CN111923907B - 一种基于多目标性能融合的车辆纵向跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于多目标性能融合的车辆纵向跟踪控制方法。首先，设计滑模观测器，求得保持纵向理想车距的纵向车速；其次，以保持纵向理想车距的纵向车速、车辆最优油耗车速以及安全车速作为输入，通过设计多目标性能车速融合控制器得到纵向输出车速；最后，将纵向输出车速作为下层控制器的参考值，确定发动机输出转矩和制动转矩，进而获得节气门开度、制动压力，对车辆执行器进行调控。本发明中设计的滑模观测器可以在不牺牲跟车性能的前提下改善系统的舒适性；设计的多目标性能车速融合控制器考虑了风阻的影响，通过设置安全车速预防车辆在转弯工况下发生侧滑或侧翻，最终实现ACC纵向跟车性能与乘坐舒适性、燃油经济性和安全性的协同优化。

Description

一种基于多目标性能融合的车辆纵向跟踪控制方法

技术领域

本发明属于智能车辆控制领域，具体涉及一种基于多目标性能融合的车辆纵向跟踪控制方法。

背景技术

作为智能交通系统(intelligent transportation system，ITS)的重要组成部分，自动驾驶汽车得到相关企业和研究机构越来越多的重视。自适应巡航控制(adaptivecruise control，ACC)是高级驾驶辅助系统(advanced drivers assistant system，ADAS)的关键技术之一，经过多年的研究，已经获得了大面积的商业推广。但是，目前采用的ACC存在功能单一的问题，并未能充分释放该技术的潜能。近年来，不断提出新的控制算法，以改善车辆的纵向跟踪性能：除纵向控制的稳定性和精确性之外，基于多目标性能的协同优化已成为目前研究的热点。进行多目标协同优化的目的是在优化每一个子目标性能的同时，综合考虑其他子目标性能的结果，使子目标性能之间的优化结果能够尽量保持一致。

目前，对ACC的研究较为深入，但如何利用ACC在乘坐舒适性、燃油经济性和安全性之间进行协调，以实现这些相互冲突的目标性能之间的自适应优化是一个具有挑战的问题，即在不降低ACC纵向跟车稳定性和精确性的前提下，改善乘坐舒适性、燃油经济性和安全性。传统的ACC控制系统主要着眼于纵向安全控制，追求系统的稳定性和精确性，但忽视了高速转弯工况下的侧向安全问题，且未预留有足够的纵向安全车速用以应对紧急工况。现有技术中通过设计基于多目标性能的损耗函数来实现多目标性能的融合，在特殊工况下还有增加燃油消耗率的可能。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于多目标性能融合的车辆纵向跟踪控制方法，实现ACC纵向跟车性能与乘坐舒适性、燃油经济性和安全性的协同优化。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于多目标性能融合的车辆纵向跟踪控制方法，包括如下步骤：

步骤(1)，设计滑模观测器

滑模观测器的滑模面

当速度因子c和增益系数ε满足条件

时，车辆纵向加速度a在驾驶员允许的最大纵向加速度a_lim范围内，车辆纵向加速度a进行积分，得到保持纵向理想车距的纵向车速v₁；

考虑风阻影响的车辆最优油耗车速

步骤(2)，所述纵向车速v₁、车辆最优油耗车速v₂和安全车速v₃作为多目标性能车速融合控制器，多目标性能车速融合控制器的输出为：纵向输出车速v_des＝K₁v₁+K₂v₂-(Δv+(1-K₃)v₃)·sign(sign(Δv)+1)，其中Δv＝K₁v₁+K₂v₂-v₃，K₁、K₂、K3均为比例系数；

步骤(3)，令下层控制器的参考值x_ref＝v_des，求解控制量u＝[T_e T_p]^T，由发动机输出转矩T_e和制动转矩T_p分别获得节气门开度、制动压力，对车辆执行器进行调控；

