CN109435949A - 一种车辆自适应巡航控制方法及系统 - Google Patents

一种车辆自适应巡航控制方法及系统 Download PDF

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姜建满
吴琼
岳丽姣
徐春梅
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Abstract

本发明提供一种车辆自适应巡航控制方法及系统，该方法包括：设置车间距约束条件、加速度约束条件和车速约束条件，并建立上位控制运动学模型。获取前车和本车的两辆车头端部的瞬间距离和本车不同时刻车速的加速度，并根据所述控制运动学模型确定期望车距和期望加速度，以控制两车间的实际车距小于所述期望车距。建立下位控制逆纵向动力学模型，并根据所述期望加速度和所述期望车距确定期望节气门开度或期望制动踏板开度，以控制车辆的车速。本发明能解决现有车辆自适应巡航控制存在车辆加速度控制考虑不够充分，易造成舒适性和燃油性的问题，能提高车辆自适应巡航控制的智能性和安全性。

Description

一种车辆自适应巡航控制方法及系统
技术领域
本发明涉及车辆自适应巡航技术领域，尤其涉及一种车辆自适应巡航 控制方法及系统。
背景技术
自适应巡航控制(Adaptive Cruise Control，以下简称ACC)系统是一种 以驾驶员设定车速为控制目标的智能控制系统，ACC系统在检测到本车前 进道路上存在速度更慢的车辆时，ACC系统会降低车速并控制与前方车辆 的间隙或时间间隙，若系统检测到前方车辆并不在本车行驶道路上时将加 快本车速度使之回到之前所设定的速度。由于ACC系统可以减轻驾驶员 疲劳强度，增加汽车安全性，减小环境污染等优点，因此越来越得到广泛引用，成为最受欢迎的驾驶员辅助系统之一。
目前ACC控制系统主要通过建立二自由度车辆动力学模型、路径预瞄 和性能指标函数模型，设计基于MPC的轨迹跟踪控制器。车辆模型基于模 型预测控制(MPC)的轨迹跟踪控制器获取横向和偏航路径跟踪误差以及 方向盘转角输入，实现车辆路径跟踪。没有涉及目标加速度的求解算法， 在控制算法设计上对乘坐舒适性及燃油经济性等方面考虑的不够充分，实 用性不够强。
发明内容
本发明提供一种车辆自适应巡航控制方法及系统，解决现有车辆自适 应巡航控制存在车辆加速度控制考虑不够充分，易造成舒适性和燃油性的 问题，能提高车辆自适应巡航控制的智能性和安全性。
为实现以上目的，本发明提供以下技术方案：
一种车辆自适应巡航控制方法，包括：
设置车间距约束条件、加速度约束条件和车速约束条件，并建立上位 控制运动学模型；
获取前车和本车的两辆车头端部的瞬间距离和本车不同时刻车速的加 速度，并根据所述控制运动学模型确定期望车距和期望加速度，以控制两 车间的实际车距小于所述期望车距；
建立下位控制逆纵向动力学模型，并根据所述期望加速度和所述期望 车距确定期望节气门开度或期望制动踏板开度，以控制车辆的车速。
优选的，所述建立上位控制运动学模型包括：
根据本车与前车之前的相互纵向动力学特性，建立车辆运动学关系模 型；
所述车辆运动学关系模型包括：和 Δxdes＝th·v2(k)+x0，其中，a2(k)为K时刻本车的加速度，a2(k+1)为K+1时刻 本车的加速度，τ为时间常数，Ts为采样周期，at(k)为期望加速度，Δxdes为 期望车距，v2(k)为K时刻的本车车速，th为安全时距，x0为最小固定车距。
优选的，所述建立上位控制运动学模型还包括：
根据恒定车头时距策略建立车辆的纵向动力学模型，所述纵向动力学 模型：
vref(k+1)＝vref(k)+a1(k)Ts-a2(k)Ts；
v2(k+1)＝v2(k)+a2(k)Ts；
其中，Δx(k+1)为K+1时刻本车与前车的间距，Δx(k)为K时刻本车与 前车的间距，vref(k)为K时刻两车间的相对速度，vref(k+1)为K+1时刻两车 间的相对速度，v2(k+1)为K+1时刻的本车车速，a1(k)为K时刻前车的加速 度，j2(k+1)为本车在K+1时刻加速度的变化率。
