CN114987472A - 一种基于前馈控制的跟随式自动驾驶汽车跟随控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于前馈控制的跟随式自动驾驶汽车跟随控制方法，该跟随控制方法适用于电动汽车的跟随控制，跟随控制方法包括：步骤1，根据车辆行驶参数，拟合生成车辆跟随拟合函数，其中，车辆行驶参数至少包括行驶速度、控制信号以及荷电状态；步骤2，基于前车当前行驶状态下的车辆行驶参数以及目标加速度变化量，根据车辆跟随拟合函数，计算后车的行驶过程中的控制信号。通过本申请中的技术方案，解决了跟随式自动驾驶车辆后车跟随行驶过程中由于两车功率、车辆状况不同、存在延迟等原因导致跟随效果不佳及不稳定的问题。

Description

一种基于前馈控制的跟随式自动驾驶汽车跟随控制方法

技术领域

本申请涉及自动驾驶的技术领域，具体而言，涉及一种基于前馈控制的跟随式自动驾驶汽车跟随控制方法。

背景技术

跟随式自动驾驶是一种可使目标车辆自动跟随其他车辆行驶的技术，其相对成本低、实现更为容易，且在道路标志线清晰的结构化道路和缺乏道路标志线的非结构化道路上都有广阔的应用前景。例如在物流车间内，可以使载货车自动跟随人工驾驶的前车进行工作，提升货物车间内周转效率，并降低了人工成本；在公路上，可以基于跟随式自动驾驶实现后车对前车的自动跟随，也可以控制智能驾驶车列编队行驶。

在理想的跟随式自动驾驶过程中，后车与前车应始终保持相同的行驶速度和车间距离。但在实际行驶过程中，两者的行驶速度一定会出现偏差，且车间距离也会产生波动，因此，通常情况下需要使用PI控制器来减小两车行驶速度和车间距离的偏差。但PI控制器需要等到目标量出现误差时才会发挥作用，应用在实际情况中同样会出现前车速度改变时，后车速度出现波动，且车间距离不稳定的情况。所以，需要引入前馈控制的方法，在干扰量产生，尚没有体现在目标量上时，就将干扰量降低，达到减少误差的目的。

而现有技术中，通常分别采集前后车的加速踏板、制动踏板信号，作为干扰量。在前车的加速踏板或制动踏板信号发生变化时，使后车的加速踏板或制动踏板同样变化，在忽略延迟的理想条件下，就可以使两者行驶速度和车间距离始终保持相同。但实际情况下，不仅存在车间通讯延迟与执行机构延迟等情况，而且两车的功率、制动性能等也可能存在差别，导致此类前馈控制方法的车辆跟随效果不佳、且后车跟随效果也不稳定。

发明内容

本申请的目的在于：解决跟随式自动驾驶车辆后车跟随行驶过程中由于两车功率、车辆状况不同、存在延迟等原因导致跟随效果不佳及不稳定的问题。

本申请的技术方案是：提供了一种基于前馈控制的跟随式自动驾驶汽车跟随控制方法，该跟随控制方法适用于电动汽车的跟随控制，跟随控制方法包括：步骤1，根据车辆行驶参数，拟合生成车辆跟随拟合函数，其中，车辆行驶参数至少包括行驶速度、控制信号以及荷电状态；步骤2，基于前车当前行驶状态下的车辆行驶参数以及目标加速度变化量，根据车辆跟随拟合函数，计算后车的行驶过程中的控制信号。

上述任一项技术方案中，进一步地，步骤1中拟合生成车辆跟随拟合函数，具体包括：步骤11，根据预设采样测量频率，采集车辆行驶过程中的车辆行驶参数，并将采样获得的数据记作一个采样数据点；步骤12，计算相邻两个采样数据点之间的参数距离，当判定参数距离大于或等于距离阈值时，将后一个采样数据点记作单点数据，否则，采用加权算法，将相邻两个采样数据点进行合并，生成复点数据；步骤13，根据单点数据和复点数据，采用曲线拟合的方式，拟合生成车辆跟随拟合函数。

