一种面向车辆队列系统的自适应路径跟随控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种面向车辆队列系统的自适应路径跟随控制方法。通过优化目标路径的更新规则和估计相邻车辆的加速度，提高了车辆队列车之间的信息传递速度，提高了车辆队列的轨迹跟随收敛速度，增强了车辆在不同环境下的适应性，首先，创建分布式车辆模型并设计改进的参数化目标路径；二是制定车辆队列控制目标，控制目标包括几何目标和动态目标，几何目标允许车辆在目标轨迹上行驶，动态目标允许车辆达到所需速度；第三，采用滑模控制和自适应方法设计了分布式车辆队列控制的路径跟踪控制器。计了分布式车辆队列控制的路径跟踪控制器。计了分布式车辆队列控制的路径跟踪控制器。

【技术实现步骤摘要】
一种面向车辆队列系统的自适应路径跟随控制方法


[0001]本专利技术涉及车辆队列控制领域，具体涉及一种面向车辆队列系统的自适应路径跟随控制方法。

技术介绍

[0002]车辆队列是实现车辆协同配合的一种控制方法。这种控制方式具有模块化、易于扩展和灵活的优点，在降低系统成本和管理难度的同时，可以有效提高运输效率，保证交通安全。
[0003]尽管研究人员在车辆队列系统研究领域取得了许多重要成果，但仍存在一些亟待解决的问题，如车辆队列系统分布式应用较少、扩展性减弱、通信开销增加等；这些问题导致车辆队列的跟踪误差增大，误差收敛速度降低。
[0004]为了提高车辆队列系统的可扩展性，提高车辆队列在不同环境下的适应性，让车辆队列以期望的速度直线行驶，本专利提出了一种面对车辆队列系统的自适应路径跟随控制方法。该方法可以优化车辆队列之间的信息传递，提高车辆队列的误差收敛速度，提高车辆在复杂路况下的适应性，保证整个控制系统的稳定性。首先，建立分布式车辆车队的非线性模型，得到目标路径的参数化形式。其次，制定了车辆排的几何和动态目标，并分析了目标之间的关系。第三，为了实现既定的控制目标，在考虑车辆行驶过程中的未知干扰的情况下，采用滑模控制方法和自适应控制方法设计了一种基于分布式车辆队列控制的路径跟随控制。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种面向车辆队列系统的自适应路径跟随控制方法，通过优化目标路径的更新规则和估计相邻车辆的加速度，提高了车辆队列车之间的信息传递速度，提高了车辆队列的轨迹跟随收敛速度，增强了车辆在不同环境下的适应性。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种面向车辆队列系统的自适应路径跟随控制方法，基于参数化路径跟随车辆的轨迹加速车辆的误差收敛；基于有限时间滑模控制方法设计自适应控制器，将车辆位置误差和速度误差收敛在有限时间内；基于自适应算法估计相邻车辆的加速度，以减少车对车通信开销和传感器成本；所述方法具体包括如下步骤：
[0007]步骤一、获取车辆队列的目标路径、车辆队列的车辆间距离、期望速度；
[0008]步骤二、对车辆进行建模，模型是对输入变量和输出变量之间定量关系的描述；其中输入变量是车辆的加速度，输出变量是车辆的位置；基于二阶积分器，创建具有扰动项的车辆模型；
[0009]步骤三、根据步骤二的车辆模型，设计车辆引导速度，定义形成误差函数；基于误差反馈，设计每辆车的引导速度；
[0010]步骤四、根据步骤一的期望速度，步骤三的车辆引导速度，设计目标路径更新律；
为加快车辆线路轨迹跟踪误差的收敛速度，提高控制器的控制精度，提高车辆在不同环境下的适应性，对路径进行参数化；
[0011]步骤五、根据步骤三的车辆引导速度与车辆实际速度的误差，车辆与目标路径的位置误差，设计滑模面；
[0012]步骤六、修改滑模逼近律，使滑模面上的状态收敛到期望值；
[0013]步骤七、根据步骤五的滑模面、步骤六的滑模趋近律，设计车辆的输入；
[0014]步骤八、根据自适应算法，估计车辆入口处相邻车辆的加速度。
[0015]在本专利技术一实施例中，步骤一具体实现方法为：
[0016]获取车辆队列的目标路径、队列车辆间距离、期望速度；给定车辆目标轨迹为
[0017][0018]其中，和为参数化后的路径在坐标系下随路径变量变化的位置坐标，为路径上的车辆队列位置切线与的夹角，的偏导数，为的偏导数，给定车辆队列的车辆间距离为D
i
＝[k
x
,k
y
,k
z
]，其中k
x
,k
y
,k
z
为正的常数。
[0019]在本专利技术一实施例中，步骤二具体实现方法为：
[0020]基于双积分模型，车辆被视为刚体，不考虑车辆的宽度，车辆忽略自身前后负载的转移，仅考虑车辆的平面内运动，忽略车辆的垂直运动，并将未知扰动应用于车辆的输入，得到车辆的模型：
[0021][0022]其中，i表示车辆的编号，为全局坐标系车辆队列运动位置与偏航角，[x
i
,y
i
]为第i车辆自身坐标系位置坐标，ψ
i
为与第i车辆坐标系的夹角，v
i
