CN109552326B - 一种无线通信信道衰减下的车辆变速巡航控制方法 - Google Patents

一种无线通信信道衰减下的车辆变速巡航控制方法 Download PDF

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Abstract

一种无线通信信道衰减下的车辆变速巡航控制方法，包括如下步骤：1)、建立车辆变速巡航控制三阶动态数学模型；2)、定义
Figure DDA0001853741770000011
得到车辆变速巡航控制***状态空间模型；3)、定义车辆在无线通信信道衰减下变速巡航***在t时刻车距、速度、加速度控制函数；4)、给定实数ρ1、λ，求解实矩阵
Figure DDA0001853741770000012
Figure DDA0001853741770000013
和V，满足线性矩阵不等式；5)通过无线通信网络得到本车与前车的距离差、速度差以及前车加速度实时计算本车加速度、速度、距离控制量，驱动本车跟踪前车运动状态；如此周而复始，实现车辆在无线通信信道衰减下高实时性和准确性的变速巡航控制。本发明考虑车辆在行驶过程中的信道衰减特性，从而更好地实现车辆变速巡航控制目标。

Description

一种无线通信信道衰减下的车辆变速巡航控制方法
技术领域
本发明涉及一种车辆变速巡航控制方法，特别涉及一种在无线通信信道衰减下的车辆变速巡航控制方法。
背景技术
车辆变速巡航控制是通过车载传感器例如雷达采集前车和本车的车辆行驶信息，然后建立车辆安全距离、速度、加速度模型，将采集的前车和本车行驶信息输入模型，控制本车的速度、加速度，实现本车自动驾驶的一种控制办法。车辆变速巡航控制使得驾驶人员不用一直处在紧张状态，提高了司机驾驶的安全性和舒适性，同时可以减缓交通拥塞。但是这种控制办法由于使用车载雷达采集前车行驶信息，对于行驶在弯道路段采集前车信息会有一定的不准确性，而且车载传感器存在检测距离范围较小，在车辆高速行驶时，不能及时将前面车辆信息反馈到本车。随着车联网技术的不断发展，使得车与车之间实时共享车辆行驶信息成为了现实，在原有车辆巡航控制的基础上，研究出了通过异构无线网络将前车和本车连接起来，无线通信网络一方面接收前面车辆的行驶信息，另一方面将本车行驶信息发送给前面车辆，在道路上行驶，车与车是通过无线网络连接起来，实现车辆稳定巡航，这种方式减小了车辆间的速度波动，能够以很小的距离实现巡航，同时能够在复杂的环境比如弯度比较大的弯道或者起伏的高低乡村道路实现巡航控制。
通过无线通信传输车辆行驶信息进而控制车辆的控制方式必须保证无线通信网络的安全性和可靠性，车辆只有行驶过程中接收到正确的信息，才能在正确的控制策略下实现车辆控制，避免发生安全事故。无线通信信道衰减是影响车辆间数据传输的一重要因素，无线通信信道衰减将影响***的控制性能，特别是***的稳定性，因此，该控制办法需要考虑无线信道的衰减。通过对现有无线通信下车辆变速控制方法的文献的检索发现，车辆无线通信信道衰减下变速巡航控制主要有：PID控制器、H∞控制、模糊滑膜控制。其中PID控制在信道衰减下跟车会出现剧烈的抖动，这对于跟车的舒适性和安全性有较大的影响；模糊滑膜控制是将滑膜结构控制和模糊结构控制结合的一种控制方法，该控制方法与PID控制方法相比，抖动得到了一定的改善，但是其仿真结果例如速度的变化仍然不是平滑变化；H∞控制模型比较复杂，而且计算量也比较大。因此，尽管无线通信信道衰减下变速巡航控制研究取得了一些成果，但是很多学者仍然对于这个问题进行了细致的研究，使得控制方法满足更加复杂的环境以及更加精确的车辆进行控制要求。
发明内容
为了解决在无线通信环境下由于信道衰减而引起的车辆变速巡航控制问题，本发明提供了一种无线通信信道衰减下的车辆变速巡航控制方法，该方法考虑车辆在行驶过程中的信无线通信信道衰减特性，从而更好地实现车辆变速巡航控制目标。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种无线通信信道衰减下的车辆变速巡航控制方法，所述控制方法包括如下步骤：
1)、建立车辆变速巡航控制三阶动态数学模型，参见式(1)：
Figure BDA0001853741750000021
其中，变量t为时间，v0(t)、a0(t)表示前车的速度和加速度；v1(t)、a1(t)表示本车的速度和加速度；
Figure BDA0001853741750000022
分别表示前后两车的速度差和加速度差；
Figure BDA0001853741750000023
表示发动机的时间常数；
Figure BDA0001853741750000024
是本车距离误差d1(t)关于时间的导数并且d1(t)＝d0+h1v1，d0是前后两车的最小距离，h1是时间反应间隔；u1(t)表示本车与前车距离差、速度差、本车加速度控制函数；
2)、定义
Figure BDA0001853741750000025
其中β1、
Figure BDA0001853741750000026
a1分别表示两车距离差、速度差以及后车加速度，则由式(1)得到车辆变速巡航控制***状态空间模型，参见式(2)：
