[发明专利]一种期望安全距离动态调节的汽车自适应巡航控制方法

权利要求书

1.一种期望安全距离动态调节的汽车自适应巡航控制方法，其特征在于，该方法包括切换安全距离策略模块、MPC控制器、加速度控制转换模块和CarSim车辆模型；切换安全距离策略模块用于确定期望安全距离与期望速度；MPC控制器根据期望安全距离、期望速度以及汽车行驶状态，求解出汽车的加速度；CarSim车辆模型用于输出汽车的实际行驶状态，包括本车速度、本车加速度、相对速度、相对距离、挡位和发动机转速；加速度控制转换模块将MPC优化出的加速度转换为节气门开度和制动主缸压力，并输入给CarSim车辆模型，实现自适应巡航车辆与前车安全协同控制；

该方法包括以下步骤：

步骤1、设计切换安全距离策略，确定安全距离x_des和期望速度v_des；

步骤2、设计MPC控制器，其过程包括如下子步骤：

步骤2.1、建立两车相互纵向运动学模型：

其中，x_rel(k)为两车车间距，x_rel(k)＝x_pv(k)-x_hv(k)；v_rel(k)为两车相对速度，v_rel(k)＝v_pv(k)-v_hv(k)；a_pv(k)为前车加速度；a_hv(k)为自适应巡航车辆加速度；j_hv(k)为自适应巡航车辆的；v_pv(k)为前车速度；v_hv(k)为自适应巡航车辆车速；τ_i为惯性时间常数；T_s为系统采样周期；u(k)为MPC控制器优化出的期望加速度；

将式(2)写成标准状态空间方程的形式，并以步长T_s进行离散化，得到离散后的预测模型如下：

其中，控制输入为u＝a_des；状态变量为x＝[x_rel(k),v_rel(k),v_hv(k),a_hv(k),j_hv(k)]；预测输出为y＝[x_rel,v_rel]^T为两车车间距和相对速度；ζ(k)为前车加速度，视为扰动；

步骤2.2、计算预测输出，根据模型预测控制理论，取预测时域为p，控制时域为m，可以得到在当前k时刻的状态变量为：

其中，x(k)是在第k步的状态变量，u(k)为控制输入量；

进一步，由式(4)可以得到系统当前k时刻的预测输出为：

Y_P(k+1|k)＝S_xx(k)+S_ζZ(k)+S_uU(k)                         (5)

预测输出矩阵Y_P(k)＝[y_p(k+1|k)，y_p(k+2|k)，…y_p(k+m|k)]^T,控制输入矩阵U(k)＝[u(k)，u(k+1)，…u(k+p)]^T；

步骤2.3、设计优化目标及约束条件，其过程包括如下子步骤：

步骤2.3.1、构建期望安全距离和期望速度跟踪性能指标，将实际车间距与实际速度和期望安全距离与期望速度偏差的二范数作为跟车性指标，其表达式如下：

步骤2.3.2、构建平滑指标，用控制量的二范数作为转向平滑指标，其表达式如下：

因此，目标函数表达式如下：

其中，Y_p(k+1|k)为预测输出，R(k+1)为参考矩阵，R(k+1)＝[r(k+1),r(k+2),…r(k+p)]^T，其中r＝[x_des,0]^T；ξ_y和ξ_u为输出和输入的权重矩阵，其中，ξ_y＝diag{ξ_y,1,ξ_y,2,…,ξ_y,p}_p×p，ξ_u＝diag{ξ_u,1,ξ_u,2,…,ξ_u,m}_m×m；

步骤2.3.3、设置MPC控制器约束，本发明设计的自适应巡航控制系统控制目标是在跟踪期望安全距离和期望速度的同时，满足安全性、舒适性以及燃油经济性的要求，并将这些约束指标转换为约束的形式，从而在MPC框架下求解出控制序列；

