CN113359483A - 一种基于非奇异快速终端滑模控制的车辆协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非奇异快速终端滑模控制的车辆协同控制方法。该方法在非奇异快速终端滑模控制方法的基础上，设计了一种基于非奇异快速终端滑模控制的车辆协同控制方法。该方法为了提高车间距误差为0的速度，基于滑模控制无法在有限时间趋于滑模面的问题，采用非奇异快速终端滑模面代替普通滑模面，在保证系统的稳定性的同时，使系统可以快速趋近于滑模面。通过仿真验证，很明显基于车队协同控制，采用该非奇异快速终端滑模控制的控制效果优于普通滑模控制。

Description

一种基于非奇异快速终端滑模控制的车辆协同控制方法

技术领域

本发明涉及自动控制系统领域，尤其涉及一种基于非奇异快速终端滑模控制的车辆协同控制方法。

背景技术

对于多车协同驾驶的研究的目的是在同时考虑到道路交通安全与车辆行驶效率的条件下，充分利用道路条件，将多个单车组成车队，使其能够根据不同的路况，通过协作的方式完成相关车队驾驶策略，进而增加公路交通流量，保证道路安全，减少事故的发生。

由于驾驶人的驾驶行为和车辆动力模型的不确定性，导致跟踪控制系统的设计一直存在很大的问题。近些年，国内外学者将滑模控制方法用在车队协同控制当中。虽然传统滑模控制有非线性和强鲁棒性的特点，但是它却无法保证系统在有限时间内收敛于滑模面，导致车间距误差无法在有限时间内趋于0。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明使用一种基于非奇异快速终端滑模控制的车辆协同控制方法，包括以下步骤：

1)建立车辆纵向动力学模型，根据所述模型输出车辆运动轨迹；

2)选取车间距控制策略以计算车队中相邻车辆之间的车间距误差；

3)建立非奇异快速终端滑模面；所述非奇异快速终端滑模面为：

式中p、q为终端滑模面参数，且

s为滑模面，β为滑模面参数，取正数，

为e_i的一阶导数；

当系统收敛于滑模面时，两车间距离恒为

车间距固定，故后车车速、加速度会趋于前车车速、加速度。

4)设计滑模控制律为：

其中，sgn(S)为符号函数，u_eq为等效控制部分，u_s为鲁棒项，β＞0，k为鲁棒项增益，取为正数，通过设置鲁棒项增益k稍大于外界未知干扰上界，用以补偿未知干扰造成的影响，即能够保证系统的稳定性和轨迹跟踪性能；

5)基于Lyapunov稳定性理论，设计Lyapunov函数，以确保系统稳定。

进一步的，步骤1)所述车辆的纵向动力学模型建立如下：

化简得：

其中a、b、c、d为设定的车辆系统参数，表示为：

其中m是车的质量，k_d为空气阻力系数，k_m为机械阻力系数，d(t)代表车辆受到的未知外界扰动，τ为发动机的时间常数，u为车辆的控制输入。

进一步的，步骤2)所述车间距控制策略为：固定车头时距，即控制同一纵向车道上行驶的车队中连续两辆车的车头通过某一点的时间一致；这种控制策略中，车队中相邻车辆之间的期望车间距离是由车头时距和车速一起决定的；车队中相邻车辆之间的车间距误差如式所示：

式中，x_i-1是第i-1辆车行驶的位置，x_i是第i辆车行驶的位置，

是第i辆车的行驶速度，l_i-1是第i-1辆车的长度，h为车头时距，其取值为常数，一般取1～2s/veh。

进一步的，步骤5)所述Lyapunov函数如下：

将步骤4)所得滑模控制律函数与步骤3)所得非奇异快速终端滑模面函数带入该Lyapunov函数，并对其求导，得：

其中，

为e的一阶导数，e为车间距误差；该式证明了该系统是稳定的。

有益效果

与现有技术相比，本发明公开了一种基于非奇异快速终端滑模控制的车辆协同控制方法，所述方法在获得车间距误差和设计的非奇异快速终端滑模面的基础上，基于所述车间距误差和滑模面设计全新的滑模控制律。可见，应用本发明方法，可以使系统在有限时间趋于滑模面，提高车间距误差趋于0的速度，进而可以提高后车跟随效果。

附图说明

图1展示了多车协同控制的系统框图；

图2展示了普通滑模面和非奇异快速终端滑模面曲线；

图3展示了双车协同驾驶的速度曲线；

图4展示了双车协同驾驶的车间距曲线；

图5展示的是多车协同的车辆速度曲线；

图6展示的是多车协同的车间距误差曲线；

图7展示的是多车协同的车路程曲线。

具体实施方法

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

一种基于非奇异快速终端滑模控制的车辆协同控制方法，包括以下步骤：

1)建立车辆的纵向动力学模型建立如下：：

其中m是车的质量，k_d为空气阻力系数，k_m为机械阻力系数，d(t)代表车辆受到的未知外界扰动，τ为发动机的时间常数，u为车辆的控制输入。

化简得：

其中a、b、c、d为设定的车辆系统参数，表示为：

2)车队中相邻车辆之间的车间距误差如式所示:

式中，x_i-1是第i-1辆车行驶的位置，x_i是第i辆车行驶的位置，

是第i辆车的行驶速度，l_i-1是第i-1辆车的长度，h为车头时距，其取值为常数，一般取1～2s/veh。

3)选取非奇异快速终端滑模面为：

式中p、q为终端滑模面参数，且

s为滑模面，β为滑模面参数，取正数，

为e_i的一阶导数；

4)设计滑模控制律为：

u_s＝k·sgn(S) (11)

其中sgn(S)为符号函数，k为鲁棒项增益,取为正数，通过设置鲁棒项增益k稍大于干扰上界，用以补偿未知干扰造成的影响，即可保证系统的稳定性和轨迹跟踪性能。

5)基于Lyapunov稳定性理论，设计Lyapunov函数，以确保系统稳定；定义Lyapunov函数如下：

将控制率与滑模面函数带入该Lyapunov函数得：

其中，

为e的一阶导数，e为车间距误差；系统稳定性得到证明。

6)计算机仿真实验

根据非奇异快速终端滑模控制的算法，在MATLAB/Simulink中对单车巡航以及多车协同进行数值仿真。在忽略车长的前提下，一维车队的仿真实验中车辆的各项参数如下：

m＝1500kg，k_d＝0.3Ns²/m²，k_m＝140N/m，τ＝0.3，

非奇异快速终端滑模面各项参数为：

p＝3，q＝5，β＝5

车间距参数：h＝1

未知外界干扰取：d(t)＝3cos(2.15·t)

鲁棒项增益：k＝3.1

跟随车每过0.5s从起点出发一辆，共6辆车，车队速度设定先加速到10m/s再加速至40m/s，然后减速至20m/s。

双车协同的仿真结果如图：

图2展示的分别是普通滑模和非奇异快速终端滑模的滑模面曲线。由曲线对比可更直观的看出，使用非奇异快速终端滑模面后，系统可以很快地趋于滑模面且稳定性也更高。

图3-4展示的是通过非奇异终端滑模控制得到的双车速度、车间距曲线。由图可知在更改滑模面为非奇异快速终端滑模面后，经过所设计的控制力对车队进行控制，后车车速能够在较短时间内矫正，使前后车速一致，车间距误差趋近于0。

把车辆增加到5辆，各项仿真结果如下：

图5-7展示的是多辆车进行协同驾驶时，各车的速度曲线、误差曲线以及各车车间距曲线。由图可知，当前车速度达到设定速度时，后车通过保持车头时距固定，使速度和前车一致，并且相邻两辆车间距固定为h倍的当前速度，误差趋于0，且收敛速度很快，控制效果良好。

本发明提出一种基于非奇异快速终端滑模控制的车辆协同控制方法。基于传统滑模控制无法在有限时间内收敛于滑模面的问题，采用非奇异快速终端滑模面代替普通滑模面，使系统可以快速的趋于滑模面。通过仿真验证，很明显对车队协同控制采用该非奇异快速终端滑模控制的控制效果及收敛速度皆优于普通滑模控制。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于非奇异快速终端滑模控制的车辆协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立车辆纵向动力学模型；

2)选取车间距控制策略以计算车队中相邻车辆之间的车间距误差；

3)建立非奇异快速终端滑模面；所述非奇异快速终端滑模面为：

式中p、q为终端滑模面参数，且

s为滑模面，β为滑模面参数，取正数，

为e_i的一阶导数；

当系统收敛于滑模面时，两车间距离恒为

车间距固定，故后车车速、加速度会趋于前车车速、加速度。

4)设计滑模控制律为：

其中，

为前车加速度，

是本车加速度，sgn(S)为符号函数，u_eq为等效控制部分，u_s为鲁棒项，k为鲁棒项增益，取为正数，通过设置鲁棒项增益k稍大于外界未知干扰上界，用以补偿未知干扰造成的影响，即能够保证系统的稳定性和轨迹跟踪性能；

5)基于Lyapunov稳定性理论，设计Lyapunov函数，以确保系统稳定。

2.根据权利要求1所述一种基于非奇异快速终端滑模控制的车辆协同控制方法，其特征在于，步骤1)所述车辆的纵向动力学模型建立如下：

其中v为车的速度，

为车的加速度，

为车的加速度变化量。

化简得：

其中a、b、c、d为设定的车辆系统参数，表示为：

其中m是车的质量，k_d为空气阻力系数，k_m为机械阻力系数，d(t)代表车辆受到的未知外界扰动，τ为发动机的时间常数，u为车辆的控制输入。

3.根据权利要求1所述一种基于非奇异快速终端滑模控制的车辆协同控制方法，其特征在于，步骤2)所述车间距控制策略为：固定车头时距，即控制同一纵向车道上行驶的车队中连续两辆车的车头通过某一点的时间一致；这种控制策略中，车队中相邻车辆之间的期望车间距离是由车头时距和车速一起决定的；车队中相邻车辆之间的车间距误差如式所示：

式中，x_i-1是第i-1辆车行驶的位置，x_i是第i辆车行驶的位置，

是第i辆车的行驶速度，l_i-1是第i-1辆车的长度，h为车头时距，其取值为常数，一般取1～2s/veh。

4.根据权利要求1所述一种基于非奇异快速终端滑模控制的车辆协同控制方法，其特征在于，步骤5)所述Lyapunov函数如下：

将步骤4)所得滑模控制律函数与步骤3)所得非奇异快速终端滑模面函数带入该Lyapunov函数，并对其求导，得：

其中，

为e的一阶导数，e为车间距误差；该式证明了该系统是稳定的。

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