其中，a_max＝max{a_1max,a_2max}，a_1max为车辆在当前行驶路面条件下所能达到的最大制动减速度，a_2max为乘员达到舒适性临界下限所对应的制动减速度；l为安全调节系数，且l≥1；h表示驾驶员的反应时间，ν为车辆当前纵向车速，v_r为两车之间的相对车速，a_r为两车之间的相对加速度，sign()为符号函数，e为当前实测车距d和理想车距d_des之间的差值，ε＞0，c>0；v_ec为经济车速，M(v)为补偿函数，n为发动机的转速，r为车轮的有效半径，i_gi₀为发动机到车轮之间的传动比，tanh()为双曲正切函数。

进一步的技术方案，所述纵向加速度a满足

进一步的技术方案，所述安全车速

v_R为发生侧翻的临界车速，

为发生侧滑的临界车速。

进一步的技术方案，调节比例系数K₃，使车辆当前纵向车速ν低于安全车速v₃，预留安全裕量v₃-v。

进一步的技术方案，所述比例系数是基于模糊状态量的隶属度函数构造的，所述状态量包括前轮转角、侧向加速度的绝对值、相对经济车速的绝对值和纵向车距。

更进一步的技术方案，所述比例系数的表达式为：

其中，w_j为状态量所对应的权重系数，f_j为状态量所对应的隶属度函数值，其中j＝1、2、3、4。

进一步的技术方案，所述理想车距d_des＝hv+ld₀，其中多目标临界安全车距

本发明的有益效果为：

(1)本发明多目标性能车速融合控制器的输入为：保持纵向理想车距的纵向车速、车辆最优油耗车速和安全车速；保持纵向理想车距的纵向车速由车辆纵向加速度积分得到，车辆纵向加速度由滑模观测器和考虑多目标理想车距获取，构造的滑模观测器考虑多目标理想车距，在不牺牲跟车性能的前提下改善系统的舒适性；车辆最优油耗车速考虑风阻的影响，安全车速预防车辆在转弯工况下发生侧滑或侧翻；从而实现ACC纵向跟车性能与乘坐舒适性、燃油经济性和安全性的协同优化。

(2)本发明上层控制器的纵向输出车速留有安全裕量，以应对紧急工况，增强车辆行驶过程中的主动安全性。

附图说明

图1为本发明所述多目标性能融合的纵向跟踪控制流程图；

图2为本发明前轮转向角绝对值对应的隶属度函数图；

图3为本发明侧向加速度绝对值对应的隶属度函数图；

图4为本发明相对车速绝对值对应的隶属度函数图；

图5为本发明纵向车距绝对值对应的隶属度函数图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种基于多目标性能融合的车辆纵向跟踪控制方法，包括如下步骤：

步骤(1)，通过安装在车辆上的方向盘传感器、加速度计、轮速传感器、雷达，分别获取前轮转角δ_f、侧向加速度a_y、纵向车速ν、纵向车距d。

步骤(2)，设计用于保持纵向车距的滑模观测器(sliding mode observer，SMO)

车辆的跟车控制需要保持一个理想的纵向车距，为驾驶员预留足够的反应时间和制动距离，同时保证制动过程中的舒适性在乘员能够承受的阈值内。根据上述要求，考虑安全性和舒适性的前后两车多目标理想车距d_des为：

d_des＝hv+ld₀ (1)

其中，h表示驾驶员的反应时间，ν为车辆当前纵向车速，d₀为多目标临界安全车距，l为安全调节系数，且l≥1。

多目标临界安全车距d₀为：

其中，a_max＝max{a_1max,a_2max}，a_1max为车辆在当前行驶路面条件下所能达到的最大制动减速度，a_2max为乘员达到舒适性临界下限所对应的制动减速度。

滑模观测器的可达性条件可以保证状态空间内任意位置的运动点在有限时间内到达切换面，但是对趋近轨迹没有作任何限制。为改善滑模观测器的动态品质，采用如下的等速趋近律方法设计滑模观测器：