Figure BDA0001853741750000027
其中
Figure BDA0001853741750000028
和
Figure BDA0001853741750000029
3)、定义车辆在无线通信信道衰减下变速巡航***在t时刻车距、速度、加速度控制函数，参见式(3)：
Figure BDA0001853741750000031
其中，K1＝[k1 k2 k3]为控制增益向量，k1、k2和k3表示控制函数的增益系数，Δv1为前后两车的速度差，ρ2表示无线信道的衰减系数；
4)、给定实数ρ1、λ，求解实矩阵
Figure BDA0001853741750000032
和V，满足线性矩阵不等式，参见(4)：
Figure BDA0001853741750000033
其中，矩阵
Figure BDA0001853741750000034
Figure BDA0001853741750000035
则控制增益向量
Figure BDA0001853741750000036
5)通过无线通信网络得到的本车与前车距离差、速度差以及前车加速度实时计算本车加速度、速度、距离控制量，驱动本车跟踪前车运动状态；在下一个控制周期时，重新在线测量前车与本车的距离差、速度差和前车加速度，如此周而复始，实现车辆在无线通信信道衰减下高实时性和准确性的变速巡航控制。
本发明的技术构思是：针对车辆变速巡航控制领域对车辆安全距离、速度、加速度控制的准确性和实时性要求，建立车辆在无线信道衰减下三阶时间动力模型，设计了一个车辆在无线通信信道衰减下车辆变速巡航的控制器，实时计算车辆的安全距离、加速度、速度控制量，进而精确实时控制车辆，实现车辆在无线通信信道衰减下变速巡航。
本发明主要执行部分在车辆自动驾驶控制计算机上执行，执行过程主要分为一下三个阶段：
1)、参数设置：包括模型参数和控制器参数，设置车辆变速巡航的安全距离β1，发动机常数
Figure BDA0001853741750000037
时间反应间隔h1，无线通信信道的衰减系数ρ2。控制器可调实数参数λ、ρ1，设定参数后，将数据保存到计算机中。
2)、调试阶段：根据输入的实际可调参数进行调试，观察车辆在信道衰减下巡航***对车辆的控制效果，由此确定一组较好的可调参数λ、ρ1。
3)、在线运行：启动车辆巡航控制***，前车的速度、位置、加速度通过无线异构网络传输到本车的巡航控制***，计算出两车间距差、速度差，然后计算出本车巡航***的速度、加速度控制量，驱动本车跟踪前车运行状态，保证车辆在信道衰减下变速巡航。
本发明的有益效果主要表现在：1、车辆变速巡航控制***的可调参数比较少，操作比较方便。2、考虑了在无线通信信道的衰减，减小了车辆变速巡航控制***的误差，保证了变速巡航的精确性和安全性，同时也使得该控制***可以用于许多复杂的场景。
附图说明
图1为车辆在无线信道衰减下变速巡航控制中本车与前车的安全车间距差变化曲线。
图2为车辆在无线信道衰减下变速巡航控制中本车加速度变化曲线。
图3为车辆在无线信道衰减下变速巡航控制中本车控制输入量。
图4为车辆在无线信道衰减下变速巡航中本车与前车间距误差变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的方法做进一步详细说明。
参照图1～图4，一种无线信道衰减下车辆变速巡航控制方法，所述控制方法包括如下步骤：
1)、建立车辆变速巡航控制三阶状态空间数学模型，参见式(1)；
Figure BDA0001853741750000041
其中，变量t为时间，v0(t)、a0(t)表示前车的速度和加速度；v1(t)、a1(t)表示本车的速度和加速度；
Figure BDA0001853741750000042
分别表示前后两车的速度差和加速度差；
Figure BDA0001853741750000043
表示发动机的时间常数；
Figure BDA0001853741750000044
是本车距离误差d1(t)关于时间的导数并且d1(t)＝d0+h1v1，d0前后两车的最小距离，h1是时间反应间隔；u1(t)表示本车与前车距离差、速度差、本车加速度控制函数；
2)、引入
Figure BDA0001853741750000045
其中β1、
Figure BDA0001853741750000046
a1分别表示两车距离差、速度差以及本车加速度，则由(1)得到车辆变速巡航控制模型
Figure BDA0001853741750000051
其中
Figure BDA0001853741750000052
和
Figure BDA0001853741750000053
3)、定义车辆在无线通信信道衰减下变速巡航***在t时刻车距、速度、加速度控制函数
Figure BDA0001853741750000054
其中K1＝[k1 k2 k3],k1，k2，k3表示控制函数的增益系数，ρ2表示无线信道的衰减系数，Δv1为前后两车的速度差，a0(t)表示第一辆车的加速度。控制增益系数参见下面计算；
4)、给定实数ρ1、λ，求解实矩阵
Figure BDA0001853741750000055
和V，满足线性矩阵不等式，参见(4)：
