一种基于自适应采样时间MPC的自动紧急制动方法技术

本发明专利技术公开了一种基于自适应采样时间MPC的自动紧急制动方法，将前车的加速度作为本车MPC控制器的扰动输入，建立本车与前车之间的车间纵向动力学模型；引入多目标控制性能要求与约束条件，建立具有MPC控制器的上层控制器，将车间相对距离与碰撞时间这两个参数作为输入，确立隶属度函数和模糊规则来优化所述MPC控制器；上层控制器根据本车与前车之间的车间状态信息、控制目标及约束条件计算出本车的期望加速度值并传递给下层控制器，下层控制器根据期望加速度采用PID反馈控制与逆发动机模型得到制动压力，并向本车的制动系统发出制动指令进行制动。本发明专利技术使本车能避撞成功，加速度变化率始终位于舒适区间，确保在自动紧急制动过程中的舒适性与有效性。过程中的舒适性与有效性。过程中的舒适性与有效性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自适应采样时间MPC的自动紧急制动方法


[0001]本专利技术涉及一种基于自适应采样时间MPC的自动紧急制动方法。

技术介绍

[0002]自动紧急制动系统(AEB)作为重要的驾驶辅助系统，能够根据传感器检测到的环境风险信号自动执行相应的制动策略以辅助驾驶人制动，可以有效降低碰撞事故的发生，提高车辆行驶安全性。然而，传统自动紧急制动系统控制过程中缺乏对舒适性考虑以及控制精度较差问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种基于自适应采样时间MPC的自动紧急制动方法。
[0004]本专利技术所采用的技术方案有：
[0005]一种基于自适应采样时间MPC的自动紧急制动方法，将前车的加速度作为本车MPC控制器的扰动输入，建立本车与前车之间的车间纵向动力学模型；引入多目标控制性能要求与约束条件，建立具有MPC控制器的上层控制器，将车间相对距离与碰撞时间这两个参数作为输入，确立隶属度函数和模糊规则来优化所述MPC控制器；上层控制器根据本车与前车之间的车间状态信息、控制目标及约束条件计算出本车的期望加速度值并传递给下层控制器，下层控制器根据期望加速度采用PID反馈控制与逆发动机模型得到制动压力，并向本车的制动系统发出制动指令进行制动，所述上层控制器与下层控制器组成AEB系统。
[0006]进一步地，所述上层控制器包括模糊规则模块与MPC控制器，模糊规则模块采取双输入、单输出，即根据双输入的车间相对距离与碰撞时间，实时输出场景紧急系数，并根据所述紧急系数优化MPC控制器的仿真步长。
[0007]进一步地，确立隶属度函数包括：
[0008]引入紧急系数i来衡量本车行驶过程中的紧急程度，紧急系数i为[0，5]的无量纲数，i从0到5代表紧急程度从最低到最高；
[0009]将MPC控制器中车间相对距离的模糊集合以及碰撞时间的模糊集合均设定为{极小，小，中，大，极大}，车间相对距离与碰撞时间的逻辑语言均设定为{NB，NS，ZO，PS，PB}；
[0010]将本车与前车之间的相对距离论域设定为[0，100]m，并要求本车的紧急制动不应在碰撞时间＝3s前开始，因此将碰撞时间的论域设定为[0，3]；
[0011]同样，将紧急系数i模糊化为{极小，小，中，大，极大}，紧急系数i的逻辑语言为{NB，NS，ZO，PS，PB}；
[0012]所述隶属度函数采用三角形隶属度函数。
[0013]进一步地，所述模糊规则采用IF
‑
THEN结构，在车间相对距离与碰撞时间最大时，取最小紧急系数i；在车间相对距离与碰撞时间最小时，取最大紧急系数i；
[0014]若车间相对距离处于极大状态，则无论碰撞时间如何变化，都认为本车与前车两
车处于安全状态，紧急系数i处于NB或NS论域；
[0015]如果车间相对距离处于极小状态，则无论碰撞时间如何变化，都认为两车处于危险状态，紧急系数i处于PB或PS论域。
[0016]进一步地，根据紧急系数优化MPC控制器的仿真步长，具体为：
[0017]MPC的控制性能主要取决于预测模型的精准度和控制参数。一般控制参数包括采样时间T
s
