CN111942377B - 车辆纵向运动控制方法及车辆纵向运动控制*** - Google Patents

车辆纵向运动控制方法及车辆纵向运动控制*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种车辆纵向运动控制方法，包括将控制量设定为期望加速度ades，其包括被控车辆与前部车辆的期望安全距离和实际车距的差值Δd的比例环节以及被控车辆的期望车速与实际车速的差值Δv的比例环节，Δd的比例环节的系数和Δv的比例环节的系数分别表示为k1和k2；根据被控车辆与前部车辆的实际车距和相对速度Vrel求出预碰撞时间TTC；将***的控制目标定义为如下的目标函数，其为如下的无穷域积分项的最小值，积分项包括Δd的二次方的比例环节或Δv的二次方的比例环节及ades的二次方的比例环节，在此，Δd的二次方的比例环节、Δv的二次方的比例环节以及ades的二次方的比例环节的系数分别表示为Q1，Q2以及R；利用模糊控制方法根据Vrel和TTC求出Q2及R；利用Q2及R的值求出k1、k2。

Description

车辆纵向运动控制方法及车辆纵向运动控制***
技术领域
本发明涉及车辆纵向动力学控制，具体而言，涉及一种车辆纵向运动控制***。
背景技术
一般的车辆纵向控制***大多由上层控制和下层控制两层控制***构成。上层控制***用于对车辆的加速度进行规划，而下层控制***用于对车辆的行驶轨迹进行控制，保证车辆按照既定的加速度行驶。然而，已知的上层控制***所规划的加速度仅适用于车辆的正常、非紧急的行驶工况，在需要紧急制动的场景下，车辆的自动刹车***(AEB)往往需要被触发来避免碰撞。同时，为了兼顾车辆的驾驶舒适性以及平稳、快速和准确控制效果，已知的上层控制***需要结合一般驾驶员的驾驶习惯，这往往通过大量的标定才能够实现。
发明内容
因此本发明的任务在于，实现一种既能兼顾正常行驶工况，又能保证在紧急工况下的车辆纵向动力控制***。
根据本发明的一个方面，本发明提供一种车辆纵向运动控制方法，包括
-将车辆的纵向运动的控制量设定为被控车辆的期望加速度ades，所述车辆的期望加速度包括被控车辆与前部车辆的期望安全距离和实际车距的差值Δd的比例环节以及被控车辆的期望车速与实际车速的差值Δv的比例环节，在此，Δd的比例环节的系数和Δv的比例环节的系数可以分别表示为k1和k2；
-根据被控车辆与前部车辆的实际车距和相对速度Vrel求出预碰撞时间TTC；
-将***的控制目标定义为如下的目标函数，所述目标函数为如下的无穷域积分项的最小值，其中所述积分项包括Δd的二次方的比例环节或Δv的二次方的比例环节以及ades的二次方的比例环节，在此，Δd的二次方的比例环节的、Δv的二次方的比例环节的以及ades的二次方的比例环节的系数可以分别表示为Q1，Q2以及R；
-利用模糊控制方法根据所述相对速度Vrel或所述相对距离和所述预碰撞时间TTC求出Q2或Q1以及R；
-利用Q2或Q1以及R的值求出k1、k2的值，用以得出车辆的期望加速度。
根据本发明的一个实施例，所述车辆的期望加速度能够写成：
ades＝k1*Δd+k2/Δv+k，
其中，k可以为任一常数。
根据本发明的一个实施例，所述目标函数能够写成：
Figure GDA0003092987970000021
其中，A可以为任一常数。
根据本发明的一个实施例，选定Q1，利用模糊控制方法根据所述相对速度和所述预碰撞时间求出Q2以及R。
根据本发明的一个实施例，利用Q2以及R通过Riccati方程求得k1和k2。
根据本发明的一个实施例，所述模糊控制方法包括：
-分别标定Vrel、TTC、Q2以及R的隶属度函数；
-建立如下的模糊规则库，其中，依据TTC和Vrel的大小分别规定Q2以及R的大小
根据本发明的一个实施例，所述模糊规则库基于如下内容建立：
-当所述预碰撞时间较大并且所述相对速度较小时，输出较小的Q2值和较大的R值；
-当所述预碰撞时间较小并且所述相对速度较小时，输出较小的Q2值和较小的R值；
-当所述预碰撞时间较大并且所述相对速度较大时，输出较大的Q2值和较大的R值；
-当所述预碰撞时间较小并且所述相对速度较大时，输出较大的Q2值和较小的R值。
根据本发明的一个实施例，在车辆行驶在弯道上时，利用传感器检测并且根据车辆纵向运动机理计算出被控车辆与前部车辆的弯道实际车距和相对速度。
根据本发明的另一方面，本发明提出一种车辆纵向运动控制***，包括
-环境传感器，用以检测被控车辆和前部车辆的实际车距和前部车辆的车速；
-纵向运动控制单元，在其中实施根据本发明的车辆纵向运动控制方法；
-车辆运动状态传感器，用以检测车辆的车速并且将其输入给所述纵向运动控制单元，
