考虑前车速度变化的全速自适应巡航控制算法设计

2020.35科学技术创新考虑前车速度变化的全速自适应巡航控制算法设计
胡益波
（上海网车科技有限公司，
上海200000）1概述自适应巡航控制（ACC ）系统根据传统巡航控制系统，根据主车辆与前车之间的车辆间运动来自动调节车辆的纵向速度，并保持两者之间的安全车距。

但是，前车的纵向加速度无法通过现有的车载传感器进行测量，
因此应在车距控制算法的设计中明确考虑以提高后续性能。

ACC 的出发点是协助和/或更换
驾驶员，以保持安全的车距。

如何应用和模拟成熟驾驶员的跟
随行为是提高乘客接受度的有效技术方法。

本文采用了反馈和
前馈控制技术，通过二次有界概念来协调多性能指标。

在第2节中，车辆间运动学模型是基于恒定时间间隔策略建立的系统和多性能指标用状态和控制输入表示。

在第3节中，通过二次有
界概念设计了反馈和前馈车距控制算法，以计算所需的纵向加
速度。

在第4节中，将进行计算机仿真以验证设计的算法。

第5
节总结了本文。

2问题描述
ACC 系统通常包含一个信息感知层，一个决策层和一个控
制层。

信息感知层获得本车的状态和本车前方的道路环境，
并确定有效的目标车辆。

决策层根据信息感知层提供的信息，确定纵向动力学的控制命令，例如所需的纵向加速度。

控制层基
于主车辆的纵向动力学跟踪来自决策层的控制命令。

本文集中
在决策层，即车距控制算法。

在本节中，将对汽车之间的运动学进行建模，并使用模型的
状态和控制输入来量化多功能性能指标。

因此，所需纵向加速
度的决定被转化为具有状态和控制约束的前馈和反馈控制器的设计。

2.1车辆间运动学模型
期望的车距模型之一，恒定时间间隙策略如下
(1)其中d des 是期望车间距，v f 是本车速度，t g 和d 0分别是车间时距和最小安全距离。

考虑到车辆动力学特别是执行机构控制存在一定的延迟，建立一个一阶惯性系统描述实际加速度不到期望加速度的延迟，如下
(2)其中T 是以上描述的延迟，本文中定义为T=0.45s 。