上述任一项技术方案中，进一步地，步骤12中，参数距离的计算公式为：

式中，i为采样点数，i＝2,3,…,n，δ_i为后一个采样数据点a_i(v_i,P_i,SOC_i)与前一个采样数据点a_i-1(v_i-1,P_i-1,SOC_i-1)之间的参数距离，v_i为第i个采样数据点的行驶速度，P_i为采样数据点的控制信号，SOC_i为第i个采样数据点的荷电状态，v_max为车辆最大行驶速度。

上述任一项技术方案中，进一步地，步骤12中，复点数据的计算公式为：

式中，a′_i为加权生成的复点数据，n为采样点总数，a_i为后一个采样数据点，a_i-1为前一个采样数据点，i为采样点数，i＝2,3,…,n。

上述任一项技术方案中，进一步地，跟随控制方法还包括：当判定前车启动时，目标加速度变化量的取值为0，其中，目标加速度变化量为前车加速度与后车加速度的差值，前车加速度由前车控制信号、前车荷电状态，根据前车车辆跟随拟合函数确定，步骤2中，计算后车的行驶过程中的控制信号，具体包括：根据后车荷电状态以及后车车辆跟随拟合函数，计算前车加速度与后车加速度相等时，后车的控制信号。

上述任一项技术方案中，进一步地，跟随控制方法还包括：当判定前车和后车均属于行驶状态时，根据车间距离d以及行驶速度差，计算目标加速度变化量，目标加速度变化量的计算公式为：

Δd＝d-d₀

Δv＝v₁-v₂

式中，Δa为目标加速度变化量，t₁为第一时间参数，t₂为第二时间参数，Δv为行驶速度差，Δd为距离差，d为车间距离，d₀为目标距离，v₁为前车行驶速度，v₂为后车行驶速度。

上述任一项技术方案中，进一步地，步骤2中，计算后车的行驶过程中的控制信号，具体包括：步骤21，根据前车当前的车辆行驶参数，利用前车的车辆跟随拟合函数，计算前车加速度；步骤22，根据前车加速度和目标加速度变化量的差值，计算后车加速度；步骤23，根据后车加速度、后车当前的行驶速度以及荷电状态，利用后车的车辆跟随拟合函数，计算后车的控制信号。

本申请的有益效果是：

本申请中的技术方案采用拟合的方式，将前车的行驶速度、控制信号(加速或制动)信号以及荷电状态作为后车控制的基础，拟合得到三者与加速度的对应关系，从根源上减少了速度和设定距离出现偏差的可能性，实现了对两车加速和制动信号校准的效果，避免了因为前后两车的功率和制动性能不同，导致出现加速和制动信号相同但加速度不相同的情况。

并且，可以通过不断更新拟合所依赖的数据，保证了拟合结果随车辆的各种情况变化作出相应的适应性改变，从而确保了前馈控制效果随时间的稳定性。利用直观可控、具有物理含义的时间参数进行行驶过程中可能出现的随机偏差的调节，可以在不同的工程场景中根据控制需求灵活多变。

在本申请的优选实现方式中，还对前车处于启动或者行驶状态过程中的后车控制信号的计算进行了细化分类处理，通过引入目标加速度变化量，提高了后车加速度计算的准确性和时效性，进而保证了前馈控制过程中后车控制信号的可靠性，有助于解决跟随式自动驾驶过程中，后车跟随行驶过程时由于两车功率、车辆状况不同、存在延迟等原因导致跟随效果不佳及不稳定的问题。

附图说明

本申请的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本申请的一个实施例的基于前馈控制的跟随式自动驾驶汽车跟随控制方法的示意流程图；