优选的，所述建立下位控制逆纵向动力学模型，并根据所述期望加速 度和所述期望车距确定期望节气门开度或期望制动踏板开度，包括：
建立汽车驱动工况行驶方程：计算 得到发动机输出扭矩，其中，Ttq为发动机输出扭矩，ig为变速箱速比，i0为 主传动比，ηT为传动效率，r为车轮半径，G为作用于汽车的重力，f为滚 动阻力系数，α为坡度角，CD为空气阻力系数，A为迎风面积，ua为车速， δ为汽车旋转质量换算系数，m为汽车质量，a为汽车加速度；
利用发动机MAP图查表得到发动机输出扭矩对应的节气门开度。
优选的，所述建立下位控制逆纵向动力学模型，并根据所述期望加速 度和所述期望车距确定期望节气门开度或期望制动踏板位置，包括：
建立汽车制动工况下制动方程：计算制 动力矩，其中，Tb为制动力矩；
获取每个车轮的制动压力Pb，并根据公式：计 算制动压力最大值Pbmax，其中，Ab为摩擦片与制动盘的接触面积，rb为制 动半径，μb为刹车片与刹车盘之间的摩擦系数；
根据公式：计算得到期望制动踏板开度。
优选的，还包括：
设置模糊PID控制算法对所述期望加速度进行模糊控制，使车辆加速 度对期望加速度的误差快速收敛。
本发明还提供一种车辆自适应巡航控制系统，包括：
建模单元，用于设置车间距约束条件、加速度约束条件和车速约束条 件，并建立上位控制运动学模型和下位控制逆纵向动力学模型；
上位控制单元，用于获取前车和本车的两辆车头端部的瞬间距离和本 车不同时刻车速的加速度，并根据所述控制运动学模型确定期望车距和期 望加速度，以控制两车间的实际车距小于所述期望车距；
下位控制单元，用于根据所述下位控制逆纵向动力学模型、所述期望 加速度和所述期望车距确定期望节气门开度或期望制动踏板开度，以控制 车辆的车速。
优选的，所述下位控制单元包括：
驱动工况控制单元，用于建立汽车驱动工况行驶方程：计算得到发动机输出扭矩，并利用发动 机MAP图查表得到发动机输出扭矩对应的节气门开度；
其中，Ttq为发动机输出扭矩，ig为变速箱速比，i0为主传动比，ηT为传 动效率，r为车轮半径，G为作用于汽车的重力，f为滚动阻力系数，α为 坡度角，CD为空气阻力系数，A为迎风面积，ua为车速，δ为汽车旋转质 量换算系数，m为汽车质量，a为汽车加速度。
优选的，所述下位控制单元包括：
制动工况控制单元，用于建立汽车制动工况下制动方程：计算制动力矩，其中，Tb为制动力矩；
所述制动工况控制单元还用于获取每个车轮的制动压力Pb，并根据公 式：计算制动压力最大值Pbmax，其中，Ab为摩擦 片与制动盘的接触面积，rb为制动半径，μb为刹车片与刹车盘之间的摩擦 系数；
所述制动工况控制单元还根据公式：计算得到期望制动 踏板开度。
优选的，所述下位控制单元包括：
模糊控制单元，用于设置模糊PID控制算法对所述期望加速度进行模 糊控制，使车辆加速度对期望加速度的误差快速收敛。
本发明提供一种车辆自适应巡航控制方法及系统，通过建立上位控制 运动学模型和下位控制逆纵向动力学模型，以计算得到期望节气门开度和 期望制动踏板开度，进而控制车辆的车速。解决现有车辆自适应巡航控制 存在车辆加速度控制考虑不够充分，易造成舒适性和燃油性的问题，能提 高车辆自适应巡航控制的智能性和安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的具体实施例，下面将对实施例中所需要使 用的附图作简单地介绍。
图1：是本发明提供的一种车辆自适应巡航控制方法流程图。
图2：是本发明实施例提供的一种自适应巡航控制逻辑图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合 附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。
针对当前车辆自适应巡航控制舒适性不高和燃油性不好的问题，本发 明提供一种车辆自适应巡航控制方法及系统，通过建立上位控制运动学模 型和下位控制逆纵向动力学模型，以计算得到期望节气门开度和期望制动 踏板开度，进而控制车辆的车速。解决现有车辆自适应巡航控制存在车辆 加速度控制考虑不够充分，易造成舒适性和燃油性的问题，能提高车辆自 适应巡航控制的智能性和安全性。
如图1和图2所示，一种车辆自适应巡航控制方法，包括：
