基于模型预测控制的可变目标距离自适应巡航控制研究_赵亚男.pdf
《基于模型预测控制的可变目标距离自适应巡航控制研究_赵亚男.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于模型预测控制的可变目标距离自适应巡航控制研究_赵亚男.pdf(11页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、基于模型预测控制的可变目标距离自适应巡航控制研究赵亚男1,王泰翔1,高利1,孙海鑫2,王显才1(1.北京理工大学 机械与车辆学院,北京100081;2.北京理工大学 艺术与设计学院,北京100081)摘 要:为解决在复杂交通环境中自适应巡航系统存在旁车切入本车前方工况时,目标期望距离计算模型得到的期望相对距离与实际相对距离发生阶跃以及堵车蠕行工况,车辆与前车距离较近,拥堵路况不断启停的目标车辆的速度、加速度和相对距离持续抖动,导致的纵向加速度幅值过大带来的驾驶平顺性、舒适性和安全性问题,提出可变目标距离的自适应巡航控制算法,基于模型预测控制理论,建立离散纵向运动学预测模型,综合考虑底盘加速度响
2、应、极限安全纵向跟车距离、车辆自身物理限制、驾驶人乘坐舒适性等优化控制目标,引入松弛因子进行在线求得可行解.在旁车不同切入工况、综合工况行驶以及堵车蠕行工况对本算法进行仿真和实车测试并利用数据对 IDM 算法开环实验,研究成果对比表明,考虑旁车切入的可变目标距离的自适应巡航控制算法在旁车加速切入工况中,纵向控制产生的最大冲击度为0.25 m/s3,相比于 IDM 模型降低 50%,堵车蠕行工况中纵向控制产生最大减速度为0.3 m/s2,相比于 IDM 模型降低 30%,综合工况和定速巡航工况中,算法在保持安全距离情况下可以对车辆实现稳定纵向控制,加速度幅值不超过0.36 m/s2,可有效提高驾
3、驶人的舒适性、平顺性和安全性.关键词:自适应巡航;模型预测控制;可变目标距离;堵车蠕行;旁车切入中图分类号:U27 文献标志码:A 文章编号:1001-0645(2023)05-0499-11DOI:10.15918/j.tbit1001-0645.2022.136A Model Predict Control based Adaptive Cruise Control of VariableTarget DistanceZHAO Yanan1,WANG Taixiang1,GAO Li1,SUN Haixin2,WANG Xiancai1(1.School of Mechanical Eng
4、ineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2.School of Art and Design,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)Abstract:To solve the problems presented to the adaptive cruise system in the complex traffic environment,anadaptive cruise control algorithm with variable ta
5、rget distance control algorithm was proposed.The complextraffic conditions mainly consider as following two aspects.A side car cut into the front of the vehicle,causingthe expected relative distance obtained from the target expected distance calculation model emerge a step changefrom the actual rela
6、tive distance.Closing to the car in front,the target vehicle must start and stop constantly incongested road conditions,causing the speed,acceleration and relative distance of the target vehicle continuechange,resulting in driving smoothness.For driving comfort and safety,the adaptive cruise control
7、 algorithmwas arranged firstly to establish a discrete longitudinal kinematics prediction model based on the model predict-ive control theory.And then,considering the chassis acceleration response,the ultimate safe longitudinal follow-ing distance,the physical limitations of the vehicle itself,the d
8、rivers riding comfort and other optimal controlobjectives,the soft factor was introduced to obtain the feasible solution online.The algorithm was simulated andtested in real vehicles under different cut in conditions,comprehensive driving conditions and traffic jam creep-ing conditions,and the open-
