CN108944928B - 一种车辆自适应巡航系统安全车间距控制方法 - Google Patents

Abstract

一种车辆自适应巡航系统安全车间距控制方法，针对车辆自适应巡航控制领域不断提高安全车间距实时性和准确性控制要求，建立车辆自适应巡航系统四阶连续时间动力学模型，设计一个车辆自适应巡航系统安全车间距自动调节控制器，进而实时计算车辆自适应巡航系统安全车间距控制量，实现本车车辆高实时性和准确性的自适应巡航安全车间距控制。本发明设计参数少，设计简单、容易理解、在线实施简便、实用性强。

Description

一种车辆自适应巡航系统安全车间距控制方法

技术领域

本发明属于车辆巡航自动控制领域，涉及一种车辆自适应巡航系统安全车间距控制方法。

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巡航系统安全车间距控制方法的文献的检索发现，车辆自适应巡航系统安全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巡航系统安全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、可调参数少、易于实现的车辆自适应巡航系统安全车间距控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种车辆自适应巡航系统安全车间距控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

1)、建立车辆自适应巡航系统四阶状态空间数学模型，参见式(1)

其中，变量t表示时间；状态变量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，x₄(t)分别表示在t时刻相对车间距控制偏差的积分信号；y_r(t)表示本车在t时刻的期望相对车间距偏差；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τ分别为车头时距和时间常数；

2)、给定系统(1)的一组期望闭环极点(λ₁,λ₂,λ₃,λ₄)，参见式(2)：

λ₁＝a+ja,λ₂＝a-ja,λ₃＝ca，λ₄＝ca (2)

其中，j表示虚数符号；a＜0表示期望闭环极点的特征参数；c>0是可调参数。

3)、定义车辆自适应巡航系统在t时刻安全车间距的控制函数，参见式(3)：

其中，K₁、K₂、K₃和K₄是控制函数的增益系数，计算过程参见式(4)：

4)、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(3)实时计算车辆自适应变速巡航系统安全车间距控制量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巡航系统安全车间距控制。

本发明的技术构思是：针对车辆自适应巡航控制领域不断提高安全车间距实时性和准确性控制要求，建立车辆自适应巡航系统四阶连续时间动力学模型，设计一个车辆自适应巡航系统安全车间距自动调节控制器，进而实时计算车辆自适应巡航系统安全车间距控制量，实现本车车辆高实时性和准确性的自适应巡航安全车间距控制。

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τ和期望相对车间距偏差y_r；在控制器参数设置中，输入期望闭环极点特征参数a，可调参数c，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；

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调试阶段，调整组态界面中的期望闭环极点特征参数a，可调参数c，观察车辆自适应巡航系统安全车间距控制效果，由此确定一组能良好实现车辆自适应巡航系统安全车间距控制闭环极点特征参数a和可调参数c，参数a、c的取值规则：a为负实数，c为正实数；参数a的调整规则：减小a或增大c的值将加快车辆巡航过程车间距控制的响应速度；相反，增大a的值或减小c的值将减慢车辆巡航过程车间距控制的响应速度。因此，实际调试参数a和c时，应权衡考虑车辆自适应巡航系统安全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巡航系统安全车间距控制量，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巡航安全车间距控制。

本发明的有益效果主要表现在：1、车辆自适应巡航系统安全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、直接考虑前车加速度信息作为补偿，将关于相对车间距误差的偏差定义为车辆自适应巡航系统状态空间模型的第4个状态变量，消除巡航系统可能存在的稳态误差并提高了安全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安全间距误差控制实时性要求

附图说明

图1为车辆自适应巡航系统安全车间距控制中本车与前车的安全车间距差变化曲线。

图2为车辆自适应巡航系统安全车间距控制中本车与前车的速度差变化曲线。

图3为车辆自适应巡航系统安全车间距控制中本车与前车的加速度差变化曲线。

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3，一种车辆自适应巡航系统安全车间距控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

1)、建立车辆自适应巡航系统四阶状态空间数学模型，参见式(1)

其中，变量t表示时间；状态变量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，x₄(t)分别表示在t时刻相对车间距控制偏差的积分信号；y_r(t)表示本车在t时刻的期望相对车间距偏差；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τ分别为车头时距和时间常数；

2)、给定系统(1)的一组期望闭环极点(λ₁,λ₂,λ₃,λ₄)，参见式(2)：

λ₁＝a+ja,λ₂＝a-ja,λ₃＝ca，λ₄＝ca (2)

其中，j表示虚数符号；a＜0表示期望闭环极点的特征参数；c>0是可调参数。

3)、定义车辆自适应巡航系统在t时刻安全车间距的控制函数，参见式(3)：

其中，K₁、K₂、K₃和K₄是控制函数的增益系数，计算过程参见式(4)：

4)、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(3)实时计算车辆自适应变速巡航系统安全车间距控制量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巡航系统安全车间距控制。

本实施例为车辆自适应巡航系统安全车间距控制过程，具体操作过程如下：

1、在参数设置界面中，输入车辆自适应巡航安全车间距控制模型参数，如下：车头时距h＝2、时间常数σ＝0.25和期望相对车间距偏差y_r＝0，及控制器参数c和输入期望闭环极点特征参数a；

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”求解车间距控制函数增益系数K₁、K₂、K₃和K₄，具体计算过程如下：

1)根据给定的参数c和给定的期望闭环极点特征参数a，利用方程式(4)计算巡航系统安全车间距控制函数增益系数K₁、K₂、K₃和K₄；

2)根据方程式(3)和参数c和期望闭环极点特征参数a的取值与调整规则，综合考虑车辆自适应巡航系统安全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c＝0.5、a＝-0.6；

3)利用调试得到的c和a值计算控制器增益向量K₁＝-0.0625、K₂＝-0.1406、K₃＝-0.625和K₄＝-0.0078，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巡航系统安全车间距控制量，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巡航系统安全车间距控制。

实际控制效果如图1、图2和图3所示，图1为车辆自适应巡航系统安全车间距控制中实际车间距变化曲线；图2为车辆自适应巡航系统安全车间距控制中本车与前车的速度差变化曲线；图3为车辆自适应巡航系统安全车间距控制中本车与前车的加速度差变化曲线。

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巡航系统安全车间距控制效果。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)

1.一种车辆自适应巡航系统安全车间距控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：

1)、建立车辆自适应巡航系统四阶状态空间数学模型，参见式(1)

其中，变量t表示时间；状态变量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，x₄(t)表示在t时刻相对车间距控制偏差的积分信号；y_r(t)表示本车在t时刻的期望相对车间距偏差；u(t)表示在t时刻安全车间距控制量；w(t)表示在t时刻前车的实际加速度；参数h和τ分别为车头时距和时间常数；

2)、给定式(1)的一组期望闭环极点(λ₁,λ₂,λ₃,λ₄)，参见式(2)：

λ₁＝a+ja,λ₂＝a-ja,λ₃＝ca，λ₄＝ca (2)

其中，j表示虚数符号；a＜0表示期望闭环极点的特征参数；c>0是可调参数；

3)、定义车辆自适应巡航系统在t时刻安全车间距的控制函数，参见式(3)：

其中，K₁、K₂、K₃和K₄是控制函数的增益系数，计算过程参见式(4)：

4)、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(3)实时计算车辆自适应变速巡航系统安全车间距控制量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巡航系统安全车间距控制。

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