CN110162045A - 一种基于自适应三步法的卡车编队行驶跟随车控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应三步法的卡车编队行驶跟随车控制方法，根据车辆在行驶过程中受力情况，建立车辆纵向动力学方程；使用车辆纵向动力学方程，以期望车间距偏差以及速度偏差作为状态量，以期望输出力矩作为控制量，建立非线性状态空间方程；随后建立队列整体李雅普诺夫，并据此建立控制器参考输入信号的形式；基于三步法控制理论，设计控制器并确定三步法控制器参数自适应律，得到控制器的控制率，控制器根据每一时刻的状态信息并结合控制律的表现形式确定输出控制量，直接作为驱动/制动力矩信号作用给被控车辆。将李雅普诺夫函数法用于控制器参考输入的设计过程中，三步法控制器在自适应律的调整下实时对控制器参数进行调整。

Description

一种基于自适应三步法的卡车编队行驶跟随车控制方法

技术领域

本发明涉及一种提升高速公路重型卡车队列中车辆跟随性能的方法，具体的说是一种基于自适应三步法的卡车编队行驶跟随车控制方法。

背景技术

高速公路卡车编队中车辆数目逐渐增多时，可以进一步充分利用领航车对前方气流的屏障作用，实现进一步提升道路交通运输的燃油经济性以及高速公路的潜在容量，随着通信技术以及汽车电子技术的不断进步，实现多车编队行驶控制是卡车编队研究领域的必然趋势。然而相比于控制两车队列的控制问题，控制由多车组成编队进行协同行进需要控制器能同时兼顾前后车的动态变化，平衡与前后车的安全距离，同时保证应有的跟踪性能且控制算法应满足队列稳定性需求，因此设计多车编队控制器存在更多挑战。

发明内容

本发明提供了一种基于自适应三步法的卡车编队行驶跟随车控制方法，对车辆纵向动力学建立的数学模型，将李雅普诺夫函数法和三步法应用于控制器的设计过程中，通过获取的自己车所相邻的前后车道路交通信息，在跟随过程中将前后车动态变化考虑进来，将李雅普诺夫函数法应用于控制器参考输入的设计过程中，随后基于三步法控制原理，设计本车的控制器，并通过设计控制器参数自适应律以满足不同的道路交通情况，最终本发明通过理论分析证明了该控制方法满足队列稳定性的要求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于自适应三步法的卡车编队行驶跟随车控制方法，包括以下步骤：

步骤一：根据车辆在行驶过程中受力情况，建立车辆纵向动力学方程；

步骤二：使用所述步骤一建立的车辆纵向动力学方程的基础上，以期望车间距偏差以及速度偏差作为状态量，以期望输出力矩作为控制量，建立非线性状态空间方程。随后建立队列整体李雅普诺夫，并据此建立控制器参考输入信号的形式。

步骤三：基于三步法控制理论，设计控制器并确定三步法控制器参数自适应律，得到控制器的控制率，控制器根据每一时刻的状态信息并结合控制律的表现形式确定输出控制量，直接作为驱动/制动力矩信号作用给被控车辆。

本发明的效益为：

为了能使所设计的控制器能有效保证卡车编队行驶对速度一致和安全性的要求，本发明将李雅普诺夫函数法和三步法应用于控制器的设计过程中，其中，李雅普诺夫函数法解决了动态系统的稳定性收敛问题，本发明将该方法应用于控制器参考输入的设计过程中，保证了车辆编队整体的动态稳定性。

本发明的跟随车分布式控制器基于三步法理论进行设计，可以有效的控制卡车编队向前平稳行驶，控制器的参考输入将前后车动态变化同时考虑进来，三步法控制器在自适应律的调整下实时对控制器参数进行调整，保证了跟随车对参考输入的跟踪效果以及编队稳定性控制需求。

本发明将队列中两车的相对速度和两车的距离偏差作为跟踪目标，保证车辆队列在行驶过程中车间距离保持在期望距离，根据车辆行驶过程中空气阻力和车间距离的关系，本发明所提出的控制方法间接提升了车辆队列整体的燃油经济性。

