CN113602269B - 面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错方法及装置，根据协同式自适应巡航控制输出数据及带有控制器参数非线性时变摄动的控制输入指令数据和车车、车路协同数据对系统中的雷达性能缺陷、执行控制性能缺陷和多源未知外界干扰中的匹配部分分别进行在线估计；根据估计信息与系统输出信息，计算生成可容忍协同式自适应巡航控制系统中的雷达性能缺陷、执行控制性能缺陷和多源未知外界干扰中的匹配部分，并通过H∞方法抑制多源未知外界干扰中的不匹配部分，生成控制输入指令；执行控制输入指令，在线计算出加速踏板开度信号和制动踏板开度信号，控制队列中的车辆跟踪前车，并更新车端的系统输出信息。该方法适用于降低协同自适应巡航功能由于性能缺陷导致的不合理风险，用于保障该功能预期功能安全。

Description

面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错方法及装置
技术领域
本发明涉及智能网联汽车技术领域，特别涉及一种面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错方法及装置。
背景技术
协同式自适应巡航控制(Cooperative Adaptive Cruise Control，CACC)是最接近最终形态的一种智能网联汽车技术。该技术通过在传统自适应巡航控制(AdaptiveCruise Control，ACC)上扩展V2X无线通信，可以控制车辆形成稳定的队列，进而达到提升道路通行效率、改善交通拥堵状况和减少燃油消耗的目的，是未来高速公路场景下的智能网联汽车技术典型应用。
协同式自适应巡航控制在硬件上依赖复杂、不确定的感知、通信和线控执行设备，在软件上依赖相应的算法，实现在复杂、非结构的道路环境中运行。这些新的特点使协同式自适应巡航控制对性能缺陷带来的风险高度敏感。不仅如此，运行在真实环境中的车辆受到系统不确定、多源外界未知干扰和控制器摄动等固有特性的影响。上述因素对协同自适应巡航预期功能的正确实施和鲁棒性能产生严重的影响，设置导致队列碰撞。因此，亟需一种能够在考虑真实环境中的复杂因素的情况下保障CACC预期功能安全的控制系统与性能缺陷估计方法。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错方法，该方法当感知、执行的性能缺陷被触发时，保障车辆的安全运行。实现对预期功能安全的保障。
本发明的另一个目的在于提出一种面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错装置。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错方法，包括以下步骤：
获取协同式自适应巡航控制输出数据及带有控制器参数非线性时变摄动的控制输入指令数据和车车、车路协同数据；
根据所述协同式自适应巡航控制输出数据及所述带有控制器参数非线性时变摄动的控制输入指令数据和车车、车路协同数据，对协同式自适应巡航控制系统中的雷达性能缺陷、执行控制性能缺陷和多源未知外界干扰中的匹配部分分别进行在线估计，得到估计信息；
根据所述估计信息与系统输出信息，计算生成可容忍协同式自适应巡航控制系统中的雷达性能缺陷、执行控制性能缺陷和多源未知外界干扰中的匹配部分，并通过H∞方法抑制多源未知外界干扰中的不匹配部分，生成控制输入指令；
执行所述控制输入指令，在线计算出可容忍多性能缺陷、具有鲁棒和非脆弱特性的加速踏板开度信号和制动踏板开度信号，控制队列中的车辆跟踪前车，并更新车端的系统输出信息。
本发明实施例的面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错方法，可以保障协同自适应巡航预期功能的正确实施和鲁棒性能，是一种能够在考虑真实环境中的复杂因素的情况下保障CACC预期功能安全的控制系统与性能缺陷估计方法。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错装置，包括：
获取模块，用于获取协同式自适应巡航控制输出数据及带有控制器参数非线性时变摄动的控制输入指令数据和车车、车路协同数据；
估计模块，用于根据所述协同式自适应巡航控制输出数据及所述带有控制器参数非线性时变摄动的控制输入指令数据和车车、车路协同数据，对协同式自适应巡航控制系统中的雷达性能缺陷、执行控制性能缺陷和多源未知外界干扰中的匹配部分分别进行在线估计，得到估计信息；
控制模块，用于根据所述估计信息与系统输出信息，计算生成可容忍协同式自适应巡航控制系统中的雷达性能缺陷、执行控制性能缺陷和多源未知外界干扰中的匹配部分，并通过H∞方法抑制多源未知外界干扰中的不匹配部分，生成控制输入指令；
执行模块，用于执行所述控制输入指令，在线计算出可容忍多性能缺陷、具有鲁棒和非脆弱特性的加速踏板开度信号和制动踏板开度信号，控制队列中的车辆跟踪前车，并更新车端的系统输出信息。
