CN113110022A - 一种基于非线性pid的多车列队纵向跟随控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非线性PID的多车列队纵向跟随控制方法，包括如下步骤：S1、根据前车—领航车跟踪通信拓扑结构，获取前车及领航车的位置、速度以及加速度信息；S2、采取固定间距跟随策略，利用车队纵向上层控制器，获得期望速度和加速度并进行稳定性分析；S3、基于车辆纵向逆动力学模型和车队纵向下层控制器，并将车辆速度作为反馈量，根据期望加速度和期望速度求解油门开度或制动压力，实现车队纵向跟随控制。本发明还提供了一种基于非线性PID的多车列队纵向跟随控制装置，包括如下部分：参数获取模块；稳定性分析模块；车队纵向控制模块。本发明可以满足协作式车队在不同工况下的行驶需求，可以广泛应用于协同控制技术。

Description

一种基于非线性PID的多车列队纵向跟随控制方法及装置

技术领域

本发明涉及协同控制技术，特别是涉及一种基于非线性PID的多车列队纵向跟随控制方法及装置。

背景技术

协作式车队可以兼顾道路交通安全与通行效率，充分利用道路条件，不仅具有单车行驶速度快、车辆间距小等特点，还能根据不同道路条件，通过车队间的协调合作，有效改善交通拥堵，减少车辆尾气污染。因此，深入探究多车编队驾驶控制方法，对于智能车路系统的发展具有重要意义。

车队控制器作为协作式车队纵向控制的核心组成部分，其控制效果的优劣将直接影响车队整体性能表现。在现有车队纵向速度跟随控制算法中，PID具有算法简单、运算负担小的特点，但其通常不能适应多种工况，可靠性不佳，而适应多工况、鲁棒性好的控制器往往运算负担大，算法实时性难以保证。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种基于非线性PID的多车列队纵向跟随控制方法及装置，使其可以满足协作式车队在不同工况下的行驶需求。

本发明提供的一种基于非线性PID的多车列队纵向跟随控制方法，包括如下步骤：S1、考虑车辆执行机构时延及通信时延，根据前车-领航车跟踪通信拓扑结构，获取前车及领航车的位置、速度以及加速度信息；S2、采取固定间距跟随策略，利用非线性PID控制设计车队纵向上层控制器，获得期望速度和加速度并进行稳定性分析；

S3、基于车辆纵向逆动力学模型和PID反馈控制设计车队纵向下层控制器，并将车辆速度作为反馈量，根据期望加速度和期望速度求解油门开度或制动压力，实现车队纵向跟随控制。

在上述技术方案中，所述步骤S1中，所述前车及领航车的状态信息如下：考虑车辆执行机构时延与通信时延，车辆动力学模型为：x′_i(t)＝v_i(t)，v′_i(t)＝a_i(t)，

式中，x_i(t)、v_i(t)、a_i(t)分别为第i辆车的纵向位置、速度以及加速度，τ为一阶惯性环节理想下位控制器的时间常数，u_i(t)为控制输入，Δt为通信和车辆执行机构造成的时延。

在上述技术方案中，所述步骤S2稳定性分析的过程如下：S23、考虑车辆执行机构时延及通信时延，所述非线性PID控制器设计为：u_i(t-Δt)＝K_pδ′_i(t-Δt)+K_i∫δ′_i(t-Δt)dt+K_dδ″_i(t-Δt)，式中，δ_i(t-Δt)为考虑延时的车间距偏差，K_p是非线性PID的比例系数，K_i是非线性PID的积分系数，K_d是非线性PID的微分系数；S24、经拉普拉斯变换后的相邻两车间距误差传递函数为：

