CN113386793B - 线性和非线性控制结合低速稳态控制系统 - Google Patents

线性和非线性控制结合低速稳态控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开的线性和非线性控制结合低速稳态控制系统，针对低速自动驾驶纵向控制，采用线性和非线性控制相结合的控制策略的方式实现对低目标车速的稳态控制，进而实现对低速自动驾驶的稳态控速。克服线性控制通过目标车速和实际车速的偏差进行反馈控制，对于在低目标车速控制，对车速的控制精度要求较高，要求车速在目标车速附近较小范围内变化，当车辆的动力性能高于制动性能时，线性控制响应不及时的问题。

Description

线性和非线性控制结合低速稳态控制系统
技术领域
本发明涉及自动驾驶低速速度控制领域，具体涉及线性和非线性控制结合低速稳态控制系统及方法。
背景技术
自动驾驶技术在智能汽车行业的发展上举足轻重，从感知、决策到运动控制，每个环节都密切影响着自动驾驶的驾乘体验。舒适性、平稳性是驾乘人员能够直接感受到的，而这又是直接受到运动控制的影响。当前在自动驾驶业务领域，车辆运动控制算得上是较为成熟的技术了。如广州橙行智动科技有限公司申请的公开号为CN106004515A用于电动汽车自动泊车的车速控制方法及系统公开的专利技术为：用于电动汽车的自动泊车车速控制方法及系统，该方案包含车速传感器模块、超声波传感器、车辆定位模块和车速控制模块。其中，车速控制器根据运动车速和理想车速调节电动汽车的电动扭矩。
现有的低目标车速稳态控速为基于汽车模型，根据车辆动力学计算出需要的加速指令和减速指令，针对车辆动力稳定且制动响应及时的系统有较好的控制效果，但是针对燃油车这类动力不稳定的系统或者制动系统对小减速度的响应不够灵敏的车辆系统来进行低速稳态控速，却达不到好的控制效果。因此，需要提出一种解决低目标车速、短目标距离以及车辆关联系统状态不稳定的系统，提高低速控制制动稳定性。
发明内容
本发明公开的线性和非线性控制结合低速稳态控制系统，提出一种线性控制和非线性控制相结合的控制系统，进而实现对低速自动驾驶的稳态控速。
本发明公开的线性和非线性控制结合低速稳态控制系统，包括输入信息模块和控制单元模块；
所述输入信息模块实时记录道路信息、目标信息和车辆信息；
所述控制单元模块包括道路行驶状态模块、线性控制单元、非线性控制单元及线性非线性协同控制器；
所述道路行驶状态模块，根据道路信息、目标信息和车辆信息，更新车辆的道路行驶状态；
所述线性控制单元采用PI系数自适应控制器计算线性控制目标加速度；
所述非线性控制单元道路行驶状态信息确定非线性控制模式为：避免车速快速上升或避免车速快速下降两种模式；避免车速快速上升模式中，将非线性控制目标加速度的值按减速度步长的值逐级降低；避免车速快速下降模式中，根据目标车速和实际车速之间的偏差确定正加速度数值作为非线性控制目标加速度用于制动系统泄压；
所述线性非线性协同控制器根据线性控制单元计算的线性控制目标加速度和非线性控制单元计算的非线性控制目标加速度进行协同处理，按以下方式得到目标加速度，并发送到车辆执行系统执行：
1）当避免车速快速上升模式时，选取线性控制和非线性控制目标减速度的最小值作为目标加速度；
2）避免车速快速下降模式时，选取线性控制和非线性控制目标减速度的最大值作为目标加速度。
进一步地，
所述非线性控制单元包含非线性控制模式识别模块、非线性加速度约束模块和非线性控制策略模块；所述非线性控制模式识别模块根据道路行驶状态信息、车辆信息中的实际车速信息确定非线性控制模式为：避免车速快速上升或避免车速快速下降；所述非线性加速度约束模块根据车辆信息中的实际车速信息确定不同速度区间段的非线性加速度约束的最大值和最小值范围；所述非线性控制策略模块根据非线性控制模式及非线性加速度最值分别对针对两种模式得到非线性控制目标加速度。
进一步地，