图2是根据本申请的一个实施例的前后车行驶过程中的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1和图2所示，本实施例提供了一种基于前馈控制的跟随式自动驾驶汽车跟随控制方法，该跟随控制方法适用于电动汽车的跟随控制，包括：步骤1，根据车辆行驶参数，拟合生成车辆跟随拟合函数，其中，车辆行驶参数至少包括行驶速度、控制信号以及荷电状态；步骤2，基于前车当前行驶状态下的车辆行驶参数以及目标加速度变化量，根据车辆跟随拟合函数，计算后车的行驶过程中的控制信号。

具体的，在跟随式自动驾驶中，后车与前车的速度保持相等且同步变化是一种理想的跟随状态。为了前后两车的使实际情况更接近这种理想状态，本实施例在控制两车加速踏板或制动踏板信号(即控制信号)，使两车具有相同加速度、实现前馈控制的同时，采取一定措施来控制可能出现的两车行驶速度和车间距离的偏差，优化后车稳定跟随前车的跟随能力。

本实施例中的前车与后车分别安装有加速踏板信号传感器和制动踏板信号传感器，并进行标定。以前车为例，引入前车控制信号P₁，取值范围为[-1,1]，其中，大于0表示加速程度，即油门开合大小；小于0表示制动程度。当前车控制信号P₁取值为1时，表示加速程度为最大值，前车控制信号P₁取值为-1时，表示制动程度为最大值。令P₂为后车控制信号，取值方法同理。

若设定车辆的最大行驶速度为v_max，则前车和后车的行驶速度取值范围为v∈[0,v_max]。

对于电动汽车而言，其蓄电池的荷电状态SOC是其行驶过程中的一项重要参数，设定其取值范围为[0,1]。因此，本实施例中的车辆行驶参数至少包括行驶速度、控制信号以及荷电状态。

在上述参数取值范围内，采用均匀采样的方式，得到多个车辆行驶参数，构成车辆跟随拟合函数的拟合数据库，以便实时根据车辆行驶参数，对该拟合数据库进行更新，提高车辆跟随拟合函数的准确性。

设定拟合数据库中能够存储的最大采样点数量为n，当存储第n+1个采样数据点的车辆行驶参数时，需将最早采样数据点的车辆行驶参数删除。

需要说明的是，车辆行驶参数的采样测量频率可以设定为f，在每隔时间1/f后，采样获得下一个车辆行驶参数。

进一步的，步骤1中拟合生成车辆跟随拟合函数，具体包括：

步骤11，根据预设采样测量频率，采集车辆行驶过程中的车辆行驶参数，并将采样获得的数据记作一个采样数据点；

步骤12，计算相邻两个采样数据点之间的参数距离，当判定参数距离大于或等于距离阈值时，将后一个采样数据点记作单点数据，否则，采用加权算法，将相邻两个采样数据点进行合并，生成复点数据；其中，参数距离的计算公式为：

式中，i为采样点数，i＝2,3,…,n，δ_i为后一个采样数据点a_i(v_i,P_i,SOC_i)与前一个采样数据点a_i-1(v_i-1,P_i-1,SOC_i-1)之间的参数距离，v_i为第i个采样数据点的行驶速度，P_i为采样数据点的控制信号，SOC_i为第i个采样数据点的荷电状态，v_max为车辆最大行驶速度，v_i-1、P_i-1、SOC_i-1分别为第i-1个采样数据点a_i-1(v_i-1,P_i-1,SOC_i-1)的行驶速度、控制信号、荷电状态。

具体的，为了减小拟合过程中的运算量，并避免某一区间内的采样数据点过于密集，影响曲线拟合的拟合精度，本实施例在拟合之前对拟合数据库中的车辆行驶参数进行采样数据点合并，将合并后的采样数据点记作复点数据，将未合并的采样数据点记作单点数据。

在拟合过程中，引入参数距离计算公式，按照采样数据点的先后顺序，计算相邻两个采样数据点之间的参数距离。若合并，则计算下一个采样数据点与合并后复点数据之间的参数距离。

