一种基于滑模控制的车辆纵向跟随分层式控制系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于滑模控制的车辆纵向跟随分层式控制系统及方法，基于滑模控制的车辆纵向跟随控制方法包括：建立车辆编队跟随的数学模型，采用前车跟随式信息流拓扑结构和固定车头时距跟车策略；建立车辆纵向动力学模型、发动机模型以及制动执行器模型；设计上下位控制器，上层控制负责实现车辆纵向间距误差的快速稳定收敛和期望加速度的计算；下层控制基于车辆纵向动力学模型，通过节气门开度和轮端制动压力的控制调整车辆的纵向运动状态，实现对期望加速度的稳定跟踪。本发明专利技术能有效保证车辆编队的稳定性，通过趋近律参数优化，削弱系统抖振并加快误差收敛，在保证良好控制效果的基础上减少了计算复杂度。的基础上减少了计算复杂度。的基础上减少了计算复杂度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于滑模控制的车辆纵向跟随分层式控制系统及方法


[0001]本专利技术涉及移动平台的智能控制
，可面向智能车辆、智能船舶、无人机等移动平台的跟随控制，尤其涉及一种基于滑模控制的车辆纵向跟随分层式控制技术。

技术介绍

[0002]近年来，随着我国经济的持续发展与科技的快速进步，汽车技术与产业变革日新月异，汽车整车及零部件企业纷纷向智能网联车辆
加大研发投入，具备智能辅助驾驶功能的子系统逐渐成为汽车新产品的选配与竞争优势。作为智能车辆必备的高级驾驶辅助系统的代表性功能产品，自适应巡航控制子系统使得车辆能够自主跟随前车，并合理执行加减速操作。针对这一功能需求，技术上亟需更快速、更稳定的智能车辆纵向跟随控制系统及方法。
[0003]自适应巡航控制的基本原理要求车辆根据控制算法对驱动系统、制动系统进行自动控制，使车辆实现跟车行驶或定速巡航等功能。比例积分微分控制容易导致系统出现超调、振荡问题，需要反复调节控制参数。模型预测控制虽然具有良好的鲁棒性和计算精度，但其计算复杂度较大，待进一步优化其计算消耗和实际性能需求间的关系。对于工程应用而言，如何选择合适的纵向跟随控制方法以及实现车辆纵向间距误差的快速稳定收敛，进一步提升其控制性能仍是亟待解决的问题。
[0004]当车辆前方出现拥堵或紧急情况时，跟随车辆需在短时间内对前车的减速行为做出响应，以防止追尾事故的发生，因此需要智能车辆对期望加速度具有快速准确的执行能力，同时，车辆控制的实时性也间接要求控制器设计不能太复杂。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种实现车辆编队的稳定性和车辆纵向间距误差的快速稳定收敛，提高多车编队行驶安全性的基于滑模控制的车辆纵向跟随分层式控制系统及方法。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]本专利技术首先提供一种基于滑模控制的车辆纵向跟随分层式控制方法，包括：
[0008]建立车辆编队跟随的数学模型，采用前车跟随式信息流拓扑结构和固定车头时距跟车策略，通过计算获得优化控制的目标，实际纵向车间距离d
i
(t)与期望纵向车间距离d
id
(t)之差e
i
(t)＝(x
i
‑1(t)
‑
x
i
(t)
‑
L)
‑
(s
i
+hv
i
(t))
→
0，其中，x
i
(t),v
i
(t)分别表示t时刻第i辆车的位置、速度；L表示车长；s
i
表示车辆间静止距离；h表示车头时距；
[0009]建立车辆纵向动力学模型、发动机模型以及制动执行器模型；
[0010]设计上下位控制器，上层控制负责实现车辆纵向间距误差的快速稳定收敛和期望加速度的计算；下层控制基于车辆纵向动力学模型，通过节气门开度和轮端制动压力的控制调整车辆的纵向运动状态，实现对期望加速度的稳定跟踪。
[0011]纵向车辆编队的状态空间方程表示为：
[0012][0013]其中，x
i
,v
i
,a
i
分别表示第i辆车的位置、速度、加速度，通过状态感知模块实时获取；h表示车头时距；e
i
表示第i辆车与前车实际车距与期望车距之差；τ
i
表示第i辆车内部执行器时间常数；u
i
表示第i辆车的期望控制输入，即期望加速度；v
i
‑1表示第i
‑
1辆车的速度，通过编队通信模块实时获取。
[0014]建立车辆纵向动力学模型，为车辆纵向速度控制提供基础，纵向运动状态方程可表示为：
[0015]其中，M表示车辆总质量；J
wf
,J
wr
分别表示前、后车轮转动惯量；r
eff
表示驱动轮等效半径；T
t
表示轮胎驱动力矩之和；T
b
表示轮胎制动力矩之和；F
aero
表示空气阻力，C
a
表示空气阻力系数；F
rr
表示滚动阻力，F
rr
＝μMg，μ表示滚动阻力系数，g表示重力单位。达到期望加速度所需的轮端力矩可表示为：其中，ω
w
表示车轮转速。
[0016]简化的发动机模型表示为：ω
e
表示发动机转速；α
thr
表示节气门开度；τ
e
表示发动机执行器时间常数。
[0017]简化的制动执行器模型表示为：τ
b
表示制动执行器时间常数；P
b