式中，s＝jω，当车队满足下述条件时保持稳定：

S25、车队保持队列稳定的充分不必要条件为：0＜λ₁＜1，0＜2ΔtK_p＜τ，2(Δt+τ)K_p-2ΔtτK_i＜1-2K_d，

式中，λ₁为权重值，表示相邻前车对自车影响的大小。

在上述技术方案中，所述步骤S25的具体过程如下：S251、定义如下等式：

则车队整体队列稳定的条件变为：

b>0；S252、根据Euler公式e_ix＝cosx+i sin x、s＝jω以及三角函数关系可得下式：

S253、当上述不等式中ω各项系数不小于0时，对于所有

b>0恒成立，即车队保持队列稳定的充分不必要条件为：0＜λ₁＜1，0＜2ΔtK_p＜τ，2(Δt+τ)K_p-2ΔtτK_i＜1-2K_d，

在上述技术方案中，所述步骤S2中，所述固定间距跟随策略步骤如下：S21、第i辆车与相邻前车的车间距偏差定义如下：ε_i(t)＝x_i(t)-x_i-1(t)+L，第i辆车与车队领航车的车间距偏差定义如下：ε_i1(t)＝x_i(t)-x₁(t)+(i-1)L，式中，L为固定间距，L取值大于车长；S22、定义第i辆车的车间距偏差函数为：δ_i(t)＝λ₁ε_i(t)+λ₂ε_i1(t)，式中，λ₁、λ₂分别为权重值，λ₁表示相邻前车对自车影响的大小，λ₂表示车队领航车对自车影响的大小，λ₁、λ₂满足λ₁+λ₂＝1。

在上述技术方案中，所述步骤S3中，设计车队纵向下层控制器中，车辆行驶方程式表示为：

式中，T_e表示车辆发动机输出转矩，i_g表示车辆变速器传动比，i₀表示车辆主减速器传动比，η_T表示传动系机械效率，r表示车轮半径，W表示车辆车轮负荷，f表示滚动阻力系数，C_D表示空气阻力系数，A表示车辆迎风面积，v表示车辆行驶速度，m表示车辆质量，g表示重力加速度，α表示坡度角，δ表示车辆旋转质量转换系数，a表示车辆行驶加速度。

在上述技术方案中，所述步骤S3中，根据期望加速度和期望速度求解油门开度或制动压力的步骤如下：S31、驱动工况车辆控制律表示为：u_t＝u_tf+u_tb，式中，u_t为驱动控制量油门开度，u_tf为前馈控制量，u_tb为反馈控制量；S32、制动工况车辆控制律表示为：u_b＝u_bf+u_bb，式中，ub为制动控制量，u_bf为前馈制动控制量，u_bb为反馈制动控制量。

在上述技术方案中，所述步骤S31中，设a_s为基准加速度，当a_des>a_s+0.05时，车辆执行油门控制；所述步骤S32中，当a_des＜a_s-0.05时，车辆执行制动控制；当a_s-0.05＜a_des＜a_s+0.05时，车辆执行带档滑行。

本发明还提供了一种基于非线性PID的多车列队纵向跟随控制装置，包括如下部分：参数获取模块：考虑车辆执行机构时延及通信时延，根据前车-领航车跟踪通信拓扑结构，获取前车及领航车的位置、速度以及加速度信息；稳定性分析模块：采取固定间距跟随策略，利用非线性PID控制设计车队纵向上层控制器，获得期望速度和加速度并进行稳定性分析；车队纵向控制模块：基于车辆纵向逆动力学模型和PID反馈控制设计车队纵向下层控制器，并将车辆速度作为反馈量，根据期望加速度和期望速度求解油门开度或制动压力，实现车队纵向跟随控制。

本发明基于非线性PID的多车列队纵向跟随控制方法及装置，具有以下有益效果：本发明在充分考虑车辆执行机构时延、通信时延及车辆列队稳定性的前提下，基于非线性PID、车辆逆动力学模型以及PID反馈控制设计分层式车队纵向控制器，可以满足协作式车队在不同工况下的行驶需求。