、控制步长N
c
和预测步长N
P
。随着采样时间降低，采样密度增加，MPC控制器的快速响应能力提升，但稳定性有所下降。因此，在场景紧急系数较低时，采用较大的采样时间，减少计算量，提高控制系统稳定性与乘坐舒适性；在场景紧急系数较高时，采用较小的采样时间，提高MPC控制器的响应能力，确保安全性，通过紧急系数来修正MPC的采样时间，使控制器的效率大大提高。
[0018]将MPC控制器的采样时间T
s
定义为：
[0019][0020]式中：round为取整函数；ω为收缩因子；
[0021]将采样时间限制在T
s
∈[0.05s，0.1s]内，通过改变ω可调整采样周期的收敛速度；考虑到本车的行车安全性和舒适性，将ω设置为1，综合采样时间与紧急系数的关系，当T
s
≥0.1s时，认为车辆处于安全状态，MPC控制器不介入上层控制器。
[0022]进一步地，所述车间状态信息包括：前车加速度、本车速度、本车加速度与加速度变化率、本车与前车之间的相对距离。
[0023]进一步地，所述车间纵向动力学模型的表达式为：
[0024][0025]v
h
(k+1)＝v
h
(k)+a
h
(k)T
s
[0026][0027][0028]式中：
[0029]v
h
、a
h
、a
f
分别表示本车的速度、本车的加速度和前车加速度；
[0030]d
r
为本车与前车之间的实际车间距；v
rel
为本车与前车之间的相对速度；
[0031]T
s
为MPC控制器的采样时间；
[0032]τ为描述本车期望加速度u与实际加速度a
h
的传递特性的1阶惯性环节时间常数，一般取τ＝0.53；j为本车的加速度变化率；
[0033]k+1表示当前时刻k的下一时刻。
[0034]进一步地，通过车间纵向动力学模型的离散状态空间方程，并引入多目标控制性能要求与约束条件，建立MPC控制器，具体包括：
[0035]S1)将MPC控制器的状态变量定义为x(k),则
[0036]x(k)＝[d
r
(k),v
h
(r),a
h
(k),j(k)]T
[0037]将前车加速度φ(k)作为离散状态空间方程的扰动量，将d
r
(k)、v
h
(k)作为MPC控制
器的输出，由此可得离散状态空间方程为：
[0038]x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)+Gφ(k)
[0039]式中A、B、G均为MPC控制器的系数矩阵
[0040][0041]S2)考虑本车安全制动与乘坐舒适性的前提，定义本车与前车之间的约束条件为：
[0042]d
r
≥0
[0043]a
h_min
≤a
h
(k)≤a
h_max
[0044]v
h_max
≤v
h
(k)≤v
h_max
[0045]j
min
≤j(k)≤j
max
[0046]u
min
≤a
h
(k)≤u
max
[0047]式中：v
h_min
、v
h_max
分别表示本车的速度的小值与最大值；
[0048]a
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应采样时间MPC的自动紧急制动方法，其特征在于：将前车的加速度作为本车MPC控制器的扰动输入，建立本车与前车之间的车间纵向动力学模型；引入多目标控制性能要求与约束条件，建立具有MPC控制器的上层控制器，将车间相对距离与碰撞时间这两个参数作为输入，确立隶属度函数和模糊规则来优化所述MPC控制器；上层控制器根据本车与前车之间的车间状态信息、控制目标及约束条件计算出本车的期望加速度值并传递给下层控制器，下层控制器根据期望加速度采用PID反馈控制与逆发动机模型得到制动压力，并向本车的制动系统发出制动指令进行制动，所述上层控制器与下层控制器组成AEB系统。2.如权利要求1所述的基于自适应采样时间MPC的自动紧急制动方法，其特征在于：所述上层控制器包括模糊规则模块与MPC控制器，模糊规则模块采取双输入、单输出，即根据双输入的车间相对距离与碰撞时间，实时输出场景紧急系数，并根据所述紧急系数优化MPC控制器的仿真步长。3.