本实施例中，设定距离阈值为0.01，对于第i个采样数据点a_i(v_i,P_i,SOC_i)而言，当参数距离δ≥0.01时，则将第i个采样数据点a_i(v_i,P_i,SOC_i)作为独立的单点数据，不进行合并。

当参数距离δ<0.01时，则根据加权算法，将第i个采样数据点与第i-1个采集数据点进行合并，生成复点数据。

优选的，设定复点数据的计算公式为：

即：

式中，a′_i为加权生成的复点数据，为a′_i(v′_i,P′_i,SOC′_i)，n为采样点总数，a_i为后一个采样数据点，a_i-1为前一个采样数据点，i为采样点数，i＝2,3,…,n。

步骤13，根据单点数据和复点数据，采用曲线拟合的方式，拟合生成车辆跟随拟合函数。

需要说明的是，本实施例对数据拟合的方式并不限定，可以采用Matlab软件中的拟合运算功能，也可以采用origin软件的拟合运算功能。

本实施例中，设定车辆跟随拟合函数的计算公式为：

f_a(v,P,SOC)＝(k₀+k₁v+k₂v²+…+k_nvⁿ)

+(m₀+m₁P+m₂P²+…+m_nPⁿ)

+(l₀+l₁SOC+l₂SOC²+…+l_nSOCⁿ)

式中，k₀～k_n,m₀～m_n,l₀～l_n为拟合参数。

为了保证拟合生成车辆跟随拟合函数的准确性，还可以通过计算用于评价拟合效果的参数拟合系数R，对拟合出的车辆跟随拟合函数进行判断，当判定拟合系数R≥0.95时，则认为拟合结果f_a(v,P,SOC)合格，可用于计算后车的行驶过程中的控制信号；当判定拟合系数R＜0.95时，则继续采集数据并更新拟合数据库，重新拟合，直到拟合系数R≥0.95。

本实施例中，当得到拟合出的车辆跟随拟合函数后，根据该拟合函数对当前数据库中的采样数据点进行验证，计算采样数据点与拟合函数在该位置处的加速度差值的绝对值，当判定该绝对值大于设定的阈值0.5m/s²时，即：

|a_i(v_i,P_i,SOC_i)-f_a(v_i,P_i,SOC_i)|>0.5m/s²

表明该采样数据点与拟合函数之间的偏差较大，需删除这个采样数据点(可以为单点数据或者复点数据)。之后，可以根据删除该采样数据点后的拟合数据库重新进行函数拟合，直至所有拟合数据库中的点均满足上述限定条件；也可以将下一采样时刻后采集到的采样数据点补充至拟合数据库，再根据补充后的拟合数据库，重新拟合车辆跟随拟合函数。

进一步的，步骤2中，计算后车的行驶过程中的控制信号，具体包括：

步骤21，根据前车当前的车辆行驶参数，利用前车的车辆跟随拟合函数，计算前车加速度；

步骤22，根据前车加速度和目标加速度变化量的差值，计算后车加速度；

步骤23，根据后车加速度、后车当前的行驶速度以及荷电状态，利用后车的车辆跟随拟合函数，计算后车的控制信号。

本实施例中，将后车的跟随控制分为两个阶段：启动阶段以及正常行驶阶段。

1)当判定前车启动时，目标加速度变化量的取值为0，目标加速度变化量为前车加速度与后车加速度的差值，前车加速度由前车控制信号、前车荷电状态，根据前车车辆跟随拟合函数确定，步骤2中，计算后车的行驶过程中的控制信号，具体包括：

根据后车荷电状态以及后车车辆跟随拟合函数，计算前车加速度与后车加速度相等时，后车的控制信号。

具体的，在后车安装距离传感器，可以测量后车与前车的车间距离d，若在跟随过程中设定两车的距离差为d₀，则可令Δd＝d-d₀，将Δd记作距离差。同时，在两车上分别安装速度传感器，可以测量并计算前车与后车的行驶速度差Δv＝v₁-v₂，其中，v₁为前车行驶速度，v₂为后车行驶速度。若行驶速度差Δv>0，则表示前行驶速度大于后车，反之则相反。

