本發(fā)明屬于車輛跟蹤安全駕駛，具體涉及一種基于車輛模型的預(yù)設(shè)時間跟蹤控制方法。

背景技術(shù)：

0、技術(shù)背景

1、近年來，隨著智能交通系統(tǒng)的快速發(fā)展，交通擁堵問題都在面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在車輛長期駕駛循環(huán)中，與同車道的車輛保持較小的安全的車間距并跟隨前車行駛，從而有效地提高交通效率，緩解交通擁堵問題。車輛的穩(wěn)定性包括內(nèi)部穩(wěn)定性與弦穩(wěn)定性。內(nèi)部穩(wěn)定性要求任何單個車輛與其前一車輛保持所需的距離，弦穩(wěn)定性可防止車間距誤差沿車隊(duì)進(jìn)行增加。

2、對于車輛穩(wěn)定性的研究中，除了車輛跟蹤穩(wěn)定性之外，誤差的收斂速度通常是衡量性能的另一個重要指標(biāo)。針對誤差收斂速度的問題，目前的研究成果確實(shí)難以獲得快速收斂性能，通常只能得到漸進(jìn)穩(wěn)定，即時間趨于無窮時的穩(wěn)定狀態(tài)。而實(shí)際工業(yè)中，需要在短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)誤差收斂，因此，設(shè)計(jì)合理的車間距，從而保持車輛短時間內(nèi)的穩(wěn)定性變得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于車輛模型的預(yù)設(shè)時間跟蹤控制方法，在考慮跟車過程中跟隨車受到的空氣阻力、坡道阻力、滾動阻力的基礎(chǔ)上，最大限度的在規(guī)定的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)跟隨車輛的運(yùn)動狀態(tài)與前車的運(yùn)動狀態(tài)之間整體的穩(wěn)定性，也就是跟隨車應(yīng)當(dāng)在預(yù)設(shè)時間內(nèi)保持與前車一致的速度來保證安全車距行駛，同時實(shí)現(xiàn)后車的位置跟蹤誤差在預(yù)設(shè)時間內(nèi)收斂到零附近的一個領(lǐng)域內(nèi)，確保后車準(zhǔn)確跟隨前車。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：基于車輛模型的預(yù)設(shè)時間跟蹤控制方法，包括以下步驟：

3、步驟s1：建立跟隨車輛的縱向動力學(xué)模型并給出理想的跟車距離；

4、步驟s2：分析影響跟車安全的主要因素，合理設(shè)計(jì)跟隨車?yán)硐敫嚹Ｐ停?/p>

5、步驟s3：針對動態(tài)交通狀況，設(shè)計(jì)觀測器對路面工況進(jìn)行觀測并設(shè)計(jì)補(bǔ)償控制器對跟隨車進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，使其能夠適應(yīng)不同的路面情況和外界干擾；

6、步驟s4：在非線性車輛動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，以反步法為框架，結(jié)合預(yù)設(shè)時間控制理論、楊不等式等多種不等式技術(shù)設(shè)計(jì)基于理想車距的預(yù)設(shè)時間控制器以實(shí)現(xiàn)對前車車輛位置與速度的跟蹤。

7、步驟s5：依據(jù)車輛硬件參數(shù)，選定合適跟車工況，設(shè)計(jì)適當(dāng)控制器參數(shù)，通過matlab仿真驗(yàn)證所發(fā)明的控制的有效性、魯棒性和快速跟隨性。

8、優(yōu)選的，步驟s1的建立跟隨車輛的縱向動力學(xué)模型并給出理想的跟車距離包括：

9、(1)建立跟隨車輛縱向動力學(xué)模型：

10、

11、其中，xf、mf、vf分別表示跟隨車的位置、質(zhì)量與速度；ft表示車輛的牽引力，fa表示車輛行駛過程中的空氣阻力，fr為車輛的滾動阻力，fg為車輛的坡道阻力；同時，空氣阻力與車輛行駛的速度vf、空氣的密度ρ、空氣阻力系數(shù)cd和迎風(fēng)面積a密切相關(guān)。跟車過程中跟隨車的空氣阻力、坡道阻力、滾動阻力分別表示為：

12、

13、式中，fr表示滾動阻力系數(shù)，g表示重力加速度，θ為道路的坡度。

14、因此，車輛的縱向動力學(xué)模型最終可寫為：

15、

16、式中，ε＝frcosθ+sinθ，b＝g。路面的情況和道路的坡度用ε表示，并將其設(shè)為車輛跟蹤系統(tǒng)的擾動項(xiàng)。

17、(2)理想的跟車距離：

18、假設(shè)理想的跟車距離為

19、d＝xp-xf-lf???(4)

20、式中，d為理想的跟車距離(在當(dāng)前車速制動下不與前車相撞的最小車間距)，lf為跟隨車的車身長度。

21、優(yōu)選的，步驟s3中針對實(shí)際的交通狀況，設(shè)計(jì)觀測器對路面工況進(jìn)行觀測并設(shè)計(jì)補(bǔ)償控制器對跟隨車進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，方法如下：

22、(1)構(gòu)造觀測器：由于路面交通情況不可測，設(shè)計(jì)相關(guān)觀測器對跟隨車輛縱向動力學(xué)模型中的不可測狀態(tài)進(jìn)行觀測和估計(jì)，使其能夠適應(yīng)不同的路面情況和外界干擾，觀測器用表示。