为第i车辆在下的速度，由于车辆在行驶过程中会受到外界环境的干扰作用，定义为第i车辆受到的干扰项，δ
x
和δ
y
分别为车辆在下的扰动分量，δ
ψ
为车辆在转向中受到的扰动，干扰项的绝对值有上界R(ψ
i
)为第i车辆的旋转矩阵，旋转矩阵可以将下的坐标转化为全局坐标系下的坐标，V
i
为第i车辆在下的速度，u
i
为第i车辆的控制输入。
[0023]在本专利技术一实施例中，步骤三具体实现方法为：
[0024]第i车辆的引导速度被设计为
[0025][0026]其中，是非零有界变量，N为车辆数，v
ds
为车辆的期望速度，a
ij
＝1代表第i车辆可以获取第j车辆的信息，否则，a
ij
＝0；a
i0
＝1表示第i车辆可以获取到虚拟领航车辆的信息，否则，a
i0
＝0，第j车辆的速度为v
j
，车辆编队误差为e
p,i
，第j车辆的旋转矩阵设为R
j
；
[0027]车辆队列误差反馈增益κ
p,i
为
[0028][0029]其中，U＞0是正的常数增益，U的大小与车辆队列汇合过程中的速度有关，σ可以使κ
p,i
分母不为0，U和σ与车辆进行队列汇合时的状态有关。
[0030]在本专利技术一实施例中，步骤四具体实现方法为：
[0031]目标路径更新律定义为
[0032][0033]第i车辆的目标路径更新律被设计为
[0034][0035]其中，第i车辆的旋转矩阵设为R
i
，第i辆车的速度为v
i
，第i车辆的引导速度为v
g,i
。
[0036]在本专利技术一实施例中，步骤五具体实现方法为：
[0037]l
i
和l
g
之间的位置误差为e
l,i
＝l
g
‑
l
i
，设计e
l,i
的滑模面为
[0038][0039][0040][0041]其中，c为正的常数增益，l
g
为车辆以车辆引导速度信号行驶而生成的轨迹，与邻接车辆的加速度有关，目的是可以减少车辆之间的通信负担。
[0042]在本专利技术一实施例中，步骤六具体实现方法为：
[0043]设计滑模趋近律，合适的滑模趋近律可以使车辆编队误差e
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向车辆队列系统的自适应路径跟随控制方法，其特征在于，基于参数化路径跟随车辆的轨迹加速车辆的误差收敛；基于有限时间滑模控制方法设计自适应控制器，将车辆位置误差和速度误差收敛在有限时间内；基于自适应算法估计相邻车辆的加速度，以减少车对车通信开销和传感器成本；所述方法具体包括如下步骤：步骤一、获取车辆队列的目标路径、车辆队列的车辆间距离、期望速度；步骤二、对车辆进行建模，模型是对输入变量和输出变量之间定量关系的描述；其中输入变量是车辆的加速度，输出变量是车辆的位置；基于二阶积分器，创建具有扰动项的车辆模型；步骤三、根据步骤二的车辆模型，设计车辆引导速度，定义形成误差函数；基于误差反馈，设计每辆车的引导速度；步骤四、根据步骤一的期望速度，步骤三的车辆引导速度，设计目标路径更新律；为加快车辆线路轨迹跟踪误差的收敛速度，提高控制器的控制精度，提高车辆在不同环境下的适应性，对路径进行参数化；步骤五、根据步骤三的车辆引导速度与车辆实际速度的误差，车辆与目标路径的位置误差，设计滑模面；步骤六、修改滑模逼近律，使滑模面上的状态收敛到期望值；步骤七、根据步骤五的滑模面、步骤六的滑模趋近律，设计车辆的输入；步骤八、根据自适应算法，估计车辆入口处相邻车辆的加速度。2.根据权利要求1所述的一种面向车辆队列系统的自适应路径跟随控制方法，其特征在于，步骤一具体实现方法为：获取车辆队列的目标路径、队列车辆间距离、期望速度；给定车辆目标轨迹为其中，和为参数化后的路径在坐标系下随路径变量变化的位置坐标，为路径上的车辆队列位置切线与的夹角，为的偏导数，为的偏导数，给定车辆队列的车辆间距离为D
i
＝[k
x
,k
y
,k
z
]，其中k
x
,k
y
,k
z
为正的常数。3.根据权利要求2所述的一种面向车辆队列系统的自适应路径跟随控制方法，其特征在于，步骤二具体实现方法为：基于双积分模型，车辆被视为刚体，不考虑车辆的宽度，车辆忽略自身前后负载的转移，仅考虑车辆的平面内运动，忽略车辆的垂直运动，并将未知扰动应用于车辆的输入，得到车辆的模型：其中，i表示车辆的编号，为全局坐标系车辆队列运动位置与偏航
角，[x
i
,y
i
]为第i车辆自身坐标系位置坐标，ψ
i
为与第i车辆坐标系的夹角，v
i
为第i车辆在下的速度，由于车辆在行驶过程中会受到外界环境的干扰作用，定义为第i车辆受到的干扰项，δ
x
和δ
y
分别为车辆在下的扰动分量，δ
ψ
为车辆在转向中受到的扰动，干扰项的绝对值有上界R(ψ
i
)为第i车辆的旋转矩阵，旋转矩阵可以将下的坐标转化为全局坐标系下的坐标，V
i
为第...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄捷，程俊哲，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：