在前车刚开始行驶时，前后两车均处于静止状态，v₁＝v₂＝0，根据前车测得的前车控制信号P₁、前车荷电状态SOC₁，可以由前车的车辆跟随拟合函数f_a1(v₁,P₁,SOC₁)计算此时的前车加速度：

a₁＝f_a1(0,P₁,SOC₁)

为了使得后车跟随前车，需设定后车加速度与前车加速度相等，即a₁＝a₂，再由后车测得的后车荷电状态SOC₂，根据后车的车辆跟随拟合函数f_a2(0,P₂,SOC₂)，计算后车的后车控制信号P₂的值，并以该后车控制信号P₂来控制后车行驶，以完成后车的跟随控制。

2)当判定前车和后车均属于行驶状态时，根据车间距离d以及行驶速度差，计算目标加速度变化量，目标加速度变化量的计算公式为：

Δd＝d-d₀

Δv＝v₁-v₂

式中，Δa为目标加速度变化量；t₁为第一时间参数，表示以当前加速度差Δa行驶，变化Δv需要的时间；t₂为第二时间参数，表示以当前加速度差Δa和速度差Δv行驶，变化Δd需要的时间，其中，t₁和t₂取值越小，Δv和Δd变化越急促，会降低稳定性；t₁和t₂取值较大，Δv和Δd的变化更加稳定，Δv为行驶速度差，Δd为距离差，d为车间距离，d₀为目标距离，v₁为前车行驶速度，v₂为后车行驶速度。

需要说明的是，第一时间参数t₁与第二时间参数t₂均为设定值，通过调整第一时间参数t₁与第二时间参数t₂的取值，使得目标加速度变化量Δa稳定在0附近。

具体的，当前车启动进入正常行驶阶段时，可以获得前车的前车行驶速度v₁、前车控制信号P₁、前车荷电状态SOC₁以及后车的后车行驶速度v₂、后车荷电状态SOC₂、后车与前车的车间距离d。

可以根据前车的车辆跟随拟合函数f_a1(v₁,P₁,SOC₁)计算此时的加速度a₁＝f_a1(0,P₁,SOC₁)，并根据车间距离d以及行驶速度差，计算目标加速度变化量Δa，由于后车加速度a₂＝a₁-Δa，结合此时刻的后车行驶速度v₂、后车荷电状态SOC₂，根据后车的车辆跟随拟合函数f_a2(v₂,P₂,SOC₂)，可计算得到后车的控制信号P₂，完成后车的跟随控制。

以上结合附图详细说明了本申请的技术方案，本申请提出了一种基于前馈控制的跟随式自动驾驶汽车跟随控制方法，

该跟随控制方法适用于电动汽车的跟随控制，跟随控制方法包括：步骤1，根据车辆行驶参数，拟合生成车辆跟随拟合函数，其中，车辆行驶参数至少包括行驶速度、控制信号以及荷电状态；步骤2，基于前车当前行驶状态下的车辆行驶参数以及目标加速度变化量，根据车辆跟随拟合函数，计算后车的行驶过程中的控制信号。通过本申请中的技术方案，解决了跟随式自动驾驶车辆后车跟随行驶过程中由于两车功率、车辆状况不同、存在延迟等原因导致跟随效果不佳及不稳定的问题。

本申请中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。

本申请装置中的单元可根据实际需求进行合并、划分和删减。

尽管参考附图详地公开了本申请，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本申请的应用。本申请的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本申请保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (7)

