CN109515437A - 一种考虑前后车辆的acc车辆控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于自动驾驶汽车控制系统技术领域。特指一种考虑前后车辆的ACC车辆控制方法。采用的技术方案如下：在交通车流中把前方车辆和后方车辆看做两个势力场，控制车辆同时受到前后方车辆的引力和斥力作用，选取车辆传感器获得的前后方向车辆位置x和速度v作为特征量。在考虑前后车的基础上根据新型人工势场理论确定控制函数F合，控制函数F合作为负反馈与车辆当前合力形成对比误差，再经过PID调节修正误差，形成反馈的闭合回路，进而不断修正车辆合力使其能够按照函数F合控制前后车距，以此来提高拥挤车流的流通效率。
Description
技术领域
本发明属于自动驾驶汽车控制系统技术领域，用新的势场理论应用到无人驾 驶汽车纵横向耦合控制方法。
背景技术
无人驾驶汽车能够使人从方向盘上解放双手，并且可以更加安全高效的实现 对车的操控，同样也是科学解决道路交通拥挤，以及车辆节能环保，交通安全等 一系列问题的一条可靠途径。
纵横向耦合控制是一种在综合考虑车辆在行驶时侧偏力与纵向力的耦合关 系的基础上对车辆进行操控的控制方法，纵横向耦合控制包含了横向上的前轮转 角控制、横摆角速度控制和纵向上的速度控制。纵横向耦合控制相比于单纯的横 向控制和纵向控制，能够提高控制精度，使车辆的纵向跟随误差和横向位置误差 能够更快的收敛。
人工势场方法的基本思想是构造以障碍物为势场中心的斥力场和以目标为 中心的引力场，引力和斥力共同作用于控制体本身，距离障碍物过近则受到斥力 大于引力，距离目标点过远则引力大于斥力。
目前所存在的把人工势场运用于车辆控制中多使用的是传统人工势场，传统 的人工势场只考虑了目标、障碍物和控制体本身位置关系，适合于静态环境，而 新的人工势场把速度量考虑在内，在动态环境下能够提高控制精度。针对现在交 通拥挤工况下，行车效率极低的问题，有研究表明在车流中即使只有少数车辆具 有仿生学人工势场特性，也能提升整体道路资源的利用率。
发明内容
本发明专利把新型人工势场理论应用在道路车流中车辆的纵横向耦合控制 中，由此可以在交通拥挤的工况下，使整个车流的运行速度得到提升。
在交通车流中把前方车辆和后方车辆看做两个势力场，控制车辆同时受到前 后方车辆的引力和斥力作用，选取车辆传感器获得的前后方向车辆位置x和速度 v作为特征量。在考虑前后车的基础上根据新型人工势场理论确定控制函数F合， 控制函数F合作为负反馈与车辆当前合力形成对比误差，再经过PID调节修正误 差，形成反馈的闭合回路，进而不断修正车辆合力使其能够按照函数F合控制前 后车距，以此来提高拥挤车流的流通效率。
本发明采用的技术方案具体为：
根据车辆三自由度动力学模型、基于人工势场的预瞄偏差模型建立车辆-道 路模型，具体技术方案为：选取车辆传感器获得的前后方向车辆位置x和速度v 作为特征量。在考虑前后车的基础上根据新型人工势场理论确定控制函数F合， 控制函数F合作为负反馈与车辆当前合力形成对比误差，再经过PID调节修正误 差，形成反馈的闭合回路，进而不断修正车辆合力使其能够按照函数F＝F合控制 前后车距。
进一步，所描述的三自由度动力学模型为：
分别为车辆横摆角速度和横摆角加速度，Cf、Cr分别为前后轮的侧 偏刚度，Cx、Cz分别为车辆纵向和横摆空气阻力系数，车辆整车质量为m，车 辆绕质心(c.g.)z轴的转动惯量为Iz，前后轴距离质心的距离分别为lf、lr，vx是车 辆沿x轴的纵向速度，是车辆沿x轴的纵向速度加速度，vy是车辆沿y轴的侧 向速度，为车辆沿y轴的侧向速度加速度，fR是横摆瞬时加速度系数，g是重 力加速度，Fx是轮胎纵向力，前轮转角δ调节车辆行驶方向。
进一步，所描述的基于人工势场的预瞄偏差模型，是指本车的轮胎所受的 纵向力Fx达到下一时刻的预瞄点F合。
进一步，考虑前后车的基础上根据新型人工势场理论确定控制函数F合：