(1)安全性

汽车在行驶过程中的安全性一直是系统需要满足的首要目标，为满足汽车在行驶过程中的安全性，应始终保证两车车间距大于一个安全的车间距；

x_rel(k)≥d_m                               (9)

其中，d_m为最小安全距离；

(2)乘坐舒适性

汽车在行驶过程中，乘坐的舒适性也是评价MPC控制器好、坏的一个标准，一般用加速度的变换率来表示乘坐的舒适性，加速度的变化率越小乘坐的舒适性越高；

j_min≤j_hv(k)≤j_max                           (10)

(3)燃油经济性

汽车在行驶过程中，避免一些急加速或急减速可以带来较好的燃油经济性，通常用加速度来评价汽车的燃油经济性；

a_min≤a_hv(k)≤a_max                           (11)

(4)速度约束

汽车在行驶过程中，考虑汽车发动机功率以及交通法规的限制，还需满足速度的约束；

v_min≤v_hv(k)≤v_max                           (12)

步骤2.3.4、将带约束的优化问题转化为QP问题进行求解，构建多目标、多约束优化控制问题：

在控制器中，采用二次规划算法，求解多目标优化控制问题(13)，得到最优开环控制序列的加速度a_des；

在MPC控制器优化出期望加速度后，需要利用车辆逆纵向动力学模型将期望加速度转化为对应的发动机节气门开度或制动主缸压力，输入到CarSim车辆模型，实现对车辆进行加速或减速控制，进而实现自适应巡航控制功能；

步骤3、加速度控制转换模块，其过程包括如下子步骤：

步骤3.1、设计汽车油门或制动切换逻辑，考虑车辆在正常行驶的过程中，油门和制动是分开控制的，不可能同时踩下油门和制动踏板；当车辆需要加速时，会增大节气门开度；当车辆需要减速时，驾驶员不会直接踩下制动踏板而是先缓慢减小节气门开度，利用空气阻力、滚动阻力以及发动机内部的机构阻力来实现减速，当车辆需要较大减速度时，驾驶员会抬起油门踏板，主要利用制动器的压力来实现较大的制动减速度；本发明利用CarSim软件，先设置车辆运行在某一高速,然后设置车辆油门和制动踏板同时为零，让车辆以这设定高速带挡滑行减速，同理在CarSim软件中测出以10km/h为间隔，记录车辆低速、中速和高速对应的最大制动减速度；为避免油门或制动的频繁切换，保证车辆控制的舒适性，建立缓冲区域保证两者的平稳切换，本发明设置缓冲区域为0.01g，在缓冲区域内，车辆无任何操作；

步骤3.2、加速控制，包括如下子步骤：

步骤3.2.1、根据汽车行驶方程，推算出期望加速度a_des与发动机转矩T_e的关系表达式：

其中，F_t为汽车驱动力；F_f、F_w、F_i、F_j分别为滚动阻力、空气阻力、坡道阻力和加速阻力；T_e为发动机转矩；i_g为变速器传动比；i₀为主减速器传动比；η为传动系的机械效率；r_e为车轮有效半径；f为滚动阻力系数；α为道路坡度角；C_d为空气阻力系数；m为整车质量；ρ为空气密度；A为汽车迎风面积；δ为汽车旋转质量换算系数；

步骤3.2.2、通过建立发动机逆模型，根据期望加速度求得的发动机转矩T_e和发动机转速n，查发动机逆模型，得出节气门开度；

α_des＝f(T_e,n)                             (16)

步骤3.3、制动控制，汽车在行驶过程中，制动力大小同样根据汽车行驶方程推导得出：

在路面最大制动范围内，车辆所受制动压力和制动力之间关系表达式为：

其中，P_b为汽车制动主缸压力，F_b为汽车制动力，K为制动力与制动压力的固定比值；

将加速度控制转换模块输出的节气门开度或制动主缸压力输入给CarSim汽车模型，实现对自适应巡航车辆的纵向速度控制。