非线性控制模式为避免车速快速上升逻辑时，按以下步骤计算非线性控制目标加速度：
步骤1）判断非线性控制模式是否为避免车速快速上升模式；是，进入步骤2）；否，进入步骤5）；
步骤2）将上一周期的非线性控制目标加速度减去减速度步长的值作为当前非线性控制目标加速度；
步骤3） 当前非线性控制目标加速度保持一定时间；再次判断非线性控制模式是否为避免车速快速上升模式，是，进入步骤4）；否，进入步骤5）；
步骤4）判断前非线性控制目标加速度保持超过一定时间且其值在非线性加速度约束的最值范围内；是，返回步骤2）；否，返回步骤3）；
5）退出该逻辑。
进一步地，非线性控制模式为避免车速快速下降时，
根据目标车速和实际车速之间的偏差确定正加速度数值作为非线性控制目标加速度用于制动系统泄压；
进一步地，车辆信息包括：实际车速和实际挡位；目标信息包括：目标车速和目标挡位；道路信息包括：道路坡度。
进一步地，所述道路行驶状态模块，判断是否切换到目标挡位，在切换目标挡位后，根据实际挡位和道路坡度值更新车辆的道路行驶状态。
进一步地，道路行驶状态模块根据实际挡位、目标挡位信息确定在控制过程中是否已经完成换挡动作；在已经完成换挡的情况下，根据实际挡位和道路坡度值更新车辆的道路行驶状态，否则输出为未知状态；车辆的道路行驶状态包含：平路行驶、上缓坡行驶、上陡坡行驶、下缓坡行驶以及下陡坡行驶。
进一步地，还包括最值约束模块，所述最值约束模块根据道路行驶状态、实际车速、行驶距离长度、实际挡位以及其他车辆状态信息确定线性控制目标加速度的最大值和最小值，并对所述PI系数自适应控制器计算线性控制目标加速度进行限制。
进一步地，线性控制单元采PI系数自适应控制器计算目标加速度；PI系数自适应控制器根据道路行驶状态、实际车速与目标车速速度偏差自适应PI系数自适应控制器的比例系数和积分系数，再根据实际车速对PI系数自适应控制器的控制量系数进行自适应，PI系数自适应控制器根据PI控制方法及自适应的比例系数、积分系数以及控制量系数得到线性控制目标加速度。
本发明公开的线性和非线性控制结合低速稳态控制系统，针对低速自动驾驶纵向控制，采用线性和非线性控制相结合的控制策略的方式实现对低目标车速的稳态控制，进而实现对低速自动驾驶的稳态控速。在低速稳态控速过程中，存在的动力系统输出动力不稳定或者主动制动系统对小减速度响应不够灵敏的问题，在线性控制的同时，结合非线性控制策略，非线性通过车辆的整体行程状态，即车辆的实际动力状态，轮缸建压响应延迟等特性，根据车速变化的快慢及持续时间进行目标加速度的规划。克服线性控制通过目标车速和实际车速的偏差进行反馈控制，对于在低目标车速控制，对车速的控制精度要求较高，要求车速在目标车速附近较小范围内变化，当车辆的动力性能高于制动性能时，线性控制响应不及时的问题。
附图说明
图1为本发明系统方案示意图；
图2为线性控制单元架构示意图；
图3为非线性控制单元架构示意图；
图4为避免车速快速上升逻辑流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
如图1至图4所示，本发明公开的线性和非线性控制结合低速稳态控制系统，包括输入信息模块和控制单元模块。输入信息模块实时记录道路信息、目标信息和车辆信息；车辆信息包括：实际车速和实际挡位；目标信息包括：目标车速和目标挡位；道路信息包括：道路坡度。
控制单元模块包括道路行驶状态模块、线性控制单元、非线性控制单元、最值约束模块及线性非线性协同控制器；
道路行驶状态模块根据实际挡位、目标挡位信息确定在控制过程中是否已经完成换挡动作；在已经完成换挡的情况下，根据实际挡位和道路坡度值更新车辆的道路行驶状态，否则输出为未知状态（Unknown状态）；车辆的道路行驶状态包含：平路行驶、上缓坡行驶、上陡坡行驶、下缓坡行驶以及下陡坡行驶。