Ka1是前方车辆构建的引力势场位置增益系数；Kr1是前方车辆构建的斥力 势场位置增益系数；Ka2是后方车辆构建的引力势场位置增益系数；Kr2是后方 车辆构建的斥力势场位置增益系数；Kav1是前方车辆的引力势场速度增益函数； Krv1是前方车辆的斥力势场速度增益函数；Kav2为后方车辆的引力势场速度增益 函数；Krv2为后方车辆的斥力势场速度增益函数；X为本车车辆的位置；X1为 前方车辆的位置；X2为后方车辆的位置；V为本车车辆的速度；V1为前方车辆 的速度；V2为后方车辆的速度；ρ0是斥力势场影响距离；ρ1(X,X1)是本车和前 方车辆的距离；ρ2(X,X2)是本车和后方车辆的距离；Δ是梯度符号。
进一步，控制函数F合作为负反馈与车辆当前合力形成对比误差，再经过 PID调节修正误差，形成反馈的闭合回路，进而不断修正车辆合力使其能够按照 函数F合控制前后车距，以此来提高拥挤车流的流通效率。
本发明有益的效果是：针对现在交通拥挤工况下，行车效率极低的问题，有 研究表明在车流中即使只有少数车辆具有仿生学人工势场特性，也能提升整体道 路资源的利用率。本专利把新型人工势场理论应用在道路车流中车辆的纵横向耦 合控制中，由此可以在交通拥挤的工况下，使整个车流的运行速度得到提升。
附图说明
图1为本发明在道路的拥挤工况对车辆控制的效果图。
图2为自动驾驶汽车考虑前后车辆的ACC车辆控制方法流程图。
图3为三自由度车辆动力学模型图。
图4为基于预瞄偏差PID控制器图。
图5为新型人工势场控制系统Simulink仿真平台图
图6为本车与前后车距离ρ随时间T变化图
图7为本车的速度V与时间T变化图
图8为本车的加速度a与时间T变化图
图9为本车所受势场合力F与时间T的关系图
具体实施方式
下面将结合附图说明及具体实施方式具体对本发明作进一步的说明，但本发 明的保护范围并不仅限于此。
图1为本发明在道路的拥挤工况对车辆控制的效果图，其中本车是所控制的 自动驾驶车辆，虚线画出的本车车辆位置是未受到控制调节之前的，而实线画出 的本车位置是受控制调节之后，本车应处于的位置。
图2为自动驾驶汽车考虑前后车辆的ACC车辆控制方法流程图，自动驾驶 车辆通过传感器获得的前后方向车辆位置x和速度v作为特征量。在考虑前后车 的基础上根据新型人工势场理论确定控制函数F合，并计算出F合的数值，控制函 数F合作为负反馈与车辆当前合力F形成对比误差，若F＝F合则本车所处位置不 需要调整，车辆继续按当前状态前进，若F≠F合，经过PID调节修正误差，形 成反馈的闭合回路，进而不断修正车辆合力使其能够按照函数F合控制前后车距， 最后达到F＝F合。
本文采用三自由度动力学模型如图3，不考虑路面侧倾，俯仰角，即路面侧 倾角俯仰角θ为零，车辆在侧向和纵向没有受到重力的影响，β、r分别为质 心侧偏角和横摆角速度，此处定义Fyf、Fyr分别为前轴和后轴轮胎受到的侧向合 力，ψ为车辆横摆角；并假设车辆在横向上不受到滚动阻力的影响，横向上相对 风速为零，即忽略空气阻力对横向运动的影响；假设前轮转角δ较小，cosδ≈1， sinδ≈0。根据图3的动力学模型示意图得到：
整理可得：
其中轮胎纵向力Fx和前轮转角δ可作为控制输入。
而根据新型人工势场理论，
处于势场中的引力势及引力为：
Fa＝-grad|Ua(X)|＝-Ka|X-Xg|-Kav|V-Vg|
处于势场中的斥力势及斥力为：
(7)
可得到处于前后两个势场中所受的合力为：
通过调整上式中的各个参数以及获取了X1,X2,V1,V2之后，可得到本车X,V与 F合的关系，当本车与前车的相对位置和相对速度输入之后得到实时的F合。
构建F对F合的预瞄偏差模型，并构建整车PID控制流程，如图4所示，并 搭建Simulink仿真如图5，前后车辆都以10m/s的速度匀速行驶，所以前后车间 距不变，本车距离后车距离较近，导致前方有一大段道路空白，浪费了道路利用 率，导致后方堵车。这时本车利用人工势场控制器，是本车从10m/s开始加速， 主动调节本车位置到最佳位置。仿真时间为20s，Ka1＝Ka2＝150， Kr1＝Kr2＝120，由于前后车辆速度不变，本车车速也相差不大，故这里 Kav1＝Kav2＝1，Krv1＝Krv2＝1，前后车的初始位置X1＝-1，X2＝50，前后车的 速度为V1＝V2＝10m/s，斥力势场影响距离ρ0＝30m。