定义车间距d ，则车间距误差为。

定义相对速度，其中v p 是前车速度。

假设前车可以有效检测，那么车间距和相对速度可以由传感器信息感知得到。

结合以上方程可以得到如下状态空间方程：(3)
其中。

,是前车纵向加速度。

模型中，t g 和T 是常数。

如果驾驶员调节时距，上述模型是一个线性参变模型。

定义Jerk 如下
.2.2多性能指标的量化原理
采用车间距误差、
相对速度和jerk 分别描述安全性、舒适性和经济性。

即定义安全性：,，经济性：
，舒适性：。

乘客明显感受到不舒适当jerk 超过2m/s 3。

综合考虑以上约束，
搭建控制律如下：(4)
其中K 和F 分别是前馈和反馈控制器增益，
待设计。

前车纵向加速度如下：
,
其中r(t)为参考输入。

,是前车加速度最大值。

综合以上方程得到：
(5)其中，。

图1前车速度变化前馈+反馈控制器
总之，将所需纵向加速度的决定转换为具有状态和控制约
束的前馈和反馈控制器的设计。

如图1所示，控制器包含两部
分：反馈控制器和前馈。

反馈控制器实时校正状态误差，并精确
作者简介：胡益波（1980，10-），男，汉，硕士学历，工程师，
研究方向：自动驾驶技术。

摘要:如果将纵向加速度视为常数或外部干扰，
则ACC 的设计不能反映驾驶员对前车状态的预见性。

纵向加速度在车辆间运动学建模中被作为参考输入，在车距控制算法的设计中被视为前馈补偿。

首先，
本文建立了基于恒定时间间隙模型的汽车运动学模型，该模型的状态和控制输入用于表示驾驶安全性，乘客舒适度和能源经济性指标，
并使用不等式约束来描述其范围。

此外，设计了基于二次有界概念的前馈和反馈控制器，范围的不等式约束转化为线性矩阵不等式。

最后，在前车速恒定或变化的运行条件下，验证了所设计算法的性能。

关键词:自适应巡航控制（ACC ）;车头时距控制;多目标协调；控制约束；二次有界
中图分类号:U471,TP301.6文献标识码:A 文章编号:2096-4390(2020)35-0163-020des g f d t v d 1
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科学技术创新2020.35
计算所需的纵向加速度。

前馈控制器补偿了前行车辆纵向加速度对后行性能的影响，从而有效地提高了ACC 的可预见性。

如图2所示，状态约束构成了汽车的正常驾驶状态。

汽车可到达集合被定义为所有可到达状态在某个时间从初始状态开
始并接管控制约束集合中的所有控制输入的集合。

反馈和前馈控制器的主要思想是找到一个控制律，以最小的初始状态下车辆的有界加速度的可达性。

图2不变集概念
3自适应巡航控制算法设计如前所述，多功能绩效指标通过状态和控制输入进行量化，指标区域通过状态和控制约束来表示。

期望的纵向加速度的决定已转化为具有状态和控制约束的车距控制算法的设计。

为了提高跟随性能，应该找到与正常驾驶状态下的初始状态相对应的最小可到达状态。

因此，正常的驱动装置应包括在椭圆不变式装置中，应将其最小化。

包含对应于矩阵不等式，如下所示
其中，，
,，，。

定义集合。

矩阵不等式重写如下：
在上述不等式中，反馈项和前馈项之和是有界的。

但是，
没有处理术语大而符号不同的情况。

因此，
添加了以下约束。

矩阵不等式重写如下：
通过推理并求解线性矩阵不等式可以得到所设计控制算法的控制律。

在本文中，假定前车的纵向加速度由动力学仿真软件直接提供。

可预见性将通过估算主车辆的纵向加速度进行仿真。

4仿真测试
在本节中，设计的车速控制算法在两种运行条件下得到验
证：恒定的前车速和变化的前车速。

在Matlab /Simulink 软件中建立了车头控制算法，信息感知层和控制层
（油门和制动器逆纵向动力学模型）。

在车辆动力学仿真软件中开发了家用乘用车的动力学模型。

为了验证所设计的算法克服了先前车辆变化的加速度，
在以下操作条件下进行了仿真。

ACC 车辆和先前车辆的初始速度为80km /h 。

本车与前一辆车之间的初始车距为27m 。

因此，主车辆最初处于稳定跟随模式。

实际车辆间距离在预设约束范围内出现误差的情况下稳定
地跟踪所需的距离。

因此，保证了行驶安全。

加速度和加速度的最大值未超过舒适性和经济性约束范围。

因此，所设计的算法有效地克服了先前车辆的变化速度。

5结论
通过二次有界概念，在反馈和前馈控制框架下设计了一种协调多种性能指标的仿人车头控制算法。

利用车辆间运动学模型的状态和控制输入来量化多性能指标。

指标的边界用状态和控制约束表示，然后转换为线性矩阵不等式。

在反馈和前馈控制框架下，设计的行进控制算法通过协调前馈控制器的多项性能指标和可预见性来反映驾驶员的追随行为。

仿真结果表明，
该指标在各种工况下均位于预设的约束范围内。

因此，
改善了ACC 的可接受性和实用性。

参考文献
[1]Swaroop D,RajagopalKR.Intelligent Cruise Control Systems and Traffic Flow Stability.California PATH Research Report.UCB-ITS-PRR-98-36.Dec.1998,ISSN 1055-1425,pp 1-21.[2]管欣,王景武,高振海,张立存.基于驾驶员行为模拟的ACC 控制算法.汽车工程
,2004,26(2):205-209.
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