CN111650942A - 一种基于扰动观测器的有限时间收敛车辆编队控制方法 - Google Patents

一种基于扰动观测器的有限时间收敛车辆编队控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于扰动观测器的有限时间收敛车辆编队控制方法，包括如下步骤：步骤1，将编队中车辆从前到后进行0～N编号，其中第0辆为匀速行驶的领航车辆，步骤2，每辆车利用扰动观测器得到不匹配速度扰动及匹配加速度扰动的估计值；步骤3，在行驶过程中；步骤4；步骤5；步骤6，判断期望加速度高于或是低于节气门开度为零时实际加速度；步骤7，驱动系统或制动系统作用得到驱动力矩Tiw或制动力矩Tib并施加至车身；步骤8，每个跟随车辆不断重复上述步骤2～7，实现车辆编队行驶。本发明的基于扰动观测器的有限时间收敛车辆编队控制方法，车辆编队开展误差可在有限时间收敛，从而保证车辆编队跟踪性能和安全性。

Description

一种基于扰动观测器的有限时间收敛车辆编队控制方法
技术领域
本发明涉及智能交通系统控制领域，尤其涉及一种基于扰动观测器的有限时间收敛车辆编队控制方法。
背景技术
中国日益成为全球最大的汽车市场，随之而来的城市交通拥堵问题，使交通运行安全和效率以及汽车燃油经济性面临巨大的挑战。车辆编队技术即协同自适应巡航控制技术通过运用车车通信对车辆编队协同控制，提高道路利用率和车辆的经济效益，为解决交通问题提供了新的方法，因而得到了广泛研究。
目前已有诸多关于车辆编队控制的专利。申请号为201910452625.4的专利提供了一种基于车路协同控制的货车编队方法；申请号为201510401951.4的专利提供了一种保持智能车编队相对稳定行驶的同时避开道路障碍物的系统和方法；申请号为201910820091.6的专利提供了一种基于图结构和人工势场的编队控制方法；申请号为201710445450.5的专利提供了一种多辆欠驱动无人车的编队控制方法，利用终端滑模技术使得无人车的姿态有限时间收敛；申请号为201810090545.4的专利提供了一种基于H2最优扰动观测器的编队控制方法申请号为201910958157.8的专利提供了一种抗通信延迟的智能电动车编队自适应鲁棒控制方法。
现有研究未考虑车辆不匹配速度扰动及匹配加速度扰动的影响，而这些在路面不平、大风、参数变化和外部干扰等情况下客观存在，并且对协同控制有着重要影响。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于考虑不匹配速度扰动及匹配加速度扰动的影响，基于扰动观测器估计扰动，并提供一种保证车辆跟踪误差在有限时间收敛的车辆编队控制方法和系统，从而提高车辆编队在外界扰动影响下的鲁棒性，保证跟踪性能和安全性。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种基于扰动观测器的有限时间收敛车辆编队控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，将编队中车辆从前到后进行0～N编号，其中第0辆为匀速行驶的领航车辆，其余N辆为跟随车辆，动力学模型为：
Figure BDA0002535840870000021
其中，pi,vi,adi分别为车辆i的位置、速度、期望加速度，ri1表示车辆i由于路面不平、大风和参数变化等引起的不匹配速度扰动，ri2表示车辆i由于建模误差和外部干扰等引起的匹配加速度扰动；
步骤2，每辆车利用扰动观测器得到不匹配速度扰动及匹配加速度扰动的估计值，扰动观测器的表达式为：
Figure BDA0002535840870000022
Figure BDA0002535840870000023
Figure BDA0002535840870000024
其中，
Figure BDA0002535840870000025
是ri1的导数，
Figure BDA0002535840870000026
分别是pi,vi,ri1,
Figure BDA0002535840870000027
ri2的估计值，
Figure BDA0002535840870000028
Li1,Li2是正常数；
步骤3，在行驶过程中，领航车辆和每个跟随车辆i利用车载通信将自身的编号、位置、速度、加速度和扰动估计值信息发送至其他车辆，该通信拓扑存在以领航车为根节点的有向生成树；
步骤4，定义位置跟踪误差为
Figure BDA0002535840870000029
速度跟踪误差为
Figure BDA00025358408700000210
其中，lij为常数，若车辆i可以接受到车辆j的信息则为1，否则为0；gi为常数，若车辆i可以接受到领航车的信息则为1，否则为0；D为车辆编队中相邻两车的距离；
步骤5，每辆跟随车辆i利用自身和所接收的其他车辆的位置、速度、加速度和扰动估计值信息，计算自身的期望加速度为：