其中，环境传感器将检测到的被控车辆和前部车辆的实际车距和前部车辆的车速输入给所述纵向运动控制单元，所述纵向运动控制单元而后实施车辆纵向运动控制方法并且发送控制命令，用以对车辆的纵向运动进行控制。
根据本发明的一个实施例，所述车辆纵向运动控制***还包括纵向控制开关和人机交互接口，驾驶员能够通过纵向控制开关对车辆的期望最大车速做出设定以及通过人机交互接口观测车辆的纵向运动状态，用以实现驾驶员对车辆纵向运动的监控和参与。
本发明所公开的车辆纵向运动控制方法和基于该方法的车辆纵向运动控制***能够同时兼顾车辆的紧急工况和正常行驶工况，从而更加完善了驾驶辅助***的功能。同时本发明所公开的方法不需要传统方法那样进行大量的标定工作，而是仅仅需要对车辆行驶的环境和车辆本身的运动状态进行一定量的标定工作便能够通过模糊控制原理得出理想的控制参数，从而缩短了软件的开发周期。
根据以下实施方式和附图，本发明的以上特征和优势将变得更加显而易见。
附图说明
从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其他目的及优点更加完整清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。
图1示意性地示出按照本发明所述的车辆纵向运动控制方法的流程图；以及
图2示例性地示出按照本发明的车辆纵向运动控制***的结构。
具体实施方式
出于简洁和说明性目的，本文主要参考其示范实施例来描述本发明的原理。但是，本领域技术人员将容易地认识到相同的原理可等效地应用于所有类型的车辆纵向运动控制方法和基于该方法的车辆纵向运动控制***，并且可以在其中实施这些相同或相似的原理，任何此类变化不背离本专利申请的实质精神和范围。而且，在下文描述中，参考了附图，这些附图示出特定的示范实施例。在不背离本发明的精神和范围的前提下可以对这些实施例进行更改。此外，虽然本发明的特征是结合若干实施/实施例的仅其中之一来公开的，但是如针对任何给定或可识别的功能可能是期望和/或有利的，可以将此特征与其他实施/实施例的一个或多个其他特征进行组合。因此，下文描述不应视为在限制意义上的，并且本发明的范围由要求保护的技术方案及其等效物来定义。
图1示出了按照本发明所述的车辆纵向运动控制方法的流程图。在此，将被控车辆的纵向运动的控制方程定义为：
ades＝k1/Δd+k2*Δv+k
其中，ades为被控车辆的期望加速度，Δd表示被控车辆与前部车辆的期望安全距离和实际车距的差值以及Δv表示被控车辆的期望车速与实际车速的差值，k能够为任一函数。换句话说，被控车辆的纵向运动控制目标为通过调节k1和k2，使得被控车辆能够以一种平稳、快速的方式到达纵向运动的稳定状态，即Δd和Δv为0。
在本发明所规定的控制变量的范围内，不仅需要对被控车辆的实际车速进行检测，还需要对被控车辆和前部车辆之间的实际车距以及前部车辆的车速进行检测。优选地，在通过传感器检测到被控车辆的车速、实际车距以及前部车辆的车速之后，对所检测到的信息进行滤波。
在被控车辆在弯道上行驶时，优选地还结合被控车辆实际的行驶工况，利用传感器并且结合车辆的纵向运动学原理求出弯道的实际车距和被控车辆与前部车辆的相对速度。
同时，利用检测到的或者求得的实际车距和相对速度求得被控车辆和前部车辆的预测碰撞时间。该预测碰撞时间、实际车距和相对速度被用于对车辆的纵向运动进行控制。
在本发明所公开的车辆纵向运动控制方法的框架下，将控制目标函数定义为：
Figure GDA0003092987970000041
其中，Q1，Q2和R分别为比例参数，Q1为间距敏感度参数，Q2为车速敏感度参数，A可以为任一常数。当选取较大Q1和较小Q2时，即Q1比Q2的比值较大时，该控制的效果表现在距离调节敏感度较强，此时以距离调节为主；反之Q1较小和Q2较大时，该控制的效果表现在以速度调节为主。R为控制能量强弱敏感参数，当R较大时，前述控制方程所求得的期望加速度较小且变化比较平稳，这种控制参数下的控制方式适用于被控车辆在非紧急路况的情况下；而当R较小时，前述控制方程求得的期望加速度较大且变化比较急剧，这种控制参数下的控制方式适用于被控车辆在相对比较紧急的路况的情况下。
显然地，为了获得前述所述控制量，即被控车辆的期望加速度，必须要求得k1和k2。进一步地，在本发明所公开的一个优选的实施例中，选定间距敏感度参数Q1。由此，结合被控车辆的纵向运动***状态方程，基于Q2和R通过求解Riccati方程来求取k1和k2，进而得到***期望的加速度。