S1：设置车间距约束条件、加速度约束条件和车速约束条件，并建立 上位控制运动学模型；
S2：获取前车和本车的两辆车头端部的瞬间距离和本车不同时刻车速 的加速度，并根据所述控制运动学模型确定期望车距和期望加速度，以控 制两车间的实际车距小于所述期望车距；
S3：建立下位控制逆纵向动力学模型，并根据所述期望加速度和所述 期望车距确定期望节气门开度或期望制动踏板开度，以控制车辆的车速。
在实际应用中，ACC控制系统的控制目标是跟踪目标车速的同时能够 满足安全性，舒适性及燃油经济性的要求，将这些控制目标转化为相应的 控制目标函数和约束的形式。即需要满足以下条件：
(1)安全性：满足车间距大于一定的范围，此处取车间距不小于最小 安全距离。
(2)乘坐舒适性：用加速度的变化率，即冲击度来表示，冲击度越小 乘坐舒适性越高，常取-2.5m/s3～2.5m/s3。
(3)燃油经济性限制：车辆行驶过程中速度的变化越平滑燃油经济性 越高，取实际加速度和期望加速度的变化范围为-2m/s2～2m/s2。
(4)车速限制：需要满足交通法规及自身约束的要求，常取0-120km/h。
可归纳为以下约束条件：
其中，v为车速，要求车速的上下限分别为vmin和vmax。a为加速度，at代表期望加速度。j为冲击度。
所述建立上位控制运动学模型包括：根据本车与前车之前的相互纵向 动力学特性，建立车辆运动学关系模型，所述车辆运动学关系模型包括：和Δxdes＝th·v2(k)+x0，其中，a2(k)为K时刻本车的 加速度，a2(k+1)为K+1时刻本车的加速度，τ为时间常数，Ts为采样周期， at(k)为期望加速度，Δxdes为期望车距，v2(k)为K时刻的本车车速，th为安全 时距，x0为最小固定车距。
所述建立上位控制运动学模型还包括：根据恒定车头时距策略建立车 辆的纵向动力学模型，所述纵向动力学模型：
vref(k+1)＝vref(k)+a1(k)Ts-a2(k)Ts；
v2(k+1)＝v2(k)+a2(k)Ts；
其中，Δx(k+1)为K+1时刻本车与前车的间距，Δx(k)为K时刻本车与 前车的间距，vref(k)为K时刻两车间的相对速度，vref(k+1)为K+1时刻两车 间的相对速度，v2(k+1)为K+1时刻的本车车速，a1(k)为K时刻前车的加速 度，j2(k+1)为本车在K+1时刻加速度的变化率，即冲击度。
在实际应用中，选取输入量为目标加速度u(k)＝at(k)，状态变量 x＝[Δx(k),vref(k),v2(k),a2(k),j2(k)]T，扰动为前车加速度a1(k)，控制的目标是使 两车间的实际车距接近于目标车距，本车车速接近于前车车速，保持两车 相对静止的状态，即取系统输出y(k)＝[Δx(k)-Δxdes,vref(k)]T；取ω＝a2(k)为系统扰 动。可以写成如下所示的状态空间的表达形式：
x(k+1)＝A·x(k)+B·u(k)+D·ω(k)；
y(k)＝C·x(k)+z；
其中，
以上的分析可以看出，系统需要满足两个控制目标：一是实际车距跟 踪上期望车距，二是后车速度跟踪上前车速度。同时考虑到控制量及控制 变化量，设计惩罚函数为：
式中，K-1为上一采样时刻，HP为预测步长，取为30，Hc为控制步 长，取为1，yp(k+i|k)为由k时刻预测出的k+i时刻的输出值，u(k+i)和 Δu(k+i)分别表示控制输入和控制输入的增加量，其中i＝0,1,…,Hc-1， Q、R、S分别表示系统输出、控制增量和控制量权重系数矩阵。
所述建立下位控制逆纵向动力学模型，并根据所述期望加速度和所述 期望车距确定期望节气门开度或期望制动踏板开度，包括：
建立汽车驱动工况行驶方程：计算得到发动机输出扭矩，并利用发动机MAP图查表得到发动机输出扭矩对应 的节气门开度。
其中，Ttq为发动机输出扭矩，ig为变速箱速比，i0为主传动比，ηT为传 动效率，r为车轮半径，G为作用于汽车的重力，f为滚动阻力系数，α为 坡度角，CD为空气阻力系数，A为迎风面积，ua为车速，δ为汽车旋转质 量换算系数，m为汽车质量，a为汽车加速度；
所述建立下位控制逆纵向动力学模型，并根据所述期望加速度和所述 期望车距确定期望节气门开度或期望制动踏板位置，包括：