Figure BDA0002535840870000031
Figure BDA0002535840870000032
Figure BDA0002535840870000033
其中，
Figure BDA0002535840870000034
aj为车辆j的加速度，θi>0,εi>0,0<δ<1,0<αp<1,0<αv<1为常数，kp>0,kv>0为常数且满足s2+kps+kv为赫尔维兹多项式，函数x[k]定义为x[k]＝sign(x)|x|k,其中sign函数为符号函数；
步骤6，判断期望加速度高于或是低于节气门开度为零时实际加速度，以依据判断结果输入至驱动系统或制动系统内；
步骤7，驱动系统或制动系统作用得到驱动力矩Tiw或制动力矩Tib并施加至车身，使车辆跟踪期望加速度为adi；
步骤8，每个跟随车辆不断重复上述步骤2～7，实现车辆编队行驶。
作为本发明的进一步改进，所述步骤5中若期望加速度高于节气门开度为零时实际加速度，将期望加速度输入驱动系统逆模型得到节气门开度αif＝N-1(ωi,Iiri(miaid+Fi))并施加至驱动系统，其中N-1为发动机转矩的逆函数，ωi、Ii、ri、mi、Fi分别为第i辆车的发动机转速、传动系统传动比、轮胎半径、质量与行驶阻力；若期望加速度低于节气门开度为零时实际加速度，将期望加速度输入制动系统逆模型得到制动压力
Figure BDA0002535840870000035
Figure BDA0002535840870000036
并施加至制动系统，其中Kb,i为制动系统增益。
作为本发明的进一步改进，所述步骤1中还包括设置扰动观测器参数步骤，具体为设置扰动观测器参数
Figure BDA0002535840870000037
Li1,Li2均大于零。
作为本发明的进一步改进，所述步骤1中还包括设置控制参数步骤，具体为设置控制器参数：θi,εi,δ,αp,αv,kp,kv，其中θi>0,εi>0,0<δ<1,0<αp<1,0<αv<1，且kp>0,kv>0满足s2+kps+kv为赫尔维兹多项式。
本发明的有益效果，1.车辆编队开展误差可在有限时间收敛，从而保证车辆编队跟踪性能和安全性；2.不匹配速度扰动及匹配加速度扰动不影响系统稳定，保证车辆编队在路面不平、大风等外部干扰下的控制性能。
附图说明
图1为本发明提供的车辆编队控制方法流程图。
具体实施方式
下面将结合附图所给出的实施例对本发明做进一步的详述。
参照图1所示，本发明考虑的车辆编队由N+1辆车辆组成，其中第0辆为匀速行驶的领航车辆，其余1～N辆为跟随车辆。每辆跟随车辆上均安装有定位、通信及控制设备。定位设备采用GPS和IMU融合技术，可获取当前车辆的位置、速度和加速度信息，并将其发送至CAN总线。通信设备可从CAN总线获取自车信息，将其发送给其他车辆，并接收其他车辆信息。上层控制器由CAN总线获取自车信息与其他车辆信息，计算期望加速度并由CAN总线发送至底层控制器，底层控制器根据控制命令调整车辆的加速度以保持期望的编队几何构型。
本发明提出的基于扰动观测器的有限时间收敛车辆编队控制方法具体步骤如下：
1.将编队中车辆从前到后进行0～N编号，其中第0辆为匀速行驶的领航车辆，其余N辆为跟随车辆。
2.设置扰动观测器参数
Figure BDA0002535840870000041
Li1,Li2均大于零，特别地，Li1,Li2可从零开始单调递增调节直到合适大小，以保证扰动观测器快速准确估计扰动，提高控制精度。
3.设置控制器参数：θi,εi,δ,αp,αv,kp,kv，其中θi>0,εi>0,0<δ<1,0<αp<1,0<αv<1，且kp>0,kv>0满足s2+kps+kv为赫尔维兹多项式。
4.初始化通信设备参数。
5.每辆车利用位置和速度信息估计自身不匹配速度扰动及匹配加速度扰动，扰动观测器的表达式为：
Figure BDA0002535840870000051
Figure BDA0002535840870000052
Figure BDA0002535840870000053
6.领航车辆和跟随车辆通过车车通信的方式获取其他车辆信息。
7.每辆跟随车辆i利用自身和所接收的其他车辆的位置、速度、加速度和扰动估计值信息，计算自身的期望加速度
Figure BDA0002535840870000054
Figure BDA0002535840870000055
其中
Figure BDA0002535840870000056
Figure BDA0002535840870000057
函数x[k]定义为x[k]＝sign(x)|x|k，sign函数为符号函数。
8.若期望加速度高于节气门开度为零时实际加速度，将期望加速度输入驱动系统逆模型得到节气门开度αif＝N-1(ωi,Iiri(miaid+Fi))并施加至驱动系统，其中N-1为发动机转矩的逆函数，ωi、Ii、ri、mi、Fi分别为第i辆车的发动机转速、传动系统传动比、轮胎半径、质量与行驶阻力；若期望加速度低于节气门开度为零时实际加速度，将期望加速度输入制动系统逆模型得到制动压力