附图说明

图1为本发明基于非线性PID的多车列队纵向跟随控制方法的流程示意图；

图2为本发明基于非线性PID的多车列队纵向跟随控制方法中步骤S4的驱动工况车辆控制框架；

图3为本发明基于非线性PID的多车列队纵向跟随控制方法中步骤S4的制动工况车辆控制框架；

图4为本发明基于非线性PID的多车列队纵向跟随控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明基于非线性PID的多车列队纵向跟随控制方法，针对协作式车队纵向速度跟随控制问题，在充分考虑车辆执行机构时延、通信时延及车辆列队稳定性的前提下，基于非线性PID以及车辆逆动力学模型设计分层式车队纵向控制器，下层控制器将上层控制器输出的期望速度和加速度转化为油门开度或制动压力，从而实现车队速度巡航、队形保持、车车间距保持等功能。

具体步骤及过程方法如下：

步骤S1，由n辆相同车辆组成的车队中，考虑通信时延及执行机构时延，各车辆动力学模型可以表述为：

x′_i(t)＝v_i(t)，

v′_i(t)＝a_i(t)，

式中，x_i(t)、v_i(t)、a_i(t)分别为第i辆车的纵向位置、速度以及加速度，τ为一阶惯性环节理想下位控制器的时间常数，u_i(t)为控制输入，Δt为通信和车辆执行机构造成的时延。

步骤S2，采用应用广泛的固定间距策略，第i辆车与相邻前车的车间距偏差定义如下：

ε_i(t)＝x_i(t)-x_i-1(t)+L，

第i辆车与车队领航车的车间距偏差定义如下：

ε_i1(t)＝x_i(t)-x₁(t)+(i-1)L，

式中，L为固定间距，为避免车辆在行驶中发生碰撞，L取值一般略大于车长；

定义第i辆车的车间距偏差函数为：

δ_i(t)＝λ₁ε_i(t)+λ₂ε_i1(t)，

式中，λ₁、λ₂分别为权重值，λ₁表示相邻前车对自车影响的大小，λ₂表示车队领航车对自车影响的大小，λ₁、λ₂满足λ₁+λ₂＝1。

基于非线性PID设计协作式车队纵向上层控制器，获得期望速度和加速度并对车队进行稳定性分析：

对PID参数进行非线性化，非线性PID表达式如下所示：

式中，η₁、η₂、η₃为给定系数，k_p、k_i、k_d为控制器增益值，即传统PID参数，其中，K_p是非线性PID的比例系数，K_i是非线性PID的积分系数，K_d是非线性PID的微分系数，δ_e为状态量偏差。

考虑车辆执行机构时延及通信时延，非线性PID控制器可设计为：

u_i(t-Δt)＝K_pδ′_i(t-Δt)+K_i∫δ′_i(t-Δt)dt+K_dδ″_i(t-Δt)，

式中，δ′_i(t-Δt)为考虑延时的车间距偏差；

经拉普拉斯变换后的相邻两车间距误差传递函数为：

式中，s＝jω，

当车队满足下述条件时可保持稳定：

车队保持队列稳定的条件如下：

0＜λ₁＜1，

0＜2ΔtK_p＜τ，

2(Δt+τ)K_p-2ΔtτK_i＜1-2K_d，

证明：定义如下等式：

则车队整体队列稳定的条件变为：

b>0；

根据Euler公式e_ix＝cos x+i sin x、s＝jω以及三角函数关系可得下式：

显然，当上述不等式中ω各项系数不小于0时，对于所有

b>0恒成立，即当以下条件成立时：

0＜λ₁＜1，

0＜2ΔtK_p＜τ，

2(Δt+τ)K_p-2ΔtτK_i＜1-2K_d，

定理得证。显然，上述条件是车队保持队列稳定的充分不必要条件。

步骤S3，考虑到道路坡度角通常较小，车辆行驶方程式可表示为：

式中，T_e表示车辆发动机输出转矩，i_g表示车辆变速器传动比，i₀表示车辆主减速器传动比，η_T表示传动系机械效率，r表示车轮半径，W表示车辆车轮负荷，f表示滚动阻力系数，C_D表示空气阻力系数，A表示车辆迎风面积，v表示车辆行驶速度，m表示车辆质量，g表示重力加速度，α表示坡度角，δ表示车辆旋转质量转换系数，a表示车辆行驶加速度。