从得到的本车与前后车距离ρ随时间T变化图6可以看出，本车从初始位 置，基本经过两次调整在仿真进行到10s的时候就达到了平衡位置，调整效果比 较理想，保证了调整效率和人员安全。由于设置的前后车间距离不变为51m，最 后的平衡位置落在与前后车距25m左右的位置。从本车的速度V和加速度a与 时间T变化，即图7和图8中可以清楚地看到，在调整位置过程中本车车速的 变化是先加速，速度最高达到17.62m/s，到靠近前车位置后减速调整，车速稳定 在与前后车速相同的10m/s。而从本车所受势场合力F与时间T的关系图，即图 9中可以看出，在靠近后车或前车的地方受到的势场力比较大，这也符合了人工 驾驶的结果。
Claims (5)
1.一种考虑前后车辆的ACC车辆控制方法，其特征在于，
根据车辆三自由度动力学模型、基于人工势场的预瞄偏差模型建立车辆-道路模型；即在交通车流中把前方车辆和后方车辆看做两个势力场，控制车辆同时受到前后方车辆的引力和斥力作用，选取车辆传感器获得的前后方向车辆位置x和速度v作为特征量；在考虑前后车的基础上根据新型人工势场理论确定控制函数F合，控制函数F合作为负反馈与车辆当前合力形成对比误差，再经过PID调节修正误差，形成反馈的闭合回路，进而不断修正车辆合力使其能够按照函数F合控制前后车距，以此来提高拥挤车流的流通效率。
2.如权利要求1所述的一种考虑前后车辆的ACC车辆控制方法，其特征在于，所述的的三自由度动力学模型为：
分别为车辆横摆角速度和横摆角加速度，Cf、Cr分别为前后轮的侧偏刚度，Cx、Cz分别为车辆纵向和横摆空气阻力系数，车辆整车质量为m，车辆绕质心(c.g.)z轴的转动惯量为Iz，前后轴距离质心的距离分别为lf、lr，vx是车辆沿x轴的纵向速度，是车辆沿x轴的纵向速度加速度，vy是车辆沿y轴的侧向速度，为车辆沿y轴的侧向速度加速度，fR是横摆瞬时加速度系数，g是重力加速度，Fx是轮胎纵向力，前轮转角δ调节车辆行驶方向。
3.如权利要求1所述的一种考虑前后车辆的ACC车辆控制方法，其特征在于，所述的基于人工势场的预瞄偏差模型，是指本车的轮胎所受的纵向力Fx达到下一时刻的预瞄点F合。
4.如权利要求1所述的一种考虑前后车辆的ACC车辆控制方法，其特征在于，所述函数F合的公式如下，
Ka1是前方车辆构建的引力势场位置增益系数；Kr1是前方车辆构建的斥力势场位置增益系数；Ka2是后方车辆构建的引力势场位置增益系数；Kr2是后方车辆构建的斥力势场位置增益系数；Kav1是前方车辆的引力势场速度增益函数；Krv1是前方车辆的斥力势场速度增益函数；Kav2为后方车辆的引力势场速度增益函数；Krv2为后方车辆的斥力势场速度增益函数；X为本车车辆的位置；X1为前方车辆的位置；X2为后方车辆的位置；V为本车车辆的速度；V1为前方车辆的速度；V2为后方车辆的速度；ρ0是斥力势场影响距离；ρ1(X,X1)是本车和前方车辆的距离；ρ2(X,X2)是本车和后方车辆的距离；Δ是梯度符号。
5.如权利要求1所述的一种考虑前后车辆的ACC车辆控制方法，其特征在于，所述控制函数F合作为负反馈与车辆当前合力形成对比误差，再经过PID调节修正误差，形成反馈的闭合回路，进而不断修正车辆合力使其能够按照函数F合控制前后车距，以此来提高拥挤车流的流通效率指：计算出F合的数值，控制函数F合作为负反馈与车辆当前合力F形成对比误差，若F＝F合则本车所处位置不需要调整，车辆继续按当前状态前进，若F≠F合，经过PID调节修正误差，形成反馈的闭合回路，进而不断修正车辆合力使其能够按照函数F合控制前后车距，最后达到F＝F合。
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