CN107544254B

CN107544254B - 一种期望安全裕度跟驰模型的自适应动态滑模控制方法

Info

Publication number: CN107544254B
Application number: CN201710946681.4A
Authority: CN
Inventors: 王云鹏; 张俊杰; 鲁光泉; 鹿应荣; 陈鹏; 丁川
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2020-04-14
Anticipated expiration: 2037-10-12
Also published as: CN107544254A

Abstract

本申请公开了一种期望安全裕度跟驰模型的自适应动态滑模控制方法，用于解决车辆在跟驰过程中，当队列系统出现小扰动时，利用此控制方法可消散系统扰动，使得交通冲击波不再向后扩散，保持跟驰队列的稳定性。技术方案是在引入自适应动态滑膜控制方法后，对比原始DSM跟驰模型，验证所提出的自适应动态滑膜控制方法的有效性，为车辆的自适应巡航控制、自动驾驶等领域的稳定性控制提供技术支持。

Description

一种期望安全裕度跟驰模型的自适应动态滑模控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种用于车辆工程技术领域的方法，具体是针对车辆跟驰过程中，车辆队列稳定性的控制方法，具体来说，涉及一种期望安全裕度跟驰模型的自适应动态滑膜控制的方法，此方法可广泛应用于自适应巡航控制、自动驾驶等领域。

背景技术

随着我国交通运输业的快速发展，虽然为我国社会经济的做出了重要贡献，但同时也带来了许多问题，如交通拥堵、交通事故、环境污染等。而从环境保护和交通系统运行效率角度，保持交通畅通，缓解和抑制交通拥堵一直都是亟待解决的重大问题。

为了探索交通拥堵形成机理，国内外学者提出很多交通流模型。其中，交通流跟驰模型作为一类典型的微观交通流模型被广泛地应用于描述后车跟随前车的运动。由于车辆跟驰研究是以车辆队列中个体车辆的驾驶行为为主。通常，在单行道上队列行驶时，当一个驾驶员主观感觉自车与其前车的距离变大(或变小)时,将加速(或减速)。因此，传统的车辆跟驰理论认为：每个驾驶员以某种方式对来自于其前车的刺激进行反应，这种刺激往往被描述成车辆加速度的形式。目前，大多数学者认为后车加速度影响的刺激因素主要包括两车间的速度差、车头间距、前车速度和前车加速度等。

1958年，Chandler等人提出了线性跟车模型，用自车与前车在(t-τ)时刻的速度差来控制目标车辆在t时刻的加速度变化(τ是驾驶员的反应时间)。但是该模型由于过于简单无法描述实际的交通现象。1961年Gazis等人在此方法的基础上，进一步考虑了自车速度、自车与前车在(t-τ)时刻的车头间距，提出了非线性GHR(Gazis-Herman-Rothery)模型，该模型的参数能很容易地用速度-密度关系图来估计，也能较准确的描述实际的交通现象，但模型对两车的速度差有较高的敏感性。随后，针对驾驶行为特性不同考虑的缘由，各种GHR拓展模型被提出，并在各模型参数的标定和验证上做了大量工作。在1995年，Bando等人基于驾驶员期望维持一个最优速度在跟车过程中这一假设，提出了用t时刻车辆的实际车速与其优化速度之差来控制(t+τ)时刻的加速度变化，称之为OV模型(Optimal velocitymodel)。为了克服OV模型加速度过大和不切实际的减速度等缺陷，Helbing和Tilch提出了一种广义力模型(Generalized force model)，虽然该模型模拟的结果比OV模型结果更符合实测数据，但是仍然存在不切实际的加速度。于是2001年姜锐提出了一种全速度差控制(Full velocity difference model)模型，既保留了广义力模型的优点，又克服了不切实际的加减速度。随之智能交通的发展，智能驾驶员模型(Intelligent driver model)被提出，并广泛的应用于自适应巡航控制和智能交通系统中。经过对现有技术文献的检索发现，基于OV，FVD，GHR和IDM及其扩展模型被广泛的提出，来研究驾驶行为或者交通环境因素对交通流的稳定性的影响。虽然已有的大多数跟车模型能够有效的模拟实际场景下驾驶员的跟驰行为，但是车辆以某种方式跟随的原因可能尚不清楚。通常，在实际交通中，驾驶行为由驾驶员的主观风险感知决定的。因此，基于风险动态平衡理论，我们提出了一种期望安全裕度跟车模型(Desired safety margin model)，这个概念不仅能够通过加减速敏感系数、驾驶员的反应时间以及驾驶员期望的安全裕度上下限来模拟驾驶员的生理和心理特性，而且能够提供一种新的方式揭示跟车过程，并在2014年，我们将此DSM模型作为跟车策略应用于网联车的防追尾系统中。