步骤S4，基于车队纵向下层控制器将上层输出转化为油门开度或制动压力，实现车队纵向跟随控制，具体如下：

图2为驱动工况控制框架，驱动工况下的车辆控制律可表示为：

u_t＝u_tf+u_tb，

式中，u_t为驱动控制量油门开度，u_tf为前馈控制量，u_tb为反馈控制量，ψ表示车辆液力变矩器扭矩特性函数，v_des为期望速度，v_act为实际速度。

图3为制动工况控制框架，制动工况下的车辆控制律可表示为：

u_b＝u_bf+u_bb，

式中，u_b为制动控制量，u_bf为前馈制动控制量，u_bb为反馈制动控制量。

设a_s为基准加速度，当a_des>a_s+0.05时，车辆执行油门控制；当a_des＜a_s-0.05时，车辆执行制动控制；当a_s-0.05＜a_des＜a_s+0.05时，车辆执行带档滑行。

如图4所示，本发明基于非线性PID的多车列队纵向跟随控制装置，包括如下部分：

参数获取模块：考虑车辆执行机构时延及通信时延，根据前车-领航车跟踪通信拓扑结构，获取前车及领航车的位置、速度以及加速度信息；

稳定性分析模块：采取固定间距跟随策略，利用非线性PID控制设计车队纵向上层控制器，获得期望速度和加速度并进行稳定性分析；

车队纵向控制模块：基于车辆纵向逆动力学模型和PID反馈控制设计车队纵向下层控制器，并将车辆速度作为反馈量，根据期望加速度和期望速度求解油门开度或制动压力，实现车队纵向跟随控制。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种基于非线性PID的多车列队纵向跟随控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、考虑车辆执行机构时延及通信时延，根据前车-领航车跟踪通信拓扑结构，获取前车及领航车的位置、速度以及加速度信息；

S2、采取固定间距跟随策略，利用非线性PID控制设计车队纵向上层控制器，获得期望速度和加速度并进行稳定性分析；

S3、基于车辆纵向逆动力学模型和PID反馈控制设计车队纵向下层控制器，并将车辆速度作为反馈量，根据期望加速度和期望速度求解油门开度或制动压力，实现车队纵向跟随控制。

2.根据权利要求1所述的基于非线性PID的多车列队纵向跟随控制方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述前车及领航车的状态信息如下：

考虑车辆执行机构时延与通信时延，车辆动力学模型为：

x′_i(t)＝v_i(t)，

v′_i(t)＝a_i(t)，

式中，x_i(t)、v_i(t)、a_i(t)分别为第i辆车的纵向位置、速度以及加速度，τ为一阶惯性环节理想下位控制器的时间常数，u_i(t)为控制输入，Δt为通信和车辆执行机构造成的时延。