9、loop experiment of IDM algorithm was conducted with data.The comparison of re-收稿日期:2022 06 07基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFB0105205-02,2017YFC0804808,2017YFC0804803)资助作者简介:赵亚男(1972),女,副教授,博士后,E-mail:.通信作者:王泰翔(1998),男,硕士研究生,E-mail:.第 43 卷第 5 期北 京 理 工 大 学 学 报Vol.43No.52023 年 5 月Transactions of Beijing Institu
10、te of TechnologyMay 2023search results shows that the adaptive cruise control algorithm considering the variable target distance of the cutin by the side vehicle can provide a maximum impact of 0.25 m/s3 on the longitudinal control under the acceler-ation cut in conditions of the side vehicle,loweri
11、ng 50%than the IDM model.The maximum deceleration gen-erated by longitudinal control in the traffic jam creeping condition can achieve 0.3 m/s2,lowering 30%than theIDM model.In the comprehensive condition and constant speed cruise condition,the algorithm can achievestable longitudinal control of the
12、 vehicle,maintaining a safe distance,and the acceleration amplitude is not morethan 0.36 m/s2,improving the drivers comfort,smoothness and safety effectively.Key words:adaptive cruise control;model predict control;variable target distanc;traffic jam creeping;side carcut in 车辆在复杂交通环境中行驶时,驾驶人感知信息和判断决策
13、的全过程会受到运行环境复杂度的影响1 5,复杂程度越大会使得工作负荷迅速增加,导致较高的交通事故发生率.自适应巡航系统的出现有效地减少了驾驶人的工作负荷6,但是自适应巡航控制算法面对旁车切入工况,利用车头时距和车速计算得到目标期望距离发生阶跃突变,控制层计算得到的减速度幅值过大,导致无法获得较好的驾驶平顺性、舒适性和安全性.在车辆动态跟踪前车的纵向运动过程中,车辆舒适性、平顺性、安全性是自适应巡航系统的两个重要的性能指标7.过于剧烈的加速度变化会降低乘员的舒适性,较大的纵向加速度和阶跃的冲击度引起车辆的轴荷转移和较大的俯仰角变化,导致车辆平顺性的降低.过大幅值的减速度在交通流中也容易引起追尾事
14、故等安全性问题,直接影响驾驶人对ACC 的使用.动态车间距的自适应巡航系统在不同场景提供不同的车间距算法,有利于提供车辆的自适应性和稳定性.目前国内外对自适应巡航的车间据算法模式划分主要依靠与前车的相对速度,相对加速度以及纵向距离.间距划分策略主要应用于工况划分,基于车头时距的可变目标距离的划分策略被广泛使用8.裴晓飞等7和 BAREKET 等8将 ACC 划分为 8种模式,利用跟车时距和避撞时间倒数来划分不同模式,但是在实车验证上本车加速度的抖动变化难以保证驾驶人的舒适度要求.BAREKET 等9利用相对车速和车间距将自适应巡航分为 6 种模式,但是实车实验中难以确定模式的分界.CANALE
15、 等10利用前车的纵向状态,将本车 ACC 分为匀速、加速和减速 3 种工况,利用驾驶人模型进行分层控制,但是实际 3 种模式难以应对复杂道路情况,在旁车切入下的纵向控制策略无法提供合理且舒适的加速度.ARNE 等11利用宏观和微观交通流中,利用观测以及经验等得到的数据提出的 IDM 模型,该模型能良好的模拟高速场景下随着前车距离和速度引起的本车的加速度变化,该模型由于仿真模拟和实车测试中差距较大,该模型在后人的工作中不断被更新,修正.张德昭等12通过使用零期望加速度曲线,把模式区分为定速巡航,车速保持、接近和超车,避免了车辆在模式切换中的加速度阶跃问题.孙晓文等13将自适应巡航划分为巡航速度
16、控制和跟车时距控制来保证跟车安全,但是过少的模式无法应对复杂且低速的情况.马成国等14使用逆动力学模型使用改进pid 的算法开发了制动压力控制器,实现了自适应巡航对主动制动控制的要求.李亮等15将粒子群算法的优点作为模型预测控制的滚动优化方法进行求解,极大的提升了运算速度.邹汉鹏等16提出一种具有自适应补偿能力的反馈校正模型预测控制器设计方法,具备良好的抗干扰能力,提高了 ACCak 系统的跟车安全性和乘坐舒适性.针对自适应巡航系统现存的旁车切入跟车距离突变引起本车加速度阶跃引起的驾驶平顺性、舒适性和安全性问题,本文提出一种基于模型预测控制的可变目标距离自适应控制模型.根据本车速度与前车的运动
17、状态关系17 18,建立动态目标车辆期望距离模型,使用离散化车辆跟驰运动学模型,对本车辆在预测时域进行模型预测,并针对安全性、舒适性、安全性等目标引入松弛因子进行优化得到可行解,并不断滚动优化,完成旁车切入本车道前方与车辆跟驰的纵向控制,并通过实车验证了可变目标距离自适应循环控制的可行性和有效性.1 可变目标距离自适应巡航控制 1.1 自适应巡航控制框架设计多数自适应巡航系统利用 ECU 在整车控制器中500北 京 理 工 大 学 学 报第 43 卷实现节气门开度,制动主缸压力与目标车辆动态参数的联合计算控制,为了实现自适应巡航系统与其他 ADAS 模块的并行使用与独立控制,本文利用分层控制系