线性控制单元采用PI系数自适应控制器计算线性控制目标加速度；线性控制单元采用PI系数自适应控制器计算目标加速度；PI系数自适应控制器根据道路行驶状态、实际车速与目标车速速度偏差自适应PI系数自适应控制器比例系数和积分系数，再根据实际车速对PI系数自适应控制器控制量系数进行自适应， PI系数自适应控制器根据PI控制方法及自适应的比例系数、积分系数以及PI控制量系数得到线性控制目标加速度。
最值约束模块根据道路行驶状态、实际车速、行驶距离长度、实际挡位以及其他车辆状态信息确定线性控制目标加速度的最大值和最小值。并对所述PI系数自适应控制器计算线性控制目标加速度进行限制。目标加速度最大值的限制作用：线性控制目标加速度最大值为正值，制动控制器会根据正值的大小进行车辆制动轮缸泄压，从而减小车辆的行驶阻力，达到使车辆车速上升的目的，但是由于目标车速较低，不能够使制动控制器泄压过快，否则会出现车速超调，车速控制不稳等问题。线性控制目标加速度最小值限制作用：其值为负值，制动控制器会根据负值的大小进行车辆制动轮缸建压，从而增大车辆的行驶阻力，达到使车速降低的目的，考虑到值过小，车辆速度会下降过快，整车加速度的变化率过大，造成急刹，降低驾驶体验。
非线性控制单元包含非线性控制模式识别模块、非线性加速度约束模块和非线性控制策略模块；非线性控制模式识别模块根据道路行驶状态信息、车辆信息中的实际车速信息确定非线性控制模式为：避免车速快速上升或避免车速快速下降；非线性加速度约束模块根据车辆信息中的实际车速信息确定不同速度区间段的非线性加速度约束的最大值和最小值范围；非线性控制策略模块根据非线性控制模式及非线性加速度最值分别对针对两种模式得到非线性控制目标加速度；具体按如下方式进行，
避免车速快速上升逻辑非线性控制模式：
步骤1）判断非线性控制模式是否为避免车速快速上升模式；是，进入步骤2）；否，进步步骤5）；
步骤2）将上一周期的非线性控制目标加速度减去减速度步长的值作为当前非线性控制目标加速度；
步骤3） 当前非线性控制目标加速度保持一定时间；再次判断非线性控制模式是否为避免车速快速上升模式，是，进入步骤4）；否，进入步骤5）；
步骤4）判断前非线性控制目标加速度保持超过一定时间且其值在非线性加速度约束的最值范围内；是，返回步骤2）；否，返回步骤3）；这种操作主要考虑到减速响应存在延迟，如果持续憎大减速度会导致车速下降过大，进一步导致车速震荡。
5）退出该逻辑；
避免车速快速下降非线性控制模式：
根据目标车速和实际车速之间的偏差确定正加速度数值作为非线性控制目标加速度用于制动系统泄压。泄压逻辑的目的是车辆速度上升，其具体原理如下：制动控制器会根据正的目标加速度，减小制动轮缸的压力，制动轮缸的压力大小就是人为施加的车辆行驶阻力，泄压就是为了减小行驶阻力，在动力稳定的情况下，根据力平衡原理，合外力增加从而使车速增加。
线性非线性协同控制器根据线性控制单元计算的线性控制加速度和非线性控制单元计算的非线性控制目标加速度进行协同处理，得到基于线性控制和非线性控制相结合的目标加速度，并发送到车辆执行系统执行。
线性非线性协同控制器根据线性控制单元计算的线性控制目标加速度和非线性控制单元计算的非线性控制目标加速度进行协同处理，按以下方式得到目标加速度：
1）当避免车速快速上升模式时，选取线性控制和非线性控制目标减速度的最小值作为目标加速度；
2）避免车速快速下降模式时，选取线性控制和非线性控制目标减速度的最大值作为目标加速度。

Claims (9)

1.线性和非线性控制结合低速稳态控制系统，其特征在于：包括输入信息模块和控制单元模块；
所述输入信息模块实时记录道路信息、目标信息和车辆信息；
所述控制单元模块包括道路行驶状态模块、线性控制单元、非线性控制单元及线性非线性协同控制器；
所述道路行驶状态模块，根据道路信息、目标信息和车辆信息，更新车辆的道路行驶状态；
所述线性控制单元采用PI系数自适应控制器计算线性控制目标加速度；