3.根据权利要求2所述的基于非线性PID的多车列队纵向跟随控制方法，其特征在于：所述步骤S2稳定性分析的过程如下：

S23、考虑车辆执行机构时延及通信时延，所述非线性PID控制器设计为：

u_i(t-Δt)＝K_pδ′_i(t-Δt)+K_i∫δ′_i(t-Δt)dt+K_dδ″_i(t-Δt)，

式中，δ_i(t-Δt)为考虑延时的车间距偏差，K_p是非线性PID的比例系数，K_i是非线性PID的积分系数，K_d是非线性PID的微分系数；

S24、经拉普拉斯变换后的相邻两车间距误差传递函数为：

式中，s＝jω，

当车队满足下述条件时保持稳定：

S25、车队保持队列稳定的充分不必要条件为：

0＜λ₁＜1，

0＜2ΔtK_p＜τ，

2(Δt+τ)K_p-2ΔtτK_i＜1-2K_d，

式中，λ₁为权重值，表示相邻前车对自车影响的大小。

4.根据权利要求3所述的基于非线性PID的多车列队纵向跟随控制方法，其特征在于：所述步骤S25的具体过程如下：

S251、定义如下等式：

则车队整体队列稳定的条件变为：

b>0；

S252、根据Euler公式e_ix＝cosx+isinx、s＝jω以及三角函数关系可得下式：

S253、当上述不等式中ω各项系数不小于0时，对于所有

b>0恒成立，即车队保持队列稳定的充分不必要条件为：

0＜λ₁＜1，

0＜2ΔtK_p＜τ，

2(Δt+τ)K_p-2ΔtτK_i＜1-2K_d，

5.根据权利要求4所述的基于非线性PID的多车列队纵向跟随控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述固定间距跟随策略步骤如下：

S21、第i辆车与相邻前车的车间距偏差定义如下：

ε_i(t)＝x_i(t)-x_i-1(t)+L，

第i辆车与车队领航车的车间距偏差定义如下：

ε_i1(t)＝x_i(t)-x₁(t)+(i-1)L，

式中，L为固定间距，L取值大于车长；

S22、定义第i辆车的车间距偏差函数为：

δ_i(t)＝λ₁ε_i(t)+λ₂ε_i1(t)，

式中，λ₁、λ₂分别为权重值，λ₁表示相邻前车对自车影响的大小，λ₂表示车队领航车对自车影响的大小，λ₁、λ₂满足λ₁+λ₂＝1。

6.根据权利要求5所述的基于非线性PID的多车列队纵向跟随控制方法，其特征在于：所述步骤S3中，设计车队纵向下层控制器中，车辆行驶方程式表示为：

式中，T_e表示车辆发动机输出转矩，i_g表示车辆变速器传动比，i₀表示车辆主减速器传动比，η_T表示传动系机械效率，r表示车轮半径，W表示车辆车轮负荷，f表示滚动阻力系数，C_D表示空气阻力系数，A表示车辆迎风面积，v表示车辆行驶速度，m表示车辆质量，g表示重力加速度，α表示坡度角，δ表示车辆旋转质量转换系数，a表示车辆行驶加速度。

7.根据权利要求6所述的基于非线性PID的多车列队纵向跟随控制方法，其特征在于：所述步骤S3中，根据期望加速度和期望速度求解油门开度或制动压力的步骤如下：

S31、驱动工况车辆控制律表示为：

u_t＝u_tf+u_tb，

式中，u_t为驱动控制量油门开度，u_tf为前馈控制量，u_tb为反馈控制量；

S32、制动工况车辆控制律表示为：

u_b＝u_bf+u_bb，

式中，u_b为制动控制量，u_bf为前馈制动控制量，u_bb为反馈制动控制量。

8.根据权利要求7所述的基于非线性PID的多车列队纵向跟随控制方法，其特征在于：所述步骤S31中，设a_s为基准加速度，当a_des>a_s+0.05时，车辆执行油门控制；

所述步骤S32中，当a_des＜a_s-0.05时，车辆执行制动控制；当a_s-0.05＜a_des＜a_s+0.05时，车辆执行带档滑行。

9.一种基于非线性PID的多车列队纵向跟随控制装置，其特征在于：包括如下部分：

参数获取模块：考虑车辆执行机构时延及通信时延，根据前车-领航车跟踪通信拓扑结构，获取前车及领航车的位置、速度以及加速度信息；

稳定性分析模块：采取固定间距跟随策略，利用非线性PID控制设计车队纵向上层控制器，获得期望速度和加速度并进行稳定性分析；

车队纵向控制模块：基于车辆纵向逆动力学模型和PID反馈控制设计车队纵向下层控制器，并将车辆速度作为反馈量，根据期望加速度和期望速度求解油门开度或制动压力，实现车队纵向跟随控制。

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