表示轮胎制动压力；k
b
表示比例参数。
[0018]采用多重滑模控制方法，设计第一滑模面为PID滑模面其中，c1,c2均为正常数，t表示积分变量。定义相对误差和新相对误差使用Δv代替进行反馈控制。选用指数趋近律均为正常数，求得期望加速度u
i
为：
[0019][0020]其中，a
i
‑1通过编队通信模块实时获取，设计李雅普诺夫函数为选择趋近律参数，使得且|S1|＜Φ1，Φ1表示跟踪精度参数。
[0021]在纵向编队模型基础上，实现车辆编队的纵向稳定性控制：
[0022][0023]其中，K表示系数向量，K＝(k
p k
i k
d
)＝(k1c1+c2k1c2k1+c1)，k
p
,k
i
,k
d
分别表示比例、积分、微分项前系数。进一步得到系统传递函数为：其中，H(s)＝hs+1，H(s)＝hs+1，D(s)＝e
‑
σ
s
表示通信时滞，σ表示时滞参数。忽略通信延迟影响时，传递函数特征多项式为：根据Routh
‑
Hurwitz稳定性判据，已知h＞0，τ
i
＞0，当k
p
,k
i
,k
d
取值满足特征多项式的特征根均位于复平面左半部条件时，满足局部渐进稳定性要求。对特征多项式进行傅里叶变换，若始终满足传递函数的H
∞
范数(即传递函数增益大小的度量指标)||Γ
i
(jω)||
∞
＜1，则车辆编队满足弦稳定性。
[0024]下层控制负责根据期望加速度计算出期望控制参数，分别求得节气门开度和轮端制动压力，实现对期望加速度的稳定跟踪。
[0025]基于车辆纵向动力学模型，当u
i
＞0时，设计第二滑模面为车轮转速误差＞0时，设计第二滑模面为车轮转速误差表示期望车轮转速，由积分得到，系统满足指数趋近律ε
21
,k
21
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于滑模控制的车辆纵向跟随分层式控制方法，其特征在于，包括：建立纵向车辆编队跟随的数学模型，采用前车跟随式信息流拓扑结构和固定车头时距跟车策略，通过计算获得优化控制的目标，实际纵向车间距离d
i
(t)与期望纵向车间距离d
id
(t)之差e
i
(t)＝(x
i
‑1(t)
‑
x
i
(t)
‑
L)
‑
(s
i
+hv
i
(t))
→
0，其中，x
i
(t),v
i
(t)分别表示t时刻第i辆车的位置、速度；L表示车长；s
i
表示车辆间静止距离；h表示车头时距；建立车辆纵向动力学模型、发动机模型以及制动执行器模型；基于车辆间纵向间距误差，根据多重滑模控制方法设计跟随车上下位控制器，上层控制负责实现车辆纵向间距误差的快速稳定收敛和期望加速度的计算；下层控制基于车辆纵向动力学模型，通过节气门开度和轮端制动压力的控制调整车辆的纵向运动状态，实现对期望加速度的稳定跟踪。2.如权利要求1所述的基于滑模控制的车辆纵向跟随分层式控制方法，其特征在于：纵向车辆编队的状态空间方程表示为：其中，x
i
,v
i
,a
i
分别表示第i辆车的位置、速度、加速度，通过状态感知模块实时获取；h表示车头时距；e
i
表示第i辆车与前车实际车距与期望车距之差；τ
i
表示第i辆车内部执行器时间常数；u
i
表示第i辆车的期望控制输入，即期望加速度；v
i
‑1表示第i
‑
1辆车的速度，通过编队通信模块实时获取。3.如权利要求2所述的基于滑模控制的车辆纵向跟随分层式控制方法，其特征在于：车辆纵向动力学模型的纵向动力学方程表示为：其中，M表示车辆总质量；J
wf
,J
wr
分别表示前、后车轮转动惯量；r
eff
表示驱动轮等效半径；T
t
表示轮胎驱动力矩之和；T
b
表示轮胎制动力矩之和；F
aero
表示空气阻力，C
a
表示空气阻力系数；F
rr
表示滚动阻力，F
rr
＝μMg，μ表示滚动阻力系数，g表示重力单位；达到期望加速度所需的轮端力矩表示为：其中，ω
w
表示车轮转速；发动机模型表示为：其中，ω
e
表示发动机转速；α
thr
表示节气门开度；T
e
表示发动机扭矩；τ
e
表示发动机执行器时间常数；制动执行器模型表示为：
其中，τ
b
表示制动执行器时间常数；P
b
表示轮胎制动压力；k
b
表示比例参数；上层控制中，包括：设计第一滑模面为PID滑模面S1：其中，c1,c2均为正常数；e
i
表示实际车距与期望车距之差；t表示积分变量；定义相对误差和新相对误差使用Δv代替进行反馈控制，设计系统满足指数趋近律，求得期望加速度u
i
为：式中，ε1,k1均为正常数，τ
i
表示第i辆车内部执行器时间常数，a
i
表示第i辆车加速度；设计李雅普诺夫函数为选择趋近律参数，使得且|S1|＜Φ1，Φ1表示跟踪精度参数。4.如权利要求3所述的基于滑模控制的车辆纵向跟随分层式控制方法，其特征在于：在纵向编队模型基础上，实现车辆编队的纵向稳定性控制：其中，K表示系数向量，K...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宁，吴志豪，张浩彬，李普，殷国栋，王金湘，徐利伟，耿可可，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：