其中，ε为增益系数，且ε＞0，sign()为符号函数；

依据Lyapunov稳定性定理，设计滑模观测器的滑模面s为：

其中，当前实测车距和理想车距之间的差值e＝d-d_des，d为雷达实测车距，c为调节状态趋近于0的速度因子，且c>0。

当s→0时，式(4)为一阶微分方程，e以指数衰减，e(t)＝e(0)e^-ct。根据Lyapunov稳定性理论选取Lyapunov函数

则有

将式(3)代入

当满足条件

时，滑模观测器达到稳定。

联立公式(1)-(4)，可得车辆纵向加速度a满足的表达式为：

其中，v_r为两车之间的相对车速，a_r为两车之间的相对加速度。对车辆纵向加速度a进行积分，得到保持纵向理想车距的纵向车速v₁：即

其中τ为采样时间。

公式(5)为一阶非线性时变微分方程，将其转化为标准形式：

其中，

由于函数A(t；a)在1×Rⁿ⁺¹中连续(R为实数)，且当时间t充分大，即t≥T(时间阈值)，恒有A(t；a)≥0；函数E(t)在[0,+∞)上连续，且有

成立；因此，纵向加速度a在t∈(0,+∞)上有界。

限制纵向加速度在驾驶员允许范围内，即令|a|≤a_lim(驾驶员允许的最大纵向加速度)，可以提高滑模观测器的舒适性。将

代入公式(5)，得纵向加速度a的极点表示式，如下所示：

求解公式(7)，得：

其中，

为保证|a|≤a_lim，速度因子c和增益系数ε的选取需满足以下约束条件A：

步骤(3)，设计考虑风阻影响的车辆最优油耗车速(wind resistance economicspeed，WRES)

在车辆的行驶过程中，车速对油料的节约影响很大，合理地控制车辆的行驶车速可以有效降低车辆的燃油消耗。因此，在通过控制纵向车速实现理想车距保持时，考虑有风阻影响的最优油耗车速是有意义的。

车速与发动机转速的映射关系如下所示：

其中，n为发动机的转速，v_ec为经济车速，r为车轮的有效半径，i_gi₀为发动机到车轮之间的传动比。

根据发动机的万有特性曲线图可知，当发动机的转速落在等燃油消耗率曲线的最内层(即经济区内)，发动机最节油，此时所对应的车速为经济车速。

考虑到风阻在高速行驶的车辆上作用较为明显，为克服这一阻力需要增加车辆的燃油消耗量。因此，在进行最优油耗车速的计算时，构建以车辆当前纵向车速v为自变量的函数M(v)，来计算图1中的输入多目标性能车速融合控制器的最优油耗车速v₂。

当车辆当前纵向车速v远高于最优油耗车速v₂时，会造成空气对车身的风阻过大并导致车辆用于克服空气阻力的燃油消耗量比重增加，因此需要降低车辆当前纵向行驶车速；而当车辆当前纵向车速v低于最优油耗车速v₂时，车身受到的空气阻力小，此时不必降低车辆当前纵向行驶车速。

根据以上要求，定义一个与车速v有关的补偿函数M(v)表征如下：

其中，tanh()为双曲正切函数；

由式(10)和(11)可得，有风阻影响的多目标性能车速融合控制器的输入量v₂为：

步骤(4)，计算车辆转弯时的安全车速(safe speed，SP)

为了便于计算，分析中忽略路面坡度、侧向风等因素对车辆的影响。

车辆在转弯工况下发生侧翻的临界车速v_R为：

其中，g为重力加速度，R为路面的转弯半径，B为左右车轮的轮距，h_g为车辆的质心高度。

车辆在转弯工况下发生侧滑的临界车速

为：

其中，μ为路面附着系数。

为预防车辆发生侧滑或侧翻，安全车速v₃取为v_R和

中的较小值，即：

步骤(5)，建立前轮转角δ_f的绝对值、侧向加速度a_y的绝对值、经济车速的绝对值V、纵向车距d的绝对值组成的模糊集合，选取比例系数。

在车辆进行跟车控制时，驾驶员通过调节油门踏板的开度来控制纵向车速，实现前后两车理想车距保持，并且，熟练者还会凭借其丰富的行车经验调节车速实现经济行驶；车辆在转弯工况下行驶时，减速慢行往往可以有效降低车辆发生侧翻或侧滑的可能性，保证转弯工况下行驶的安全稳定性。根据前述的控制目标设计了多目标性能车速融合控制器来模拟驾驶员以上行为，定义纵向输出车速v_des表征如下：

v_des＝K₁v₁+K₂v₂-(Δv+(1-K₃)v₃)·sign(sign(Δv)+1) (16)