所述非线性控制单元道路行驶状态信息确定非线性控制模式为：避免车速快速上升或避免车速快速下降两种模式；避免车速快速上升模式中，将非线性控制目标加速度的值按减速度步长的值逐级降低；避免车速快速下降模式中，根据目标车速和实际车速之间的偏差确定正加速度数值作为非线性控制目标加速度用于制动系统泄压；
所述线性非线性协同控制器根据线性控制单元计算的线性控制目标加速度和非线性控制单元计算的非线性控制目标加速度进行协同处理，按以下方式得到目标加速度，并发送到车辆执行系统执行：
1）当避免车速快速上升模式时，选取线性控制和非线性控制目标减速度的最小值作为目标加速度；
2）避免车速快速下降模式时，选取线性控制和非线性控制目标减速度的最大值作为目标加速度。
2.如权利要求1所述的线性和非线性控制结合低速稳态控制系统，其特征在于：
所述非线性控制单元包含非线性控制模式识别模块、非线性加速度约束模块和非线性控制策略模块；所述非线性控制模式识别模块根据道路行驶状态信息、车辆信息中的实际车速信息确定非线性控制模式为：避免车速快速上升或避免车速快速下降；所述非线性加速度约束模块根据车辆信息中的实际车速信息确定不同速度区间段的非线性加速度约束的最大值和最小值范围；所述非线性控制策略模块根据非线性控制模式及非线性加速度最值分别对针对两种模式得到非线性控制目标加速度。
3.如权利要求2所述的线性和非线性控制结合低速稳态控制系统，其特征在于：非线性控制模式为避免车速快速上升逻辑时，按以下步骤计算非线性控制目标加速度：
步骤1）判断非线性控制模式是否为避免车速快速上升模式；是，进入步骤2）；否，进入步骤5）；
步骤2）将上一周期的非线性控制目标加速度减去减速度步长的值作为当前非线性控制目标加速度；
步骤3） 当前非线性控制目标加速度保持一定时间；再次判断非线性控制模式是否为避免车速快速上升模式，是，进入步骤4）；否，进入步骤5）；
步骤4）判断前非线性控制目标加速度保持超过一定时间且其值在非线性加速度约束的最值范围内；是，返回步骤2）；否，返回步骤3）；
5）退出该逻辑。
4.如权利要求3所述的线性和非线性控制结合低速稳态控制系统，其特征在于：非线性控制模式为避免车速快速下降时，
根据目标车速和实际车速之间的偏差确定正加速度数值作为非线性控制目标加速度用于制动系统泄压。
5.如权利要求4所述的线性和非线性控制结合低速稳态控制系统，其特征在于：车辆信息包括：实际车速和实际挡位；目标信息包括：目标车速和目标挡位；道路信息包括：道路坡度。
6.如权利要求5所述的线性和非线性控制结合低速稳态控制系统，其特征在于：所述道路行驶状态模块，判断是否切换到目标挡位，在切换目标挡位后，根据实际挡位和道路坡度值更新车辆的道路行驶状态。
7.如权利要求6所述的线性和非线性控制结合低速稳态控制系统，其特征在于：道路行驶状态模块根据实际挡位、目标挡位信息确定在控制过程中是否已经完成换挡动作；在已经完成换挡的情况下，根据实际挡位和道路坡度值更新车辆的道路行驶状态，否则输出为未知状态；车辆的道路行驶状态包含：平路行驶、上缓坡行驶、上陡坡行驶、下缓坡行驶以及下陡坡行驶。
8.如权利要求7所述的线性和非线性控制结合低速稳态控制系统，其特征在于：还包括最值约束模块，所述最值约束模块根据道路行驶状态、实际车速、行驶距离长度、实际挡位以及其他车辆状态信息确定线性控制目标加速度的最大值和最小值，并对所述PI系数自适应控制器计算线性控制目标加速度进行限制。
9.如权利要求8所述的线性和非线性控制结合低速稳态控制系统，其特征在于：线性控制单元采PI系数自适应控制器计算目标加速度；PI系数自适应控制器根据道路行驶状态、实际车速与目标车速速度偏差自适应PI系数自适应控制器的比例系数和积分系数，再根据实际车速对PI系数自适应控制器的控制量系数进行自适应，PI系数自适应控制器根据PI控制方法及自适应的比例系数、积分系数以及控制量系数得到线性控制目标加速度。
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