＝lqr(A,B,Q,R5) (6)
其中，增广矩阵和
5)、在线测量当前时刻前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，根据方程式(5)实时计算车辆自适应变速巡航过程车间距控制量u(t)，驱动本车跟踪前车运动状态；在下一个控制周期时，重新在线测量前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，如此周而复始，实现本车高实时性和准确性的车辆自适应变速巡航过程车间距控制。
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