其中，Δv＝K₁v₁+K₂v₂-v₃。

式(16)中的前两项通过比例系数K₁、K₂的调节，可以实现车辆在保持理想纵向车距的前提下最大化经济行驶；最后一项通过公式(19)调节比例系数K₃，保证车辆在转弯行驶过程中车速v低于安全车速v₃，预留安全裕量v₃-v，用来处理车辆行驶过程中一些突发的危险工况。

考虑到跟车控制过程中车辆的运动状态与车辆的前轮转角δ_f、侧向加速度a_y的绝对值、相对经济车速的绝对值V(V＝|v-v_ec|)以及纵向车距d密切相关，因此将这四个状态量作为选取比例系数K_i(i＝1，2，3)的参考条件。为建立状态量与比例系数K_i之间多对一的映射关系，并将其转化为具体的函数表示式，利用模糊数学的基础(模糊集合论)对状态量进行模糊化处理。模糊集合论方法是通过把待考察的对象及反应它的模糊概念作为一定的模糊集合，建立适当的隶属度函数；通过模糊集合的有关运算和变换，对模糊对象进行分析。模糊集合的常用表示法有解析法、Zadeh记法、序偶法和向量法。为建立比例系数K_i的函数表示式，选用解析法表示模糊集合，即构造隶属度函数。采用阶梯型的隶属度函数可以保证比例系数K_i的函数表示式具有简洁性。考虑到车辆的运行状态为时变，构造的比例系数K_i选为时变函数。

前轮转角δ_f、侧向加速度a_y的绝对值、相对经济车速的绝对值V和纵向车距d所对应的隶属度函数如图2、3、4、5所示。如图2所示，当前轮转角低于5°时，车辆近似做直线运动，此时的模糊隶属度值取为0；当前轮转角在5°～25°之间，车辆的运动状态由直线行驶工况过渡为大角度转向行驶工况，此时采用阶梯函数来表示前轮转向角的模糊隶属度；当前轮转角大于25°，车辆转向明显，此时对应的模糊隶属度值取为1。如图3所示，当侧向加速度a_y的绝对值小于0.6g时，车辆处于侧向安全状态，此时取较小模糊隶属度值；当侧向加速度a_y的绝对值逐渐增加且大于1.2g时，车辆处于危险状态，此时增大模糊隶属度值，最后取值为1。如图4所示，相对车速绝对值V与经济车速v_ec的比值增加，相对应的模糊隶属度值增大。如图5所示，当纵向车距与理想车距的比值处于1.0到1.3范围内，车辆处于纵向安全状态，此时模糊隶属度值取为0；当纵向车距与理想车距的比值处于1.0到1.3范围之外，车辆处于纵向危险状态，此时模糊隶属度值取为1。

上述状态量论域选取的边界值来源于车辆运行过程中的经验值(本发明的实施例选取以下边界经验值)，表1为状态量变化的边界值，l₀、l₁分别为状态量论域的最小值和最大值。

表1状态量变化的边界值

如式(16)所示，多目标性能车速融合控制器的输出车速v由比例系数K_i、理想车距保持车速v₁、最优油耗车速v₂和安全车速v₃构成。比例系数K_i的值随着车辆当前的行驶状态改变，并且满足以下条件：当车辆处于安全行驶状态时，应增加最优油耗车速v₂的占比，即增大K₂的值，实现车辆经济行驶；当车辆处于危险状态时，应调整理想车距保持车速v₁和安全车速v₃的占比，即增大K₁和K₃的值，保证车辆安全行驶。因此基于四个模糊状态量的隶属度函数构造的比例系数K_i设计为：

其中，w_j(j＝1，2，3，4)为四个状态量所对应的权重系数，其具体值的大小表征每个状态量对系数K_i的影响程度，f_j(j＝1，2，3，4)分别为四个状态量所对应的隶属度函数值。

