CN109552325A - 一种车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制方法 - Google Patents

Abstract

一种车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制方法，针对车辆变速巡航控制领域不断提高安全车间距实时性和稳定性控制要求，建立车辆变速巡航系统三阶连续时间状态空间模型，再考虑车载传感器增益不确定性，设计一个车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制器，进而实时计算车辆变速巡航系统安全车间距控制量，实现车辆在车载传感器增益不确定条件下的车辆变速巡航控制。本发明提供一种理解直观、设计简单、易于实现的车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制方法。

Description

一种车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制方法

技术领域

本发明属于车辆巡航系统自动控制领域，涉及一种车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制方法。

背景技术

车辆自适应巡航控制(ACC)是一种通过车载传感系统获得自车状态信息以及周围车辆环境信息,并应用加速度优化算法控制调节车辆加速度，从而与前车保持稳定安全车间距的控制技术。车辆自适应巡航控制不仅有效地减轻了驾驶员在驾驶过程中的操作负担，提高了车辆驾驶的安全性和舒适性，而且能使汽车的燃油供给和发动机功率的配合达到最佳状态，从而有效地降低了能耗，因此，对于车辆自适应巡航控制系统的研究一直是车辆自动控制和智能化领域的热点。通过对现有车辆自适应巡航系统控制方法的文献的检索发现，车辆自适应巡航控制方法主要有滑模控制方法、模糊控制方法、模型预测控制方法等，同时基于神经网络的车辆巡航控制方法、基于模型匹配的车辆巡航控制方法也逐渐有学者进行深入研究，其中，滑模控制方法有克服系统的不确定性，对干扰具有良好鲁棒性的优点，通过设计所需的滑模面和等效控制律求取最优控制量；模糊控制方法适用于ACC这类结构复杂的非线性控制系统，选用适当的状态变量作为输入变量，确定恰当的隶属度函数和模糊控制规则来寻求最优控制量；模型预测控制方法能够考虑车辆行驶过程中多目标和约束问题，建立车辆预测模型，构造代价函数以及约束条件在线滚动优化求取最优控制量，并反馈校正。然而，大部分现有的车辆自适应巡航控制系统理论研究通常是基于假设车载传感器的测量值是完全准确可靠的前提下进行的，而传感系统作为感知环境信息和感知自车状态的重要单元，测量的准确性程度对车辆巡航控制的稳定性有着重要影响。实际上，下雨或是沙尘暴等恶劣天气的出现、电池电量不足、雷达信号的干扰、道路状况不佳等外界因素都会使得传感器性能出现衰减甚至出现故障，这将会导致车载传感器产生不准确的测量。对于自适应巡航控制系统而言，传感器衰减或故障造成的增益不确定性会如何影响车辆的巡航控制仍然是一个开放且具有挑战性的问题。

发明内容

为了解决现有车辆变速巡航过程中客观存在的车载传感器测量准确性难以保证的问题，本发明提供一种理解直观、设计简单、易于实现的车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

1)、建立车辆变速巡航系统三阶连续时间动态数学模型，参见式(1)：

其中，下标1表示本车，下标0则表示前车；变量t表示时间；变量δ₁(t)、Δv₁(t)和a₁(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；u₁(t)表示在t时刻本车的命令加速度；参数h₁和分别为时间间隔和发动机时间常数；定义状态变量x₁＝[δ₁Δv₁ a₁]^T，式(1)转化为状态空间模型，参见式(2)：

其中，

2)、定义车辆变速巡航系统在t时刻的传感器增益不确定鲁棒控制函数，参见式(3)：

其中，ρ₁、ρ₂和ρ₃为车载传感器增益不确定系数，前车加速度a₀(t)由无线信道传输获得，设控制器对前车加速度a₀(t)的控制增益为k₃，令K₁＝[k₁ k₂ k₃]，其中，K₁是控制函数的增益向量；

3)、求解实矩阵和V，满足线性矩阵不等式，参见式(4)：

其中，矩阵则控制函数的增益向量

4)、通过车载传感器得到当前时刻前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，通过无线信道传输得到当前时刻前车加速度，根据方程式(3)实时计算车辆自适应巡航系统安全车间距控制量u₁(t)，驱动本车跟踪前车运动状态；在下一个控制周期时，重新通过车载传感器得到前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，通过无线信道传输得到前车加速度，如此周而复始，实现本车高实时性和稳定性的车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制。

本发明的技术构思是：针对车辆变速巡航控制领域不断提高安全车间距实时性和稳定性控制要求，建立车辆变速巡航系统三阶连续时间状态空间模型，再考虑车载传感器增益不确定性，设计一个车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制器，进而实时计算车辆变速巡航系统安全车间距控制量，实现车辆在车载传感器增益不确定条件下的车辆变速巡航控制。

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，输入时间间隔h₁、发动机时间常数在控制器参数设置中，输入车载传感器增益不确定系数ρ₁、ρ₂和ρ₃，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，离线求解线性矩阵不等式(4)，获取可行解，并由可行解求得自车控制函数的增益向量K₁，观察车辆变速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变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制的最优可行解，从而确定相应控制函数的最优增益向量K₁；

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，通过车载传感器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，通过无线信道传输得到当前时刻前车加速度，实时计算车辆变速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，重新通过车载传感器在线测量前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，通过无线信道传输得到前车加速度，如此周而复始，实现本车高实时性和稳定性的车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制。