虽然，我们将期望安全裕度跟车模型应用于网联车的防追尾系统中，但是对于模型的稳定性并没有给出一种控制方法，而现有技术并不能够获知如何对拥堵的交通进行缓解或抑制。因此，现有技术并未给出一种合理的控制方案能够对DSM模型中出现的交通堵塞进行缓解和抑制。

发明内容

针对以上技术的不足，本发明给出了一种自适应动态滑模控制方法。使其车辆在跟驰过程中，当车辆系统存在小扰动时，在我们设计的自适应动态滑膜控制方法下，能够有效的提高队列的稳定性与安全性。

本发明通过以下技术方案实现，具体步骤如下：

(1)交通情景设定，通过运动可控的引导车来设定需要模拟的交通情景。

(2)选取参数值，根据设定的交通情景选取参数的取值，包括车辆系统响应时间τ、车辆紧急制动反应时间τ₁、车辆制动最大减速度d、滑膜控制器的可调增益参数k₁、加速度敏感系数α和期望安全裕度SMD。

(3)获取所有车辆的初始状态。

(4)仿真模拟t＞0时车辆队列的运动状态，假设前导车按照预先指定的方案运动，而跟驰车队按照DSM跟驰模型运动，对比引入自适应动态滑膜控制策略的DSM跟驰模型，来考察所有t＞0时所有车辆的运动状态。

所述的一种期望安全裕度跟驰模型的自适应动态滑膜控制的方法，其运动方程：

其中，s_n(t)＝x_n-1(t)-x_n(t)-l；

h是指在期望速度与期望安全裕度下的车头时距，即当期望速度是20m/s²以及期望安全裕度SMD＝0.9时，h的取值为2s；sgn(·)是符号函数，自变量为正数时取1，0取0，负数取-1；u_n(t)是自适应动态滑膜控制项；滑膜控制器的可调增益参数k₁＝10；车长l设为5m；加速度敏感系数α＝25m/s²；期望安全裕度SMD＝0.9；其他参数d＝7.5m/s²，τ₁＝0.15s，τ＝0.4s，ρ＝0.1，γ＝10。

所有车辆的速度和位置按照如下规则进行更新，其计算公式为：

速度：v_n(t)＝v_n(t-Δt)+a(t-Δt)×Δt,n＝1,2,…N；

位置：

其中，Δt为加速度调节时间。

本发明中车辆跟驰运动加速度控制方法的运动方程加入了自适应动态滑膜控制项(即运动方程的第二项u_n(t))。与原DSM模型相比，我们提出的自适应动态滑模控制方法能有效地在控制队列系统在小扰动情况下能够使交通冲击波逐渐消失，不会使其向后传播而导致车辆“时走时停”等交通拥堵现象，使得车辆队列的更加稳定和安全。

附图说明

图1是本发明实施例中车辆队列跟驰运动示意图；

图2是本发明所提出的自适应动态滑模控制方法的DSM跟驰模型与原始DSM跟驰模型稳定性对比图：(a)速度的时空演化图(无控制方法)；(b)速度的时空演化图(自适应动态滑模控制方法)；

图3是本发明所提出的自适应动态滑模控制方法的DSM跟驰模型与原始DSM跟驰模型稳定性对比图：(a)所有车辆在t＝500s和t＝1000s时刻车头间距图(无控制方法)；(b)所有车辆在t＝500s和t＝1000s时刻车头间距图(自适应动态滑模控制方法)；

图4是第50辆车的磁滞回线对比图：(a)无控制方法；(b)自适应动态滑模控制方法。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明是在头车存在小扰动的情况下，基于期望安全裕度跟驰模型，引入一种自适应动态滑模控制方法来稳定队列，具体步骤如下：

(1)基于DSM跟驰模型：

式中，α是驾驶员的反应敏感系数；v_n(t)是车辆n在t时刻的速度；l为车辆的长度；x_n(t)是车辆n在t时刻的位置；SMD是驾驶员的期望安全裕度；d是车辆最大制动加速度；a_n(t)是车辆n在t时刻的加速度；τ是车辆系统的响应时间。

(2)设计自适应动态滑模控制方法：

式中，s_n(t)＝x_n-1(t)-x_n(t)-l是相邻两车之间的间隔；h是指在期望速度与期望安全裕度下的车头时距；sgn(·)是符号函数；u_n(t)是自适应动态滑膜控制项；滑膜控制器的可调增益参数k；以及正实数k₁，γ和ρ。