在本发明的情况下，所述车辆纵向运动控制方法依据被控车辆实际行驶的外部道路环境，采用模糊控制方法来依据前述的相对车速和预测碰撞时间获取Q2和R。也就是说，上述模糊控制方法采取预测碰撞时间和相对速度作为模糊控制器的输入，通过对输入量进行模糊化，而后利用模糊规则库进行模糊推理，再对推理出的量进行精确化而得到Q2和R。
具体地，首先分别标定Vrel、TTC、Q2以及R的隶属度函数，其隶属度函数的形式分别如下表1-4所示(论域的选取直接根据被控车辆的实际行驶道路和环境；此外，论域、隶属度函数的选取和取值为标定参数，不限于下表内容):
表1Vrel隶属度函数表
V<sub>rel</sub>(m/s) 0 3.5 10 17.5 25 35 45
NB 1 0 0 0 0 0 0
NM 0 1 0 0 0 0 0
NS 0 0 1 0 0 0 0
ZO 0 0 0 1 0 0 0
PS 0 0 0 0 1 0 0
PM 0 0 0 0 0 1 0
PB 0 0 0 0 0 0 1
表2 TTC隶属度函数表
1/TTC(1/s) 0.05 0.15 0.225 0.275 0.36 0.45 1
NB 1 0 0 0 0 0 0
NM 0 1 0 0 0 0 0
NS 0 0 1 0 0 0 0
ZO 0 0 0 1 0 0 0
PS 0 0 0 0 1 0 0
PM 0 0 0 0 0 1 0
PB 0 0 0 0 0 0 1
表3 Q2隶属度函数表
Q2 5 10 15 20 25 50 100
NB 1 0 0 0 0 0 0
NM 0 1 0 0 0 0 0
NS 0 0 1 0 0 0 0
ZO 0 0 0 1 0 0 0
PS 0 0 0 0 1 0 0
PM 0 0 0 0 0 1 0
PB 0 0 0 0 0 0 1
表4 R隶属度函数表
R 7000 5000 3250 2250 1750 1250 750 500 350 250 100
NB 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
NM 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
NS 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0
NZ 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0
NO 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0
ZO 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0
PO 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0
PZ 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0
PS 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0
PM 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
PB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
示例性地，在以上隶属度函数的基础上，本发明根据如下的规则建立了模糊规则库：
-当所述预碰撞时间较大并且所述相对速度较小时，输出较小的Q2值和较大的R值；
-当所述预碰撞时间较小并且所述相对速度较小时，输出较小的Q2值和较小的R值；
-当所述预碰撞时间较大并且所述相对速度较大时，输出较大的Q2值和较大的R值；
-当所述预碰撞时间较小并且所述相对速度较大时，输出较大的Q2值和较小的R值。
基于以上模糊规则，可得出Q2和R如下形式(表5-6)的模糊规则库：
表5 Q2模糊规则库
Figure GDA0003092987970000071
表6R模糊规则库
Figure GDA0003092987970000072
通过模糊规则库首先得到Q2和R的模糊量，而后将该模糊规则库的模糊量进行精确化，从而得到合理的Q2和R的值。
图2示例性地示出了基于车辆纵向运动控制方法的车辆纵向运动控制***。示例性地能够看出，所述车辆纵向运动控制***包括
-环境传感器1，其例如包括雷达11和摄像头12，用以检测被控车辆和前部车辆的实际车距和前部车辆的车速；
-纵向运动控制单2，其包括LQR控制器21和下层控制器22，其中，LQR控制器用于实施前述的车辆纵向运动控制方法，而下层控制器用于执行LQR控制器所输出的期望加速度；