本发明的有益效果主要表现在：1、该车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制器调整设计简洁、便于理解、求解便捷、实用性强；2、将车载传感器在实际应用中客观存在的测量不确定性纳入到控制器设计考虑范围当中，而不是单一进行理想化考虑，有利于提高车辆巡航系统的实际稳定性，也更加符合实际应用环境，提高车辆变速巡航系统的实践应用性。

附图说明

图1为车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制中本车与前车的车间距变化曲线。

图2为车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制中本车的输入控制量变化曲线。

图3为车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制中本车与前车的间距误差变化曲线。

图4为车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制中本车的加速度变化曲线。

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4，一种车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

1)、建立车辆变速巡航系统三阶连续时间动态数学模型，参见式(1)：

其中，下标1表示本车，下标0则表示前车；变量t表示时间；变量δ₁(t)、Δv₁(t)和a₁(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；u₁(t)表示在t时刻本车的命令加速度；参数h₁和分别为时间间隔和发动机时间常数；定义状态变量x₁＝[δ₁Δv₁ a₁]^T，式(1)转化为状态空间模型，参见式(2)：

其中，

2)、定义车辆变速巡航系统在t时刻的传感器增益不确定鲁棒控制函数，参见式(3)：

其中，ρ₁、ρ₂和ρ₃为车载传感器增益不确定系数，前车加速度a₀(t)由无线信道传输获得，设控制器对前车加速度a₀(t)的控制增益为k₃，令K₁＝[k₁ k₂ k₃]，其中，K₁是控制函数的增益向量；

3)、求解实矩阵和V，满足线性矩阵不等式，参见式(4)：

其中，矩阵则控制函数的增益向量

4)、通过车载传感器得到当前时刻前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，通过无线信道传输得到当前时刻前车加速度，根据方程式(3)实时计算车辆自适应巡航系统安全车间距控制量u₁(t)，驱动本车跟踪前车运动状态；在下一个控制周期时，重新通过车载传感器得到前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，通过无线信道传输得到前车加速度，如此周而复始，实现本车高实时性和稳定性的车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制。

本实施例为车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制过程，操作过程如下：

1、在参数设置界面中，输入模型参数，如下：时间间隔h₁＝2s、发动机时间常数车长L＝2m，最小安全距离d₀＝8m，前车从静止开始，即初速度为v₀＝0m/s，0秒到8秒做加速度为a₀＝1m/s²的加速运动，之后前车加速度a₀＝0m/s²；输入控制器参数，如下：车载传感器增益不确定ρ₁＝1，ρ₂＝0.95，ρ₃＝0.97；

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”求解传感器增益不确定鲁棒控制函数增益系数K₁，计算过程如下：

2.1)根据给定的传感器增益不确定参数ρ₁、ρ₂和ρ₃，利用方程式(4)计算可行解及相应的控制函数增益系数K₁；

2.2)观察车辆变速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变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制的最优可行解：

V＝[0.3058 0.2927 0.2936]；

2.3)利用确定的最优可行解和V，计算控制器增益向量K₁，

K₁＝[1.0545 0.9654 -0.2155]，

将计算结果保存到计算机存储单元RAM中；

3、启动主控制计算机的CPU读取模型参数和控制器参数，通过车载传感器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，通过无线信道传输得到当前时刻前车加速度，实时计算车辆变速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，重新通过车载传感器在线测量前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，通过无线信道传输得到前车加速度，如此周而复始，实现本车高实时性和稳定性的车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制。

实际控制效果如图1、图2、图3和图4所示，其中，图1为车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制中本车与前车的车间距变化曲线，图2为车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制中本车的输入控制量变化曲线，图3为车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制中本车与前车的间距误差变化曲线，图4为车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制中本车的加速度变化曲线。

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变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制效果。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)

1.一种车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：

1)、建立车辆变速巡航系统三阶连续时间动态数学模型，参见式(1)：

其中，下标1表示本车，下标0则表示前车；变量t表示时间；变量δ₁(t)、Δv₁(t)和a₁(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；u₁(t)表示在t时刻本车的命令加速度；参数h₁和分别为时间间隔和发动机时间常数；定义状态变量x₁＝[δ₁ Δv₁a₁]^T，式(1)转化为状态空间模型，参见式(2)：

其中，

2)、定义车辆变速巡航系统在t时刻的传感器增益不确定鲁棒控制函数，参见式(3)：

其中，ρ₁、ρ₂和ρ₃为车载传感器增益不确定系数，前车加速度a₀(t)由无线信道传输获得，设控制器对前车加速度a₀(t)的控制增益为k₃，令K₁＝[k₁ k₂ k₃]，其中，K₁是控制函数的增益向量；

3)、求解实矩阵和V，满足线性矩阵不等式，参见式(4)：

其中，矩阵则控制函数的增益向量

4)、通过车载传感器得到当前时刻前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，通过无线信道传输得到当前时刻前车加速度，根据方程式(3)实时计算车辆自适应巡航系统安全车间距控制量u₁(t)，驱动本车跟踪前车运动状态；在下一个控制周期时，重新通过车载传感器得到前车与本车的间距误差、相对速度和本车加速度，通过无线信道传输得到前车加速度，如此周而复始，实现本车高实时性和稳定性的车辆变速巡航系统传感器增益不确定鲁棒控制。