Figure BDA0001853741750000056
其中，矩阵
Figure BDA0001853741750000057
Figure BDA0001853741750000058
则控制增益向量
Figure BDA0001853741750000059
5)通过无线通信网络得到本车与前车的距离差、速度差以及前车加速度实时计算本车加速度、速度、距离控制量，驱动本车跟踪前车运动状态；在下一个控制周期时，重新在线测量前车与本车的距离差、速度差和前车车加速度，如此周而复始，实现车辆在无线通信信道衰减下高实时性和准确性的变速巡航控制。
本实施例为车辆在无线信道衰减下车辆变速巡航的控制过程，操作过程如下：
1、输入λ＝-0.8、ρ1＝0.25，信道衰减ρ2＝0.97，本车发动机常数
Figure BDA00018537417500000510
时间反应间隔h1＝2s，前车0到6秒加速度a0(t)＝1m/s2，之后a0(t)＝0m/s2，两车之间最小距离d0＝8m。
2、通过已经编写好的计算程序计算出汽车变速巡航***的控制系数K1，将输入的参数代入(4)中，求出符合矩阵不等式的
Figure BDA0001853741750000061
V＝[0.1186 0.0510 0.0667]
然后通过(4)计算出控制系数K1＝[0.6406 0.3661 -0.0049]。
3、得到控制系数之后，通过无线通信网络得到本车与前车的距离差、速度差以及前车加速度实时计算本车加速度、速度、距离控制量，驱动本车跟踪前车运动状态；在下一个控制周期时，重新在线测量前车与本车的距离差、速度差和前车加速度，如此周而复始，实现车辆在无线通信信道衰减下高实时性和准确性的变速巡航控制。
实际控制效果如图1、图2、图3、图4所示，图1为车辆在无线通信信道衰减下变速巡航控制中实际车间距变化曲线；图2为车辆在无线通信信道衰减下变速巡航控制中本车加速度变化曲线；图3为车辆在无线通信信道衰减下变速巡航控制输入量变化曲线，图4为无线通信信道衰减下变速巡航中本车与前车间距误差变化曲线。
以上阐述的是本发明给出的一个实施例所表现出的优良的车辆在无线通信信道衰减下变速巡航***控制效果。需要指出，上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改，都落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种无线通信信道衰减下的车辆变速巡航控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
1)、建立车辆变速巡航控制三阶动态数学模型，参见式(1)：
Figure FDA0002453285870000011
其中，变量t为时间，v0(t)、a0(t)表示前车的速度和加速度；v1(t)、a1(t)表示本车的速度和加速度；
Figure FDA0002453285870000012
分别表示前后两车的速度差和加速度差；
Figure FDA0002453285870000013
表示发动机的时间常数；
Figure FDA0002453285870000014
是本车距离误差d1(t)关于时间的导数并且d1(t)＝d0+h1v1，d0是前后两车的最小距离，h1是时间反应间隔；u1(t)表示本车与前车距离差、速度差、本车加速度控制函数；
2)、定义
Figure FDA0002453285870000015
其中β1、
Figure FDA0002453285870000016
a1分别表示两车距离差、速度差以及本车加速度，则由式(1)得到车辆变速巡航控制***状态空间模型，参见式(2)：
Figure FDA0002453285870000017
其中
Figure FDA0002453285870000018
和
Figure FDA0002453285870000019
3)、定义车辆在无线通信信道衰减下变速巡航***在t时刻车距、速度、加速度控制函数，参见式(3)：
Figure FDA00024532858700000110
其中，K1＝[k1 k2 k3]为控制增益向量，k1、k2和k3表示控制函数的增益系数，Δv1为前后两车的速度差，ρ2表示无线信道的衰减系数；
4)、给定实数ρ1、λ，求解实矩阵
Figure FDA00024532858700000111
和V，满足线性矩阵不等式，参见(4)：
Figure FDA00024532858700000112
其中，矩阵
Figure FDA00024532858700000113
Figure FDA00024532858700000114
则控制增益向量
Figure FDA00024532858700000115
5)通过无线通信网络得到本车与前车的距离差、速度差以及前车加速度实时计算本车加速度、速度、距离控制量，驱动本车跟踪前车运动状态；在下一个控制周期时，重新在线测量前车与本车的距离差、速度差和前车加速度，如此周而复始，实现车辆在无线通信信道衰减下高实时性和准确性的变速巡航控制。
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