附图说明

图1为车辆队列行驶所受空气阻力示意图；

图2为行驶车辆所受力示意图；

图3为控制器整体控制框图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的技术方案：

一种基于自适应三步法的卡车编队行驶跟随车控制方法，包括以下步骤：

步骤一：根据车辆在行驶过程中受力情况，建立车辆纵向动力学方程。

卡车行驶过程中的运动学十分复杂，很多研究是基于高精度车辆动力学模型，但其实复杂的车辆动力学模型并不容易建立，同时也不利于控制器的设计。本发明在牛顿第二定律的基础上，将卡车运动学模型进行简化为单自由度车辆模型，卡车发动机产生的驱动力矩经传动系作用于车轮，克服所受的所有行驶阻力推动卡车向前行驶。卡车在行驶过程中的纵向受力示意图如图1所示，其所受力主要包括四个部分：驱动力F_engine，单位N；制动力F_brake，单位N；路面滚动阻力F_roll，单位N；空气阻力F_airdrag，单位N；重力分量F_gravity，单位N。

F_engine为发动机产生的驱动力矩经车辆传动系统后作用于车轮产生的推力，发动机产生的推力最终可表达成形式如式1所示：

其中，T_tq为发动机输出的力矩，单位Nm；i_g为差速器传动比；i₀为主减速器传动比；η为传动系机械效率；R为车轮有效半径，单位m。

F_roll为车辆受自身在沿道路垂直方向的重力分量作用，受道路路面摩擦产生平行切向的滚动阻力，可通过如下式2所示：

F_roll＝μMgcosθ (2)

其中，M为车辆制动主缸压力，单位kg；g为重力加速度，单位m/s²；μ为路面滚动阻力系数，其具体数值主要取决于轮胎的材料、路面湿滑程度以及周边环境情况，本发明中取路面滚动阻力系数为μ＝0.03；θ为道路坡度。

F_gravity为车辆受自身重力作用，在沿道路坡度斜向所产生的分量，如式3所示：

F_gravity＝Mgsinθ (3)

F_airdrag为车辆在行驶过程中所受空气阻力，如式4所示。

其中，A为卡车的有效迎风面积，单位m²；ρ为空气密度，单位kg/m³；v为车辆行驶速度，单位m/s；d车间距离长度，单位m；C_D为空气阻力系数，其具体计算方法如式5所示：

其中C_D0，C_D1，C_D2为经验系数，本发明结合仿真道路环境，取C_D0＝0.75，C_D1＝8.125449263，C_D2＝24.74382353，d为跟随车与领航车之间的车间距离，单位m。

对式1到式5进行整理，可以得出体现卡车纵向动力学特征的方程，如式6所示：

步骤二：使用所述步骤一建立的车辆纵向动力学方程的基础上，以期望车间距偏差以及速度偏差作为状态量，以期望输出力矩作为控制量，建立非线性状态空间方程：

针对步骤一车辆纵向动力学分析的基础上，以期望车间距偏差e_pi和速度偏差e_vi作为状态量，以期望输出力矩u＝T_q作为控制量，建立非线性状态空间方程，如式7所示：

其中e_pi为期望车间距偏差，单位m；e_vi为速度偏差，单位m/s；a_i为车辆加速度，单位m/s²；

为了便于下一步的控制器设计以及对控制性能的理论分析，将对式7进行参数化处理，令θ_i,2＝μg，θ_i,3＝g，如式8所示：

随后，建立队列整体李雅普诺夫，并据此建立控制器参考输入信号的形式：

本发明所设计的车辆编队控制器所采取的通信拓步结构如图2所示，队列中每一辆车会获取到前后车的状态信息，同时将自身车辆信息传递给前后车。考虑到本发明的车辆非线性动力学模型以及控制问题，经典控制理论中的根轨迹法、奈奎斯特曲线法等稳定性判别法在此并不适用，因此，本发明考虑控制器设计过程中，将李雅普诺夫函数判别法应用进来，保证控制系统的稳定性。首先针对车辆数目为N的车辆编队，针对每一辆车定义耦合变量z_i，如式9所示：

其中γ_i为一介于1和0的可变控制器参数。

针对队列中的第i辆车定义李雅普诺夫函数，如式10所示：

对其进行求导可得：

其中，考虑到道路曲率变化对控制器性能的影响，参数h_i的观测值可能和实际值存在一定误差，考虑到这一细节，令其中为估计值，h为实际值，为二者之间的偏差，如式12所示：

定义虚拟参考输入变量如式13所示：

定义参数的自适应律如式14所示：

重新定义编队中每一辆车控制器的李雅普诺夫函数因此针对由N辆车组成的车辆编队整体，可整体李雅普诺夫函数为并将式13，式14，式15带入，对整体李雅普诺夫函数V₁求导可得式(15)：

从函数V₁及其导数的形式可以看出，函数V₁为正定且其导数为负定，且对任意的状态点，其导数不恒为0，且当e_vi趋于无穷时，V₁也将趋于无穷，根据李雅普诺夫第二定律，当参考信号如公式13所示时，系统可以实现大范围渐进稳定。