本发明实施例的面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错装置，可以保障协同自适应巡航预期功能的正确实施和鲁棒性能，能够在考虑真实环境中的复杂因素的情况下保障CACC预期功能安全的控制系统与性能缺陷估计。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错方法流程图；
图2为根据本发明一个实施例的面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错方法流程框图；
图3为根据本发明一个实施例的增广状态的估计结果示意图；
图4为根据本发明一个实施例的执行性能缺陷估计结果示意图；
图5为根据本发明一个实施例的感知性能缺陷估计结果示意图；
图6为根据本发明一个实施例的匹配干扰估计结果示意图；
图7为根据本发明一个实施例的面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错装置结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错方法及装置。
首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错。
图1为根据本发明一个实施例的面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错方法流程图。
如图1所示，该面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错包括以下步骤：
步骤S101，获取协同式自适应巡航控制输出数据及带有控制器参数非线性时变摄动的控制输入指令数据和车车、车路协同数据。
从队列车端获取带有雷达性能缺陷、执行控制性能缺陷、非线性时变系统参数摄动和多源未知外界干扰信息的协同式自适应巡航控制输出数据，从CACC-SOTIF鲁棒非脆弱动态输出反馈H∞主动容错控制器获取带有控制器参数非线性时变摄动的控制输入指令数据，从无线通信网络获取车车、车路协同数据。
步骤S102，根据协同式自适应巡航控制输出数据及带有控制器参数非线性时变摄动的控制输入指令数据和车车、车路协同数据，对协同式自适应巡航控制系统中的雷达性能缺陷、执行控制性能缺陷和多源未知外界干扰中的匹配部分分别进行在线估计，得到估计信息。
CACC-SOTIF多性能缺陷和匹配干扰估计器利用获取到的系统输出数据、控制输入数据和车辆初始状态，对协同式自适应巡航控制系统中的雷达性能缺陷、执行控制性能缺陷和多源未知外界干扰中的匹配部分分别进行在线估计，并将估计信息输出给CACC-SOTIF鲁棒非脆弱动态输出反馈H∞主动容错控制器。
可选地，在本发明的一个实施例中，对协同式自适应巡航控制系统中的雷达性能缺陷、执行控制性能缺陷和多源未知外界干扰中的匹配部分分别进行在线估计，包括：
构造带有非线性系统摄动、多源未知外界干扰和雷达性能缺陷、执行控制性能缺陷的协同式自适应巡航控制数学模型，以构造以未知外界干扰、雷达性能缺陷作为增广状态的增广线性时变系统；
由增广线性时变系统定义多性能缺陷和匹配干扰估计器组合，以计算多性能缺陷和匹配干扰估计器增益。
可选地，CACC-SOTIF多性能缺陷和匹配干扰估计器的设计方法为：
1)构造带有非线性系统摄动、多源未知外界干扰和雷达性能缺陷、执行控制性能缺陷的协同式自适应巡航控制数学模型，进一步构造以未知外界干扰、雷达性能缺陷作为增广状态的增广线性时变系统，系统描述为：
y(t)＝Caxa(t)
其中，为增广状态，x(t)＝[ε(t) Δv(t) a(t)]T，ε为相对距离误差，Δv为相对速度，a为自车加速度，fs(t)为雷达性能缺陷，d(t)为未知外界干扰，/>为增广系统的系统矩阵/>h为车头时距，ζ为发动机时间常数，D1为系统未知外界干扰矩阵，g(Aa,t)为系统非线性时变参数摄动，/> 为增广的系统输入矩阵，/>为增广的执行控制性能缺陷矩阵，/>为增广微分矩阵，/>为增广的输出矩阵，其中C，D2和F分别为原始系统的输出矩阵、测量未知外界干扰矩阵和雷达性能缺陷矩阵。
2)基于增广线性时变系统，定义CACC-SOTIF多性能缺陷和匹配干扰估计器组合，其中：
CACC增广状态估计器表达式为：
CACC传递参数估计器表达式为：
CACC执行性能缺陷估计器表达式为：
CACC测量输出估计器表达式为：
CACC干扰估计器表达式为：
CACC感知性能缺陷估计器表达式为：
其中，符号表示CACC-SOTIF多性能缺陷和匹配干扰估计器输出的估计值。η为给定正常数，Cd为干扰估计输出矩阵，Cs为雷达性能缺陷估计输出矩阵，L为CACC-SOTIF多性能缺陷和匹配干扰估计器增益。
3)求解CACC-SOTIF多性能缺陷和匹配干扰估计器增益L。设计求解方法为：首先给定η>0，ε1>0,ε2>0和ε3>0，求解线性矩阵不等式：
其中：
Ω3＝blkdiag{-σ2I,-ε1I,-ε2I,-ε3I,-σ3I}
得到P1，P2和P3，再通过等式关系：
得到CACC-SOTIF多性能缺陷和匹配干扰估计器增益L。