(3)带有自适应动态滑模控制策略的DSM跟驰模型：

(4)根据DSM跟驰模型，得出模型线性稳定性条件，在(τ,α)的二维相平面上绘制出模型的稳定性区域和不稳定区域的分界线；其次，构造李雅普诺夫函数来证明所设计的自适应动态滑模控制方法的收敛性。

(5)设定的交通场景，有N＝50辆车以车头间距为L＝40m均匀的分布在同一车道上。设初始时刻头车出现了一个小的扰动，头车编号为1，其他车按行驶方向依次编号。

(6)车辆初始状态的速度和位置如下：

式中，

是头车在

时刻一个小的加速度扰动，设其服从5×10^-2×U(-1,1)的均匀随机分布。

(7)带有自适应动态滑模控制策略的DSM跟驰模型参数取值：

车辆系统响应时间τ：0.4s；

车辆紧急制动反应时间τ₁：0.15s；

车辆制动最大减速度d：7.5m/s²；

滑膜控制器的可调增益参数k：

加速度敏感系数α：25m/s²；

期望安全裕度SMD：0.9；

滑膜控制器的可调增益参数k₁：10；

车辆长度l：5m；

其他常参量：ρ＝0.1；γ＝10。

图2是所有速度时空演化图。从图2(a)可以看出，在没有滑膜控制策略的情况下，所有车辆的速度变化很大；而2(b)显示当DSM模型引入自适应动态滑模控制策略时，所有车辆的速度几乎没有变化。

图3是所有车辆在t＝500s和t＝1000s时刻的车头间距对比图。从图3(a)可以看出，在没有滑膜控制策略的情况下，所有车辆的车头间距有较大的波动；而3(b)显示当DSM模型引入自适应动态滑模控制策略时，所有车辆的车头间距的波动微乎其微。

图4当DSM模型没有引入自适应动态滑模控制时，我们观察到第50辆车的磁滞回线呈现一个类似椭圆型的曲线(图4(a))，然而当DSM模型引入我们提出的自适应动态滑模控制时，从图4(b)可以发现，第50辆车的磁滞回线退化成一个点，说明了自适应动态滑模控制策略能够提高队列稳定性。

Claims

1.一种考虑自适应动态滑模控制的期望安全裕度跟驰稳定性建模方法，其特征在于，包括：

建立DSM跟驰模型，其运动方程：

其中，v_n(t)是车辆n在t时刻的速度；α是加速度敏感系数；SMD是期望安全裕度；d是车辆最大制动加速度；τ是车辆系统的响应时间；τ₁是车辆制动响应时间；x_n-1(t)-x_n(t)表示连续两辆车的车头间距；车长记为l；

通过线性稳定性分析方法得出DSM模型线性稳定性条件，在(τ,α)的二维相平面上绘制出DSM模型的稳定性区域；

其次，根据建立的DSM跟驰模型，并通过李雅普诺夫函数设计一种自适应动态滑模控制项：

其中，u_n(t)是自适应动态滑模控制项；s_n(t-τ)＝x_n-1(t-τ)-x_n(t-τ)-l；

h是指在期望速度与期望安全裕度下的车头时距；sgn(·)是符号函数，自变量为正数时取1，0取0，负数取-1；滑模控制项的可调增益参数k₁；滑模控制项其他参数有ρ，γ。

2.根据权利要求1所述将自适应动态滑模控制项引入期望安全裕度跟驰稳定性建模方法中，其特征在于，进一步包括：

根据建立的DSM跟驰模型以及自适应动态滑模控制项，形成带有自适应动态滑模控制项的DSM跟驰模型：

根据带有自适应动态滑模控制项的DSM跟驰模型，分析自适应动态滑模控制项对队列稳定性的影响。

3.根据权利要求1所述考虑引入自适应动态滑模控制项的期望安全裕度跟驰稳定性建模方法，其特征在于，进一步包括：

根据建立的带有自适应动态滑模控制项的DSM跟驰模型，选取参数为：

N＝50辆车以车头间距为L＝40m均匀的分布在同一车道上，头车加速度初始扰动服从5×10^-2×U(-1,1的均匀随机分布，滑模控制项的可调增益参数k₁为10，与滑模控制项相关的其他常参量取值分别是ρ＝0.1，γ＝10；

验证在头车存在小扰动下，对比分析在有无自适应动态滑模控制项情况下所有车辆的车头间距、速度分布变化情况。