基于模型参考的车辆跟驰系统自适应控制方法

摘要

本发明属于车辆跟驰控制技术领域，具体涉及到车辆跟驰系统参考模型的建立，基于车距和速度的跟驰状态的划分，以及各具体跟驰状态下后车行为的自适应优化问题。包括如下实施步骤：1、建立车辆跟驰系统模型；2、建立车辆跟驰控制的参考模型；3、动态安全车距的实时计算；4、根据当前具体的车辆跟驰状态，选择相应的后车行为调整数学模型，实时计算车辆跟驰系统的控制律；5、控制律实施，实现后车行为调整；6、后车行为调整过程中实时检测跟驰系统所属的跟驰状态，转步骤4，循环执行。后车在追踪前车运行过程中，根据当前跟驰状态和车辆性能、行为与车距信息，实时计算调整自身行为的控制律，进而实现安全、高效和平稳（舒适）地跟驰运行。

主权项

一种基于模型参考的车辆跟驰系统自适应控制方法，其特征在于：包括如下实施步骤：步骤1：建立车辆跟驰系统模型；该车辆跟驰系统的数学模型，见式(1)所示：$\left\{\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{\stackrel{·}{v}}_p\\ {\stackrel{·}{s}}_p\\ {\stackrel{·}{v}}_f\\ {\stackrel{·}{s}}_f\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_p\\ s_p\\ v_f\\ s_f\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\\ 0& 1\\ 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_p\\ a_f\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{c}{a}_p\\ a_f\\ \Delta v\\ \Delta d\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ -1& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_p\\ s_p\\ v_f\\ s_f\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_p\\ a_f\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 0& 0\\ 0& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ d_{safe}\end{array}\right]\end{array}\right.;---\left(1\right)$其中：a_p和a_f分别为前、后车的加速度，v_p和v_f分别为前、后车的速度，s_p和s_f分别为前、后车的位置，Δv＝v_f‑v_p，Δd＝d_actual‑d_safe；d_actual为前、后车之间的实际跟驰车距，d_safe为前、后车之间的安全车距,步骤2：建立车辆跟驰控制的参考模型；该参考模型的数学描述为$\{\left[\begin{array}{c}{v}_p\\ s_p\\ d_{safe}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_p\\ s_p\\ v_f\\ s_f\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ F\left(\right(v_f,a_f),(v_p,a_p))\end{array}\right],---\left(3\right)$安全车距d_safe依赖并随着前、后车速度和加速度的变化而变化，可以用式(2)来描述，d_safe＝F((v_f,a_f),(v_p,a_p))                (2)F(*)表示非线性函数，(v_f,a_f)和(v_p,a_p,)分别表示前、后车的实时行为；步骤3：动态安全车距的实时计算；按下式实时计算安全车距$\begin{array}{c}{d}_{safe}=F\left(\right(v_f,a_f),(v_p,a_{pe}))\\ =F_f(v_f,a_f)-F_p(v_p,a_{pe})+d_m\end{array}---\left(4\right)$其中，F_p(v_p,a_pe)和F_f(v_f,a_f)分别为前、后车制动停车距离的计算函数，a_pe为前车紧急制动加速度，a_pe≤0，a_f≤0，d_m为安全裕量；若F_p(v_p,a_pe)≠0,d_safe为相对安全车距；若F_p(v_p,a_pe)＝0,d_safe则为绝对安全车距；定义d_absolute＝F_f(v_f,a_f)+d_m,                                        (5)为绝对安全车距的计算公式，则相对安全车距的计算公式可以表示为d_relative＝d_absolute‑F_p(v_p,a_pe)                                    (6)步骤4：根据当前具体的车辆跟驰状态，选择相应的后车行为调整数学模型，实时计算车辆跟驰系统的控制律；将根据初始时刻前、后车的速度和车距，将跟驰状态划分为若干子状态，分别给出相应的控制律计算方法，将安全、高效跟驰稳态定义为实际车距处在d_actual0∈[d_safe0,(1+δ)d_safe0]邻域内且v_f0＝v_p0和a_p0＝a_f0＝0，其中，δ为大于0且小于100％的微小百分率，d_actual0为d_actual在初始时刻的值，d_safe0为d_safe在初始时刻的值，在初始时刻，d_actual＝d_actual0，d_actual0、d_safe0的值均为已知，v_p0和v_f0分别为前、后车的初始速度，即v_p、v_f在初始时刻的值，a_p0为a_p前车的加速度的初始时刻的值，a_f0为a_f后车的加速度的初始时刻的值；1)当(1+δ)d_safe0≤d_actual0≤d_sup时i)若v_f0>v_p0，计算后车行为调整规律的数学模型为$\left\{\begin{array}{c}{v}_f\left(t\right)=-(\frac{v_{f0}-v_{p0}}{2}+\eta )*\tanh (k*(t-\tau \left)\right)+\frac{v_{f0}+v_{p0}}{2}\\ a_f\left(t\right)=\frac{-(\frac{v_{f0}-v_{p0}}{2}+\eta )*k}{{\cosh }^2(k*(t-\tau \left)\right)}\\ {\mathrm{\Delta d}}_0=d_{actual0}-d_{safe0}={\int }_0^{2\tau }{v}_f\left(t\right)*dt\end{array}\right.---\left(9\right)$其中：d_sup为前、后车之间存在跟驰关系的上界，k为大于0的系数,τ为大于0的时间常数，η则是为了方便后车行为调整的工程计算而设定的微小正数；ii)若v_f0＝v_p0，跟驰控制的数学模型为$\left\{\begin{array}{c}{v}_f\left(t\right)=v_{f0}-\eta +\frac{v_{f-\max }-v_{p0}+\eta }{{\cosh }^2(k*(t-\tau \left)\right)}\\ a_f\left(t\right)=\frac{-2*k*(v_{f-\max }-v_{f0}+\eta )*\tanh (k*(t-\tau \left)\right)}{{\cosh }^2(k*(t-\tau \left)\right)}\\ {\mathrm{\Delta d}}_0=d_{actual0}-d_{safe0}={\int }_0^{2\tau }{v}_f\left(t\right)*dt\end{array}\right.---\left(10\right)$其中：v_f‑max后车行为调整过程中的最大速度,k、τ和η参数含义与式(9)相同；iii)若v_f0<v_p0，相应的跟驰控制数学模型为$\left\{\begin{array}{c}{v}_f\left(t\right)=(\frac{-v_{f0}+v_{p0}}{2}+\eta )*\tanh (k*(t-\tau \left)\right)+\frac{v_{f0}+v_{p0}}{2}\\ a_f\left(t\right)=\frac{(\frac{-v_{f0}+v_{p0}}{2}+\eta )*k}{{\cosh }^2(k*(t-\tau \left)\right)}\\ {\mathrm{\Delta d}}_0=d_{actual0}-d_{safe0}={\int }_0^{2\tau }{v}_f\left(t\right)*dt\end{array}\right.---\left(12\right)$式中k,τ和η参数含义与式(9)相同；2)当d_safe0<d_actual0<(1+δ)d_safe0时i)若v_f0>v_p0，按照式(9)计算车辆跟驰控制律；ii)若v_f0＝v_p0，后车保持当前跟驰状态，直至跟驰系统由于前车的行为变化而进入另一跟驰状态；iii)若v_f0<v_p0，按照式(12)计算车辆跟驰控制律，直至跟驰系统由于前车的行为变化而进入另一跟驰状态；3)当d_actual0≤d_safe0时i)若v_f0>v_p0，后车宜采取紧急制动策略，见式(13)所示；a_f＝a_fe                                             (13)其中：a_fe为后车紧急制动时的加速度，对于给定的车辆，a_fe为已知；ii)若v_f0＝v_p0，跟驰控制的数学模型为$\left\{\begin{array}{c}{v}_f\left(t\right)=v_{f0}+\eta +\frac{v_{f-\min }-v_{f0}-\eta }{{\cosh }^2(k*(t-\tau \left)\right)}\\ a_f\left(t\right)=\frac{-2*k*(v_{f-\min }-v_{f0}-\eta )*\tanh (k*(t-\tau \left)\right)}{{\cosh }^2(k*(t-\tau \left)\right)}\\ {\mathrm{\Delta d}}_0=d_{actual0}-d_{safe0}={\int }_0^{2\tau }{v}_f\left(t\right)*dt\end{array}\right.---\left(14\right)$其中：v_f‑min后车行为调整过程中的最小速度值且满足v_f‑min≥0，k、τ和η参数含义与式(9)相同；iii)若v_f0<v_p0，按照式(12)计算车辆跟驰控制律，直至跟驰系统由于前车的行为变化而进入另一跟驰状态；步骤5：控制律实施，实现后车行为调整；步骤6：后车行为调整过程中实时检测跟驰系统所属的跟驰状态，转步骤4，循环执行。