步骤S103，根据估计信息与系统输出信息，计算生成可容忍协同式自适应巡航控制系统中的雷达性能缺陷、执行控制性能缺陷和多源未知外界干扰中的匹配部分，并通过H∞方法抑制多源未知外界干扰中的不匹配部分，生成控制输入指令。
CACC-SOTIF鲁棒非脆弱动态输出反馈H∞主动容错控制器利用获取到的估计信息与系统输出信息，在线计算生成可以容忍协同式自适应巡航控制系统中的雷达性能缺陷、执行控制性能缺陷和多源未知外界干扰中的匹配部分，可以通过H∞方法抑制多源未知外界干扰中的不匹配部分，对系统非线性时变参数摄动鲁棒，具有非脆弱特性的控制输入指令，发送给协同式自适应巡航控制执行器控制系统。
步骤S104，执行控制输入指令，在线计算出可容忍多性能缺陷、具有鲁棒和非脆弱特性的加速踏板开度信号和制动踏板开度信号，控制队列中的车辆跟踪前车，并更新车端的系统输出信息。
协同式自适应巡航控制的下层控制器利用收到的控制指令，在线计算出可容忍多性能缺陷、具有鲁棒和非脆弱特性的加速踏板开度信号和制动踏板开度信号，控制队列中的车辆跟踪前车，并更新车端的系统输出信息。
之后，进入下一个采样周期，迭代上述过程。
可选地，在本发明的一个实施例中，在获取协同式自适应巡航控制输出数据及带有控制器参数非线性时变摄动的控制输入指令数据和车车、车路协同数据之前，还包括：
获取距离上次采样的持续时长；
检测采样时长是否满足采样周期，以在满足采样周期时，执行迭代步骤。
图2展示了面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错方法的处理过程，图3、图4、图5和图6展示了本发明的结果。
根据本发明实施例提出的面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错方法，可以作为协同式自适应巡航控制的容错控制方法，当感知、执行的性能缺陷被触发时，保障车辆的安全运行，实现对预期功能安全的保障。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错装置。
图7为根据本发明一个实施例的面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错装置结构示意图。
如图7所示，该面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错装置包括：获取模块701、估计模块702、控制模块703和执行模块704。
可选地，在本发明的实施例中，面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错装置还包括：迭代模块，用于获取距离上次采样的持续时长；检测采样时长是否满足采样周期，以在满足采样周期时，执行迭代步骤。
可选地，在本发明的实施例中，估计模块，进一步用于，构造带有非线性系统摄动、多源未知外界干扰和雷达性能缺陷、执行控制性能缺陷的协同式自适应巡航控制数学模型，以构造以未知外界干扰、雷达性能缺陷作为增广状态的增广线性时变系统；由增广线性时变系统定义多性能缺陷和匹配干扰估计器组合，以计算多性能缺陷和匹配干扰估计器增益。
可选地，在本发明的实施例中，增广状态的增广线性时变系统的描述公式为：
y(t)＝Caxa(t)，
其中，为增广状态，x(t)＝[ε(t) Δv(t) a(t)]T，ε为相对距离误差，Δv为相对速度，a为自车加速度，fs(t)为雷达性能缺陷，d(t)为未知外界干扰，/>为增广系统的系统矩阵/>h为车头时距，ζ为发动机时间常数，D1为系统未知外界干扰矩阵，g(Aa,t)为系统非线性时变参数摄动，/> 为增广的系统输入矩阵，/>Ea＝[ET 0 0]T为增广的执行控制性能缺陷矩阵，为增广微分矩阵，/>为增广的输出矩阵，其中C，D2和F分别为原始系统的输出矩阵、测量未知外界干扰矩阵和雷达性能缺陷矩阵。
可选地，在本发明的实施例中，多性能缺陷和匹配干扰估计器增益的计算公式为：
其中，P1和P3为中间计算参数。
需要说明的是，前述对方法实施例的解释说明也适用于该实施例的装置，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错装置，可以作为协同式自适应巡航控制的容错控制方法，当感知、执行的性能缺陷被触发时，保障车辆的安全运行，实现对预期功能安全的保障。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取协同式自适应巡航控制输出数据及带有控制器参数非线性时变摄动的控制输入指令数据和车车、车路协同数据；
根据所述协同式自适应巡航控制输出数据及所述带有控制器参数非线性时变摄动的控制输入指令数据和车车、车路协同数据，对协同式自适应巡航控制系统中的雷达性能缺陷、执行控制性能缺陷和多源未知外界干扰中的匹配部分分别进行在线估计，得到估计信息；
根据所述估计信息与系统输出信息，计算生成可容忍协同式自适应巡航控制系统中的雷达性能缺陷、执行控制性能缺陷和多源未知外界干扰中的匹配部分，并通过H∞方法抑制多源未知外界干扰中的不匹配部分，生成控制输入指令；