建立汽车制动工况下制动方程：计算制 动力矩，其中，Tb为制动力矩。
获取每个车轮的制动压力Pb，并根据公式：计算 制动压力最大值Pbmax，其中，Ab为摩擦片与制动盘的接触面积，rb为制动 半径，μb为刹车片与刹车盘之间的摩擦系数。
根据公式：计算得到期望制动踏板开度。
该方法还包括：设置模糊PID控制算法对所述期望加速度进行模糊控 制，使车辆加速度对期望加速度的误差快速收敛。
可见，本发明提供一种车辆自适应巡航控制方法，通过建立上位控制 运动学模型和下位控制逆纵向动力学模型，以计算得到期望节气门开度和 期望制动踏板开度，进而控制车辆的车速。解决现有车辆自适应巡航控制 存在车辆加速度控制考虑不够充分，易造成舒适性和燃油性的问题，能提 高车辆自适应巡航控制的智能性和安全性。
本发明还提供一种车辆自适应巡航控制系统，包括：
建模单元，用于设置车间距约束条件、加速度约束条件和车速约束条 件，并建立上位控制运动学模型和下位控制逆纵向动力学模型；
上位控制单元，用于获取前车和本车的两辆车头端部的瞬间距离和本 车不同时刻车速的加速度，并根据所述控制运动学模型确定期望车距和期 望加速度，以控制两车间的实际车距小于所述期望车距；
下位控制单元，用于根据所述下位控制逆纵向动力学模型、所述期望 加速度和所述期望车距确定期望节气门开度或期望制动踏板开度，以控制 车辆的车速。
优选的，所述下位控制单元包括：
驱动工况控制单元，用于建立汽车驱动工况行驶方程：计算得到发动机输出扭矩，并利用发动 机MAP图查表得到发动机输出扭矩对应的节气门开度；
其中，Ttq为发动机输出扭矩，ig为变速箱速比，i0为主传动比，ηT为传 动效率，r为车轮半径，G为作用于汽车的重力，f为滚动阻力系数，α为 坡度角，CD为空气阻力系数，A为迎风面积，ua为车速，δ为汽车旋转质 量换算系数，m为汽车质量，a为汽车加速度。
优选的，所述下位控制单元包括：
制动工况控制单元，用于建立汽车制动工况下制动方程：计算制动力矩，其中，Tb为制动力矩；
所述制动工况控制单元还用于获取每个车轮的制动压力Pb，并根据公 式：计算制动压力最大值Pbmax，其中，Ab为摩擦 片与制动盘的接触面积，rb为制动半径，μb为刹车片与刹车盘之间的摩擦 系数；
所述制动工况控制单元还根据公式：计算得到期望制动 踏板开度。
优选的，所述下位控制单元包括：
模糊控制单元，用于设置模糊PID控制算法对所述期望加速度进行模 糊控制，使车辆加速度对期望加速度的误差快速收敛。
可见，本发明提供一种车辆自适应巡航控制系统，通过建模单元建立 上位控制运动学模型和下位控制逆纵向动力学模型，以计算得到期望节气 门开度和期望制动踏板开度，进而控制车辆的车速。解决现有车辆自适应 巡航控制存在车辆加速度控制考虑不够充分，易造成舒适性和燃油性的问 题，能提高车辆自适应巡航控制的智能性和安全性。
以上依据图示所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效 果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施 范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施 例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种车辆自适应巡航控制方法，其特征在于，包括：
设置车间距约束条件、加速度约束条件和车速约束条件，并建立上位控制运动学模型；
获取前车和本车的两辆车头端部的瞬间距离和本车不同时刻车速的加速度，并根据所述控制运动学模型确定期望车距和期望加速度，以控制两车间的实际车距小于所述期望车距；
建立下位控制逆纵向动力学模型，并根据所述期望加速度和所述期望车距确定期望节气门开度或期望制动踏板开度，以控制车辆的车速。
2.根据权利要求1所述的车辆自适应巡航控制方法，其特征在于，所述建立上位控制运动学模型包括：
根据本车与前车之前的相互纵向动力学特性，建立车辆运动学关系模型；