Figure BDA0002535840870000058
并施加至制动系统，其中Kb,i为制动系统增益。
9.驱动系统或制动系统作用得到驱动力矩Tiw或制动力矩Tib并施加至车身，使车辆跟踪期望加速度为adi。
10.每个跟随车辆不断重复上述步骤5～9，实现车辆编队行驶。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于扰动观测器的有限时间收敛车辆编队控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，将编队中车辆从前到后进行0～N编号，其中第0辆为匀速行驶的领航车辆，其余N辆为跟随车辆，动力学模型为：
Figure FDA0002535840860000011
其中，pi,vi,adi分别为车辆i的位置、速度、期望加速度，ri1表示车辆i由于路面不平、大风和参数变化等引起的不匹配速度扰动，ri2表示车辆i由于建模误差和外部干扰等引起的匹配加速度扰动；
步骤2，每辆车利用扰动观测器得到不匹配速度扰动及匹配加速度扰动的估计值，扰动观测器的表达式为：
Figure FDA0002535840860000012
Figure FDA0002535840860000013
其中，
Figure FDA0002535840860000014
是ri1的导数，
Figure FDA0002535840860000015
分别是pi,vi,ri1,
Figure FDA0002535840860000016
ri2的估计值，
Figure FDA0002535840860000017
Li1,Li2是正常数；
步骤3，在行驶过程中，领航车辆和每个跟随车辆i利用车载通信将自身的编号、位置、速度、加速度和扰动估计值信息发送至其他车辆，该通信拓扑存在以领航车为根节点的有向生成树；
步骤4，定义位置跟踪误差为
Figure FDA0002535840860000018
速度跟踪误差为
Figure FDA0002535840860000019
其中，lij为常数，若车辆i可以接受到车辆j的信息则为1，否则为0；gi为常数，若车辆i可以接受到领航车的信息则为1，否则为0；D为车辆编队中相邻两车的距离；
步骤5，每辆跟随车辆i利用自身和所接收的其他车辆的位置、速度、加速度和扰动估计值信息，计算自身的期望加速度为：
Figure FDA00025358408600000110
Figure FDA0002535840860000021
Figure FDA0002535840860000022
其中，
Figure FDA0002535840860000023
aj为车辆j的加速度，θi>0,εi>0,0<δ<1,0<αp<1,0<αv<1为常数，kp>0,kv>0为常数且满足s2+kps+kv为赫尔维兹多项式，函数x[k]定义为x[k]＝sign(x)|x|k,其中sign函数为符号函数；
步骤6，判断期望加速度高于或是低于节气门开度为零时实际加速度，以依据判断结果输入至驱动系统或制动系统内；
步骤7，驱动系统或制动系统作用得到驱动力矩Tiw或制动力矩Tib并施加至车身，使车辆跟踪期望加速度为adi；
步骤8，每个跟随车辆不断重复上述步骤2～7，实现车辆编队行驶。
2.根据权利要求1所述的基于扰动观测器的有限时间收敛车辆编队控制方法，其特征在于：所述步骤5中若期望加速度高于节气门开度为零时实际加速度，将期望加速度输入驱动系统逆模型得到节气门开度αif＝N-1(ωi,Iiri(miaid+Fi))并施加至驱动系统，其中N-1为发动机转矩的逆函数，ωi、Ii、ri、mi、Fi分别为第i辆车的发动机转速、传动系统传动比、轮胎半径、质量与行驶阻力；若期望加速度低于节气门开度为零时实际加速度，将期望加速度输入制动系统逆模型得到制动压力
Figure FDA0002535840860000024
并施加至制动系统，其中Kb,i为制动系统增益。
3.根据权利要求2所述的基于扰动观测器的有限时间收敛车辆编队控制方法，其特征在于：所述步骤1中还包括设置扰动观测器参数步骤，具体为设置扰动观测器参数
Figure FDA0002535840860000025
Li1,Li2均大于零。
4.根据权利要求3所述的基于扰动观测器的有限时间收敛车辆编队控制方法，其特征在于：所述步骤1中还包括设置控制参数步骤，具体为设置控制器参数：θi,εi,δ,αp,αv,kp,kv，其中θi>0,εi>0,0<δ<1,0<αp<1,0<αv<1，且kp>0,kv>0满足s2+kps+kv为赫尔维兹多项式。
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