执行所述控制输入指令，在线计算出可容忍多性能缺陷、具有鲁棒和非脆弱特性的加速踏板开度信号和制动踏板开度信号，控制队列中的车辆跟踪前车，并更新车端的系统输出信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在获取所述协同式自适应巡航控制输出数据及所述带有控制器参数非线性时变摄动的控制输入指令数据和车车、车路协同数据之前，还包括：
获取距离上次采样的持续时长；
检测所述采样的持续时长是否满足采样周期，以在满足所述采样周期时，执行迭代步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对协同式自适应巡航控制系统中的雷达性能缺陷、执行控制性能缺陷和多源未知外界干扰中的匹配部分分别进行在线估计，包括：
构造带有非线性系统摄动、多源未知外界干扰和雷达性能缺陷、执行控制性能缺陷的协同式自适应巡航控制数学模型，以构造以多源未知外界干扰、雷达性能缺陷作为增广状态的增广线性时变系统；
由所述增广线性时变系统定义多性能缺陷和匹配干扰估计器组合，以计算多性能缺陷和匹配干扰估计器增益。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述增广状态的增广线性时变系统的描述公式为：
y(t)＝Caxa(t)，
其中，为增广状态，x(t)＝[ε(t) Δv(t) a(t)]T，ε为相对距离误差，Δv为相对速度，a为自车加速度，fs(t)为雷达性能缺陷，d(t)为未知外界干扰，/>为增广系统的系统矩阵，/>h为车头时距，ζ为发动机时间常数，D1为系统未知外界干扰矩阵，g(Aa,t)为系统非线性时变参数摄动，/>为增广的系统输入矩阵，/>Ea＝[ET 0 0]T为增广的执行控制性能缺陷矩阵，E＝B1，/>为增广微分矩阵，/>为增广的输出矩阵，其中C，D2和F分别为原始系统的输出矩阵、测量未知外界干扰矩阵和雷达性能缺陷矩阵。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述多性能缺陷和匹配干扰估计器增益的计算公式为：
其中，P1和P3为中间计算参数。
6.一种面向协同自适应巡航控制预期功能安全的容错装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取协同式自适应巡航控制输出数据及带有控制器参数非线性时变摄动的控制输入指令数据和车车、车路协同数据；
估计模块，用于根据所述协同式自适应巡航控制输出数据及所述带有控制器参数非线性时变摄动的控制输入指令数据和车车、车路协同数据，对协同式自适应巡航控制系统中的雷达性能缺陷、执行控制性能缺陷和多源未知外界干扰中的匹配部分分别进行在线估计，得到估计信息；
控制模块，用于根据所述估计信息与系统输出信息，计算生成可容忍协同式自适应巡航控制系统中的雷达性能缺陷、执行控制性能缺陷和多源未知外界干扰中的匹配部分，并通过H∞方法抑制多源未知外界干扰中的不匹配部分，生成控制输入指令；
执行模块，用于执行所述控制输入指令，在线计算出可容忍多性能缺陷、具有鲁棒和非脆弱特性的加速踏板开度信号和制动踏板开度信号，控制队列中的车辆跟踪前车，并更新车端的系统输出信息。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：迭代模块，用于获取距离上次采样的持续时长；检测所述采样的持续时长是否满足采样周期，以在满足所述采样周期时，执行迭代步骤。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述估计模块，进一步用于，构造带有非线性系统摄动、多源未知外界干扰和雷达性能缺陷、执行控制性能缺陷的协同式自适应巡航控制数学模型，以构造以多源未知外界干扰、雷达性能缺陷作为增广状态的增广线性时变系统；由所述增广线性时变系统定义多性能缺陷和匹配干扰估计器组合，以计算多性能缺陷和匹配干扰估计器增益。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述增广状态的增广线性时变系统的描述公式为：
y(t)＝Caxa(t)，
其中，为增广状态，x(t)＝[ε(t) Δv(t) a(t)]T，ε为相对距离误差，Δv为相对速度，a为自车加速度，fs(t)为雷达性能缺陷，d(t)为未知外界干扰，/>为增广系统的系统矩阵，/>h为车头时距，ζ为发动机时间常数，D1为系统未知外界干扰矩阵，g(Aa,t)为系统非线性时变参数摄动，/>为增广的系统输入矩阵，/>Ea＝[ET 0 0]T为增广的执行控制性能缺陷矩阵，E＝B1，/>为增广微分矩阵，/>为增广的输出矩阵，其中C，D2和F分别为原始系统的输出矩阵、测量未知外界干扰矩阵和雷达性能缺陷矩阵。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述多性能缺陷和匹配干扰估计器增益的计算公式为：
其中，P1和P3为中间计算参数。
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