步骤三：设计控制器并确定三步法控制器参数自适应律：

经过步骤二对参考输入信号形式的构造，为控制器设计提供了跟踪参考信号，定义新误差信号将其带入到公式15中，编队整体李雅普诺夫函数将变为如式16所示：

对误差信号ε_vi进行求导：

基于三步法控制理论，设计队列第i辆车三步法控制律如式18所示，控制器整体控制框图如图3所示。

u_i＝u_i,s+u_i,f+u_i,e (18)

其中稳态控制律如式19所示：

基于参考信号设计参考前馈控制律如式20所示：

定义反馈误差控制律如式21所示：

最终定义三步法控制器参数自适应律如式22所示：

最终，自适应三步法控制律为：

控制器根据每一时刻的状态信息并结合控制律的表现形式确定输出控制量，直接作为驱动/制动力矩信号作用给被控车辆。

Claims (5)

1.一种基于自适应三步法的卡车编队行驶跟随车控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据车辆在行驶过程中受力情况，建立车辆纵向动力学方程；

步骤二：使用所述步骤一建立的车辆纵向动力学方程，以期望车间距偏差以及速度偏差作为状态量，以期望输出力矩作为控制量，建立非线性状态空间方程；随后建立队列整体李雅普诺夫，并据此建立控制器参考输入信号的形式；

步骤三：基于三步法控制理论，设计控制器并确定三步法控制器参数自适应律，控制器根据每一时刻的状态信息并结合控制律的表现形式确定输出控制量，直接作为驱动/制动力矩信号作用给被控车辆。

2.如权利要求1所述的一种基于自适应三步法的卡车编队行驶跟随车控制方法，其特征在于，所述步骤一建立的车辆纵向动力学方程为：

式中，驱动力F_engine，单位N；制动力F_brake，单位N；路面滚动阻力F_roll，单位N；空气阻力F_airdrag，单位N；重力分量F_gravity，单位N；

T_tq为发动机输出的力矩，单位Nm；i_g为差速器传动比；i₀为主减速器传动比；η为传动系机械效率；R为车轮有效半径，单位m；M为车辆制动主缸压力，单位kg；g为重力加速度，单位m/s²；μ为路面滚动阻力系数；θ为道路坡度；A为卡车的有效迎风面积，单位m²；ρ为空气密度，单位kg/m³；v为车辆行驶速度，单位m/s；d为车间距离，单位m；C_D为空气阻力系数。

3.如权利要求1所述的一种基于自适应三步法的卡车编队行驶跟随车控制方法，其特征在于，所述步骤二建立的非线性状态空间方程为：

其中，e_pi为期望车间距偏差，单位m；e_vi为速度偏差，单位m/s；

θ_i,2＝μg，θ_i,3＝g，

a_i为车辆加速度，单位m/s²；i_g为差速器传动比；i₀为主减速器传动比；η为传动系机械效率；R为车轮有效半径，单位m；M为车辆制动主缸压力，单位kg；g为重力加速度，单位m/s²；μ为路面滚动阻力系数；A为卡车的有效迎风面积，单位m²；ρ为空气密度，单位kg/m³；C_D为空气阻力系数。

4.如权利要求1所述的一种基于自适应三步法的卡车编队行驶跟随车控制方法，其特征在于，所述步骤二建立队列整体李雅普诺夫，并据此建立控制器参考输入信号的形式具体包括以下过程：

首先针对车辆数目为N的车辆编队，针对每一辆车定义耦合变量z_i：

其中，γ_i为一介于1和0的可变控制器参数；

针对队列中的第i辆车定义李雅普诺夫函数：

对其进行求导可得：

令其中为估计值，h为实际值，为二者之间的偏差：

定义虚拟参考输入变量

5.如权利要求1所述的一种基于自适应三步法的卡车编队行驶跟随车控制方法，其特征在于，所述步骤三包括以下具体过程：

定义新误差信号将其带入整体李雅普诺夫函数V₁：

编队整体李雅普诺夫函数将变为：

对误差信号ε_vi进行求导：

基于三步法控制理论，设计队列第i辆车三步法控制律：

u_i＝u_i,s+u_i,f+u_i,e

其中，稳态控制律：

基于参考信号设计参考前馈控制律：

反馈误差控制律：

定义三步法控制器参数自适应律为：

最终，自适应三步法控制律为：

控制器根据每一时刻的状态信息并结合控制律的表现形式确定输出控制量，直接作为驱动/制动力矩信号作用给被控车辆。