-车辆运动状态传感器，用以检测车辆的车速并且将其通过CAN线100输入给所述LQR控制器21，其中，环境传感器也将检测到的被控车辆和前部车辆的实际车距和前部车辆的车速通过CAN线100输入给所述LQR控制器21，其而后实施车辆纵向运动控制方法并且发送控制命令，用以对车辆的纵向运动进行控制；
-纵向控制开关4和人机交互接口5，驾驶员能够通过纵向控制开关对车辆的期望最大车速做出设定以及通过人机交互接口观测车辆的纵向运动状态，用以实现驾驶员对车辆纵向运动的监控和参与；以及-包括电子制动控制模块31和发动机控制模块32的执行器3，用以控制制动***和发动机执行下层控制器的输出命令。
以上例子主要说明了本公开的车辆纵向运动控制方法和基于该方法的车辆纵向运动控制***。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如要求保护的技术方案所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (10)

1.一种车辆纵向运动控制方法，包括
-将车辆的纵向运动的控制量设定为被控车辆的期望加速度ades，所述车辆的期望加速度包括被控车辆与前部车辆的期望安全距离和实际车距的差值Δd的比例环节以及被控车辆的期望车速与实际车速的差值Δv的比例环节，在此，Δd的比例环节的系数和Δv的比例环节的系数可以分别表示为k1和k2；
-根据被控车辆与前部车辆的实际车距和相对速度Vrel求出预碰撞时间TTC；
-将***的控制目标定义为如下的目标函数，所述目标函数为如下的无穷域积分项的最小值，其中所述积分项包括Δd的二次方的比例环节或Δv的二次方的比例环节以及ades的二次方的比例环节，在此，Δd的二次方的比例环节的、Δv的二次方的比例环节的以及ades的二次方的比例环节的系数可以分别表示为Q1，Q2以及R；
-利用模糊控制方法根据所述相对速度Vrel或相对距离和所述预碰撞时间TTC求出Q2或Q1以及R；
-利用Q2或Q1以及R的值求出k1、k2的值，用以得出车辆的期望加速度。
2.按照权利要求1所述的车辆纵向运动控制方法，其特征在于，所述车辆的期望加速度能够写成：
ades＝k1*Δd+k2*Δv+k，
其中，k可以为任一常数。
3.按照权利要求1所述的车辆纵向运动控制方法，其特征在于，所述目标函数能够写成：
Figure FDA0003092987960000011
其中，A可以为任一常数。
4.按照权利要求3所述的车辆纵向运动控制方法，其特征在于，选定Q1，利用模糊控制方法根据所述相对速度和所述预碰撞时间求出Q2以及R。
5.按照权利要求4所述的车辆纵向运动控制方法，其特征在于，利用Q2以及R通过Riccati方程求得k1和k2。
6.按照权利要求4所述的车辆纵向运动控制方法，其特征在于，所述模糊控制方法包括：
-分别标定Vrel、TTC、Q2以及R的隶属度函数；
-建立如下的模糊规则库，其中，依据TTC和Vrel的大小分别规定Q2以及R的大小。
7.按照权利要求6所述的车辆纵向运动控制方法，其特征在于，所述模糊规则库基于如下内容建立：
-当所述预碰撞时间较大并且所述相对速度较小时，输出较小的Q2值和较大的R值；
-当所述预碰撞时间较小并且所述相对速度较小时，输出较小的Q2值和较小的R值；
-当所述预碰撞时间较大并且所述相对速度较大时，输出较大的Q2值和较大的R值；
-当所述预碰撞时间较小并且所述相对速度较大时，输出较大的Q2值和较小的R值。
8.按照权利要求1至7中任一项所述的车辆纵向运动控制方法，其特征在于，在车辆行驶在弯道上时，利用传感器检测并且根据车辆纵向运动机理计算出被控车辆与前部车辆的弯道实际车距和相对速度。
9.一种车辆纵向运动控制***，包括
-环境传感器，用以检测被控车辆和前部车辆的实际车距和前部车辆的车速；
-纵向运动控制单元，在其中实施按照权利要求1至8中任一项所述的车辆纵向运动控制方法；
-车辆运动状态传感器，用以检测车辆的车速并且将其输入给所述纵向运动控制单元，
其中，环境传感器将检测到的被控车辆和前部车辆的实际车距和前部车辆的车速输入给所述纵向运动控制单元，所述纵向运动控制单元而后实施车辆纵向运动控制方法并且发送控制命令，用以对车辆的纵向运动进行控制。
10.按权利要求9所述的车辆纵向运动控制***，其特征在于，所述车辆纵向运动控制***还包括纵向控制开关和人机交互接口，驾驶员能够通过纵向控制开关对车辆的期望最大车速做出设定以及通过人机交互接口观测车辆的纵向运动状态，用以实现驾驶员对车辆纵向运动的监控和参与。
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