18、统,增加整车的开发效率,减少对下层执行层的直接控制、降低上位机二次开发的难度,减少开发周期,本文选择使用分层设计理念对 ACC 结构进行设计,将车辆分为感知融合层,上位控制器和下位线控底盘执行器,利用感知融合层和底盘发送得到的前方障碍物车辆与本车的相对运动状态信息和本车运动状态信息,通过上层控制器利用上述信息进行车辆现处工况判断,加速度规划层通过控制模型对相应工况采取基于模型预测控制的纵向控制算法得出期望车辆纵向期望加速度,下发下位控制器,线控底盘执行层利用 PID 算法依赖车辆动力学特性,调节制动主缸压力和节气门开度,迅速使车辆达到期望加速度,同时本车自身运动状态反馈给加速度规划层进行闭环控
19、制,从而实现自适应巡航功能.可变目标距离自适应巡航控制体系结构如图 1 所示.感知融合层加速度规划层可变目标距离策略相对车速相对距离前车加速度加速度平滑加速度饱和线控底盘执行层自车底盘信息制动踏板开度油门开度加速度车速MPC控制器期望加速度图 1 可变目标距离自适应巡航控制体系结构Fig.1 Variable target range adaptive cruise control architecture 在加速度规划层中利用本文提出的自适应巡航可变距离计算模型,利用目标车辆的相对距离、速度以及底盘反馈的本车运动状态信息,建立本车纵向自适应巡航运动学模型,并对平顺性、舒适性和安全性等多目标进
20、行二次型构建,引入松弛因子在各运行步长滚动优化求得控制量增量的可行解,再利用实车实验验证可行性和有效性.1.2 自适应巡航控制模型构建自适应巡航为没有横向控制参与的纵向加速度控制模型,考虑到车辆利用前车运动状态信息与底盘反馈信息对前车的速度和期望加速度进行追踪,adesa0根据两车之间相对运动关系,对车辆运动学进行建模并假设本车线性底盘可以良好且较快地对上层加速度规划控制器下发加速度进行跟踪,其期望加速度与实际底盘执行加速度为一阶惯性环节传递函数见式(1).a0=KpTps+1ades(1)dtd如图 2 所示,ACC 控制车辆纵向运动学关系.其中 d 表示实际车距,为本车头与目标车辆后保险杆
21、距离,为上文描述期望跟车距离,为实际车距与期望跟车距离的差值.dtdd图 2 自适应巡航跟驰运动学模型Fig.2 Kinematic model of adaptive cruise car following 根据本车与前车的运动学特性以及底盘执行器的一阶惯性环节的假定,对车辆运动学模型进行离散化建模如下.第 5 期赵亚男等:基于模型预测控制的可变目标距离自适应巡航控制研究501d(k+1)=d(k)+v(k)a0(k)Tsv(k+1)=v(k)+a1(k)a0(kTsa0(k+1)=(1TsTp)a0(k)+KpTsTpu(k)j(k+1)=KpTpu(k)1Tpa0(k)(2)v0va0
22、a1KpTpTs式中:为本车当前速度;为两车速度差;为本车加速度;为目标车辆加速度;与为线控底盘执行器的一阶惯性环节系统增益和时滞;为系统采样步长即采样周期.x(k)=d(k),v(k),a0(k),j(k)x(k)u(k)adesa1(k)(k)y(k)e(k)M=diag(m1,m2,m3,m4)设,为系统状态空间向量,控制系统输入为期望底盘加速度,前车加速度为控制系统的扰动量,系统的输出量为,同时为了增加系统的鲁棒性,提高自适应巡航模型的预测精度,增加误差修正项,引入的对角修正矩阵.由此可将自适应巡航纵向运动学模型整理见式(3).x(k+1|k)=Ax(k)+Bu(k)+G(k)+Me(
23、k)y(k)=Cx(k)(3)x(k)x(k+1|k)x(k)式中为系统实际可观测状态量,为已知时刻状态后对下一时刻的预测量.式中各系数矩阵见式(4).A=1000Ts100TsTs1Ts/TP1/TP0000B=0 0 KPTs/TPKP/TPTG=0 Ts0 0TM=m10000m20000m30000m4(4)2 可变目标距离自适应巡航控制策略自适应巡航控制包括了传统定速巡航控制和自适应跟踪控制与前车的期望距离,根据车辆的运动关系以及前车的运动状态,通过控制本车加速度使得前车与本车的纵向距离始终保持期望距离左右,完成车辆自适应跟驰19.车辆跟驰中驾驶人采用设定车头时距的办法来调整两车之间
24、的期望距离,车头时距的定义为=cv0(5)v0式中:c 为两车纵向距离;为本车车速;为车头时距.ddes自适应巡航控制的期望距离目前有两种较为流行的应用方法,一种是定期时距模型,该方法在驾d0驶人确定跟车时距后期望距离仅随本车运动速度而发生改变,式中为最小停车距离.ddes=v0+d0(6)2.1 可变车头时距模型由于传统的定车头时距无法处理前车动态的运动状态变化,难以在前车速度波动的工况下保持本车对其进行稳定的跟踪,而且不考虑前车车速的定车头时距计算得出的期望距离在前车速度波动较大时,加速度规划层的输入量与参考量的偏差较大,导致上位控制器计算得出的加速度波动频率增加,车辆由于冲击度变大导致驾
25、驶人舒适性降低.因此本文对期望距离进行改进并提出一种变车间时距(variable time headway,VTH),见式(7):=min,min,0a(v1v0)baheader,min maxddes=d0+v0+kv0(v0v1)(7)0abkminmax式中:为驾驶人设定车头时距;为相对速度的权重参数;为前车加速度的权重参数,为常数;和为饱和车头时距,本文设定为 0.8 s 和 2 s.2.2 旁车加速切入下可变目标距离调整d当本车处于旁车切入本车道前方工况时,t 时刻前车加速切入且速度大于等于本车,期望距离即优化代价函数中的参考与实际距离的差值突然增大,见式(8):dt=d0+v0+
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 模型 预测 控制 可变 目标 距离 自适应 巡航 研究 赵亚男
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。