步骤(6)，设计保持理想车速的下层控制器

下层控制器的车辆纵向动力学模型为：

其中，m为车辆的质量，v_x为纵向车速，r_w为车轮滚动半径，I_w为车轮的转动惯量，I_e为发动机的转动惯量，η为传动效率，C_x为风阻系数，F_r为滚动阻力，T_e、T_p分别为发动机输出转矩和制动转矩，β为质心侧偏角，w_r为横摆角速度，F_yf为侧向力。公式(20)中，常系数C₁、C₂分别为：

状态空间方程可由式(20)导出，得到

且状态量x＝v_x，控制量u＝[T_eT_p]^T。令参考值x_ref＝v_des，采用模型预测控制求得控制量u，节气门开度α和制动压力p可根据如下函数关系获得：

α＝eng^-1(T_e,n_e) (22)

其中，n_e为发动机的转速，k为制动压力的比例系数。

最终，将下层控制器输出的节气门开度α和制动压力p输入给车辆相应的执行器进行有效调控，实现自适应巡航控制系统纵向跟车性能与乘坐舒适性、燃油经济性和安全性的协同优化控制。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于多目标性能融合的车辆纵向跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)，设计滑模观测器

滑模观测器的滑模面

当速度因子c和增益系数ε满足条件

时，车辆纵向加速度a在驾驶员允许的最大纵向加速度a_lim范围内，车辆纵向加速度a进行积分，得到保持纵向理想车距的纵向车速v₁；

考虑风阻影响的车辆最优油耗车速

步骤(2)，所述纵向车速v₁、车辆最优油耗车速v₂和安全车速v₃作为多目标性能车速融合控制器，多目标性能车速融合控制器的输出为：纵向输出车速v_des＝K₁v₁+K₂v₂-(Δv+(1-K₃)v₃)·sign(sign(Δv)+1)，其中Δv＝K₁v₁+K₂v₂-v₃，K₁、K₂、K3均为比例系数；

步骤(3)，令下层控制器的参考值x_ref＝v_des，求解的控制量u＝[T_e T_p]^T，由发动机输出转矩T_e和制动转矩T_p分别获得节气门开度、制动压力，对车辆执行器进行调控；

其中，a_max＝max{a_1max,a_2max}，a_1max为车辆在当前行驶路面条件下所能达到的最大制动减速度，a_2max为乘员达到舒适性临界下限所对应的制动减速度；l为安全调节系数，且l≥1；h表示驾驶员的反应时间，ν为车辆当前纵向车速，v_r为两车之间的相对车速，a_r为两车之间的相对加速度，sign()为符号函数，e为当前实测车距d和理想车距d_des之间的差值，ε＞0，c>0；v_ec为经济车速，M(v)为补偿函数，n为发动机的转速，r为车轮的有效半径，i_gi₀为发动机到车轮之间的传动比，tanh()为双曲正切函数。

2.根据权利要求1所述的基于多目标性能融合的车辆纵向跟踪控制方法，其特征在于，所述纵向加速度a满足

3.根据权利要求1所述的基于多目标性能融合的车辆纵向跟踪控制方法，其特征在于，所述安全车速

v_R为发生侧翻的临界车速，

为发生侧滑的临界车速。

4.根据权利要求1所述的基于多目标性能融合的车辆纵向跟踪控制方法，其特征在于，所述比例系数是基于模糊状态量的隶属度函数构造的，所述状态量包括前轮转角、侧向加速度的绝对值、相对经济车速的绝对值和纵向车距。

5.根据权利要求4所述的基于多目标性能融合的车辆纵向跟踪控制方法，其特征在于，所述比例系数的表达式为：

其中，w_j为状态量所对应的权重系数，f_j为状态量所对应的隶属度函数值，其中j＝1、2、3、4。

6.根据权利要求5所述的基于多目标性能融合的车辆纵向跟踪控制方法，其特征在于，调节比例系数K₃，使车辆当前纵向车速ν低于安全车速v₃，预留安全裕量v₃-v。

7.根据权利要求1所述的基于多目标性能融合的车辆纵向跟踪控制方法，其特征在于，所述理想车距d_des＝hv+ld₀，其中多目标临界安全车距

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