所述车辆运动学关系模型包括：和Δxdes＝th·v2(k)+x0，其中，a2(k)为K时刻本车的加速度，a2(k+1)为K+1时刻本车的加速度，τ为时间常数，Ts为采样周期，at(k)为期望加速度，Δxdes为期望车距，v2(k)为K时刻的本车车速，th为安全时距，x0为最小固定车距。
3.根据权利要求2所述的车辆自适应巡航控制方法，其特征在于，所述建立上位控制运动学模型还包括：
根据恒定车头时距策略建立车辆的纵向动力学模型，所述纵向动力学模型：
vref(k+1)＝vref(k)+a1(k)Ts-a2(k)Ts；
v2(k+1)＝v2(k)+a2(k)Ts；
其中，Δx(k+1)为K+1时刻本车与前车的间距，Δx(k)为K时刻本车与前车的间距，vref(k)为K时刻两车间的相对速度，vref(k+1)为K+1时刻两车间的相对速度，v2(k+1)为K+1时刻的本车车速，a1(k)为K时刻前车的加速度，j2(k+1)为本车在K+1时刻加速度的变化率。
4.根据权利要求3所述的车辆自适应巡航控制方法，其特征在于，所述建立下位控制逆纵向动力学模型，并根据所述期望加速度和所述期望车距确定期望节气门开度或期望制动踏板开度，包括：
建立汽车驱动工况行驶方程：计算得到发动机输出扭矩，其中，Ttq为发动机输出扭矩，ig为变速箱速比，i0为主传动比，ηT为传动效率，r为车轮半径，G为作用于汽车的重力，f为滚动阻力系数，α为坡度角，CD为空气阻力系数，A为迎风面积，ua为车速，δ为汽车旋转质量换算系数，m为汽车质量，a为汽车加速度；
利用发动机MAP图查表得到发动机输出扭矩对应的节气门开度。
5.根据权利要求4所述的车辆自适应巡航控制方法，其特征在于，所述建立下位控制逆纵向动力学模型，并根据所述期望加速度和所述期望车距确定期望节气门开度或期望制动踏板位置，包括：
建立汽车制动工况下制动方程：计算制动力矩，其中，Tb为制动力矩；
获取每个车轮的制动压力Pb，并根据公式：计算制动压力最大值Pbmax，其中，Ab为摩擦片与制动盘的接触面积，rb为制动半径，μb为刹车片与刹车盘之间的摩擦系数；
根据公式：计算得到期望制动踏板开度。
6.根据权利要求5所述的车辆自适应巡航控制方法，其特征在于，还包括：
设置模糊PID控制算法对所述期望加速度进行模糊控制，使车辆加速度对期望加速度的误差快速收敛。
7.一种车辆自适应巡航控制系统，其特征在于，包括：
建模单元，用于设置车间距约束条件、加速度约束条件和车速约束条件，并建立上位控制运动学模型和下位控制逆纵向动力学模型；
上位控制单元，用于获取前车和本车的两辆车头端部的瞬间距离和本车不同时刻车速的加速度，并根据所述控制运动学模型确定期望车距和期望加速度，以控制两车间的实际车距小于所述期望车距；
下位控制单元，用于根据所述下位控制逆纵向动力学模型、所述期望加速度和所述期望车距确定期望节气门开度或期望制动踏板开度，以控制车辆的车速。
8.根据权利要求7所述的车辆自适应巡航控制方法，其特征在于，所述下位控制单元包括：
驱动工况控制单元，用于建立汽车驱动工况行驶方程：计算得到发动机输出扭矩，并利用发动机MAP图查表得到发动机输出扭矩对应的节气门开度；
其中，Ttq为发动机输出扭矩，ig为变速箱速比，i0为主传动比，ηT为传动效率，r为车轮半径，G为作用于汽车的重力，f为滚动阻力系数，α为坡度角，CD为空气阻力系数，A为迎风面积，ua为车速，δ为汽车旋转质量换算系数，m为汽车质量，a为汽车加速度。
9.根据权利要求8所述的车辆自适应巡航控制方法，其特征在于，所述下位控制单元包括：
制动工况控制单元，用于建立汽车制动工况下制动方程：计算制动力矩，其中，Tb为制动力矩；
所述制动工况控制单元还用于获取每个车轮的制动压力Pb，并根据公式：计算制动压力最大值Pbmax，其中，Ab为摩擦片与制动盘的接触面积，rb为制动半径，μb为刹车片与刹车盘之间的摩擦系数；
所述制动工况控制单元还根据公式：计算得到期望制动踏板开度。
10.根据权利要求9所述的车辆自适应巡航控制方法，其特征在于，所述下位控制单元包括：
模糊控制单元，用于设置模糊PID控制算法对所述期望加速度进行模糊控制，使车辆加速度对期望加速度的误差快速收敛。
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