如权利要求2所述的基于自适应采样时间MPC的自动紧急制动方法，其特征在于：确立隶属度函数包括：引入紧急系数i来衡量本车行驶过程中的紧急程度，紧急系数i为[0，5]的无量纲数，i从0到5代表紧急程度从最低到最高；将MPC控制器中车间相对距离的模糊集合以及碰撞时间的模糊集合均设定为{极小，小，中，大，极大}，车间相对距离与碰撞时间的逻辑语言均设定为{NB，NS，ZO，PS，PB}；将本车与前车之间的相对距离论域设定为[0，100]m，并要求本车的紧急制动不应在碰撞时间＝3s前开始，因此将碰撞时间的论域设定为[0，3]；同样，将紧急系数i模糊化为{极小，小，中，大，极大}，紧急系数i的逻辑语言为{NB，NS，ZO，PS，PB}；所述隶属度函数采用三角形隶属度函数。4.如权利要求3所述的基于自适应采样时间MPC的自动紧急制动方法，其特征在于：所述模糊规则采用IF
‑
THEN结构，在车间相对距离与碰撞时间最大时，取最小紧急系数i；在车间相对距离与碰撞时间最小时，取最大紧急系数i；若车间相对距离处于极大状态，则无论碰撞时间如何变化，都认为本车与前车两车处于安全状态，紧急系数i处于NB或NS论域；如果车间相对距离处于极小状态，则无论碰撞时间如何变化，都认为两车处于危险状态，紧急系数i处于PB或PS论域。5.如权利要求2所述的基于自适应采样时间MPC的自动紧急制动方法，其特征在于：根据紧急系数优化MPC控制器的仿真步长，具体为：将MPC控制器的采样时间T
s
定义为：式中：round为取整函数；ω为收缩因子；将采样时间限制在T
s
∈[0.05s，0.1s]内，通过改变ω可调整采样周期的收敛速度；将ω设置为1，当T
s
≥0.1s时，认为车辆处于安全状态，MPC控制器不介入上层控制器。
6.如权利要求1所述的基于自适应采样时间MPC的自动紧急制动方法，其特征在于：所述车间状态信息包括：前车加速度、本车速度、本车加速度与加速度变化率、本车与前车之间的相对距离。7.如权利要求1所述的基于自适应采样时间MPC的自动紧急制动方法，其特征在于：所述车间纵向动力学模型的表达式为：v
h
(k+1)＝v
h
(k)+a
h
(k)T
ss
式中：v
h
、a
h
、a
f
分别表示本车的速度、本车的加速度和前车加速度；d
r
为本车与前车之间的实际车间距；v
rel
为本车与前车之间的相对速度；T
s
为MPC控制器的采样时间；τ为描述本车期望加速度u与实际加速度a
h
的传递特性的1阶惯性环节时间常数；j为本车的加速度变化率；k+1表示当前时刻k的下一时刻。8.如权利要求7所述的基于自适应采样时间MPC的自动紧急制动方法，其特征在于：通过车间纵向动力学模型的离散状态空间方程，并引入多目标控制性能要求与约束条件，建立MPC控制器，具体包括：S1)将MPC控制器的状态变量定义为x(k),则x(k)＝[d
r
(k),v
h
(k),a
h
(k),j(k)]
t
将前车加速度φ(k)作为离散状态空间方程的扰动量，将d
r
(k)、v
h
(k)作为MPC控制器的输出，由此可得离散状态空间方程为：x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)+Gφ(k)式中A、B、G均为MPC控制器的系数矩阵S2)考虑本车安全制动与乘坐舒适性的前提，定义本车与前车之间的约束条件为：d
r
≥0a
h_min
≤a
h
(k)≤a
h_max
v
h_max
≤v
h
(k)≤v
h_max
j
min
≤j(k)≤j
max
u
min
≤a
h
(k)≤u
max
式中：v
h_min
、v
h_max
分别表示本车的速度的小值与最大值；a
h_min
、a
h_max
分别表示本车加速度的小值与最大值；j
min
、j
max
分别表示加速度变化率的最小值与最大值；u
min
、u
max
表示本车的期望加速度的最小值与最...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘成晔，周大宝，李明辉，黄赟，
申请(专利权)人：江苏理工学院，
类型：发明
国别省市：