1.一种基于前馈控制的跟随式自动驾驶汽车跟随控制方法，其特征在于，所述跟随控制方法适用于电动汽车的跟随控制，所述跟随控制方法包括：

步骤1，根据车辆行驶参数，拟合生成车辆跟随拟合函数，其中，所述车辆行驶参数至少包括行驶速度、控制信号以及荷电状态；

步骤2，基于前车当前行驶状态下的车辆行驶参数以及目标加速度变化量，根据所述车辆跟随拟合函数，计算后车的行驶过程中的控制信号。

2.如权利要求1所述的基于前馈控制的跟随式自动驾驶汽车跟随控制方法，其特征在于，所述步骤1中拟合生成车辆跟随拟合函数，具体包括：

步骤11，根据预设采样测量频率，采集车辆行驶过程中的所述车辆行驶参数，并将采样获得的数据记作一个采样数据点；

步骤12，计算相邻两个采样数据点之间的参数距离，当判定所述参数距离大于或等于距离阈值时，将后一个采样数据点记作单点数据，否则，采用加权算法，将所述相邻两个采样数据点进行合并，生成复点数据；

步骤13，根据所述单点数据和所述复点数据，采用曲线拟合的方式，拟合生成所述车辆跟随拟合函数。

3.如权利要求2所述的基于前馈控制的跟随式自动驾驶汽车跟随控制方法，其特征在于，所述步骤12中，所述参数距离的计算公式为：

式中，i为采样点数，i＝2，3，...，n，δ_i为后一个采样数据点a_i(v_i，P_i，SOC_i)与前一个采样数据点a_i-1(v_i-1，P_i-1，SOC_i-1)之间的参数距离，v_i为第i个采样数据点的行驶速度，P_i为采样数据点的控制信号，SOC_i为第i个采样数据点的荷电状态，v_max为车辆最大行驶速度。

4.如权利要求2所述的基于前馈控制的跟随式自动驾驶汽车跟随控制方法，其特征在于，所述步骤12中，所述复点数据的计算公式为：

式中，a′_i为加权生成的复点数据，n为采样点总数，a_i为后一个采样数据点，a_i-1为前一个采样数据点，i为采样点数，i＝2，3，...，n。

5.如权利要求1所述的基于前馈控制的跟随式自动驾驶汽车跟随控制方法，其特征在于，所述跟随控制方法还包括：

当判定前车启动时，所述目标加速度变化量的取值为0，其中，所述目标加速度变化量为前车加速度与后车加速度的差值，

所述前车加速度由前车控制信号、前车荷电状态，根据前车车辆跟随拟合函数确定，

所述步骤2中，计算后车的行驶过程中的控制信号，具体包括：

根据后车荷电状态以及后车车辆跟随拟合函数，计算所述前车加速度与所述后车加速度相等时，所述后车的控制信号。

6.如权利要求1所述的基于前馈控制的跟随式自动驾驶汽车跟随控制方法，其特征在于，所述跟随控制方法还包括：

当判定前车和后车均属于行驶状态时，根据车间距离d以及行驶速度差，计算所述目标加速度变化量，所述目标加速度变化量的计算公式为：

Δd＝d-d₀

Δv＝v₁-v₂

式中，Δa为所述目标加速度变化量，t₁为第一时间参数，t₂为第二时间参数，Δv为行驶速度差，Δd为距离差，d为所述车间距离，d₀为目标距离，v₁为前车行驶速度，v₂为后车行驶速度。

7.如权利要求6所述的基于前馈控制的跟随式自动驾驶汽车跟随控制方法，其特征在于，所述步骤2中，计算后车的行驶过程中的控制信号，具体包括：

步骤21，根据所述前车当前的车辆行驶参数，利用前车的车辆跟随拟合函数，计算前车加速度；

步骤22，根据所述前车加速度和所述目标加速度变化量的差值，计算后车加速度；

步骤23，根据所述后车加速度、所述后车当前的行驶速度以及荷电状态，利用后车的车辆跟随拟合函数，计算所述后车的控制信号。

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