23、(2)構(gòu)造補(bǔ)償控制器獲得補(bǔ)償后的目標(biāo)系統(tǒng)：補(bǔ)償控制器的作用主要是對跟隨車進(jìn)行動態(tài)調(diào)整以克服車輛行駛時路面阻力對車輛行駛速度和牽引力的影響，從而提高車輛行駛的安全性和穩(wěn)定性。

24、定義帶有觀測器的輔助變量：

25、

26、式中，a0>0為觀測器增益，表示跟蹤系統(tǒng)擾動項(xiàng)ε的估計(jì)值。

27、由于牽引力ft與預(yù)設(shè)時間控制器輸出fu和克服路面阻力的補(bǔ)償控制有關(guān)，因此可以表示為

28、構(gòu)造補(bǔ)償控制器fε，并給出觀測器的估計(jì)誤差結(jié)合牽引力ft、補(bǔ)償控制器fε和觀測器估計(jì)誤差獲得不可測變量觀測后和補(bǔ)償控制器補(bǔ)償后的目標(biāo)系統(tǒng)，即：

29、

30、優(yōu)選的，在步驟s3中，在非線性車輛動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，以反步法為框架，結(jié)合預(yù)設(shè)時間控制理論、楊不等式等多種不等式技術(shù)設(shè)計(jì)，基于理想車距的預(yù)設(shè)時間控制器以實(shí)現(xiàn)對前車車輛位置與速度的跟蹤，其方法如下：

31、(1)在反步法的第一步，針對觀測和補(bǔ)償后的目標(biāo)系統(tǒng)的第一個子系統(tǒng)給出坐標(biāo)變換z1＝xf-d；定義lyapunov函數(shù)并結(jié)合坐標(biāo)變換對其求導(dǎo)；引入虛擬控制器α，定義虛擬誤差變量z2＝vf-α，根據(jù)lyapunov函數(shù)的一階導(dǎo)函數(shù)獲得虛擬控制器α的表達(dá)式。

32、(2)在反步法的第二步，針對觀測和補(bǔ)償后的目標(biāo)系統(tǒng)的第二個子系統(tǒng)構(gòu)造lyapunov函數(shù)結(jié)合虛擬誤差變量z2＝vf-α對lyapunov函數(shù)v2求導(dǎo)，構(gòu)造相應(yīng)的實(shí)際預(yù)設(shè)時間控制器。

33、(3)將反步法每一步中構(gòu)造的控制器代入lyapunov函數(shù)驗(yàn)證其是否滿足預(yù)設(shè)時間穩(wěn)定理論若證明所設(shè)計(jì)的控制器滿足預(yù)設(shè)時間穩(wěn)定定理，則跟隨車可在預(yù)設(shè)時間內(nèi)在安全車距下保持與前車一致的速度行駛，同時實(shí)現(xiàn)后車的位置跟蹤誤差在預(yù)設(shè)時間內(nèi)收斂。

34、根據(jù)以上步驟就可以實(shí)現(xiàn)道路上后車對前車在規(guī)定時間內(nèi)的安全跟蹤，且跟蹤誤差收斂到原點(diǎn)附近的小鄰域內(nèi)。

35、采用本技術(shù)方案的有益效果：

36、1.本發(fā)明基于車輛縱向動力學(xué)模型，結(jié)合預(yù)設(shè)時間控制理論，提出一種預(yù)設(shè)時間跟蹤控制算法，保證跟蹤穩(wěn)定性與位置跟蹤誤差收斂性，即跟隨車在預(yù)設(shè)時間內(nèi)保持與前車一致的速度，位置跟蹤誤差在預(yù)設(shè)時間內(nèi)收斂到零附近的一個鄰域內(nèi)，從而保證跟蹤控制的穩(wěn)定性和精度。

37、2.本發(fā)明針對實(shí)際的交通狀況，設(shè)計(jì)觀測器對路面工況(如跟車過程中跟隨車受到的空氣阻力、坡道阻力、滾動阻力等不可測環(huán)境因素)進(jìn)行觀測并設(shè)計(jì)補(bǔ)償控制器對跟隨車進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，使其能夠適應(yīng)不同的路面情況和外界干擾，從而提高車輛行駛的安全性和穩(wěn)定性。

38、3.本發(fā)明在反步法的框架下結(jié)合預(yù)設(shè)時間穩(wěn)定理論設(shè)計(jì)控制器實(shí)現(xiàn)在給定時間內(nèi)車輛的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)跟蹤。預(yù)設(shè)時間控制相比于固定時間控制，擁有更加緊湊的收斂區(qū)間，可以在任意指定的時間范圍內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，避免了穩(wěn)定時間上界由于理論分析的保守型和復(fù)雜性與實(shí)際穩(wěn)定時間差距過大的問題。

技術(shù)特征：

1.一種基于車輛模型的預(yù)設(shè)時間跟蹤控制方法，主要包括以下步驟：首先，建立跟隨車輛的縱向動力學(xué)模型并給出理想的跟車距離；其次，針對實(shí)際的交通狀況，設(shè)計(jì)觀測器對路面工況進(jìn)行觀測并設(shè)計(jì)補(bǔ)償控制器對跟隨車進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，使其能夠適應(yīng)不同的路面情況和外界干擾；最后，在非線性車輛動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，以反步法為框架，結(jié)合預(yù)設(shè)時間控制理論、楊不等式等多種不等式技術(shù)設(shè)計(jì)基于理想車距的預(yù)設(shè)時間控制器以實(shí)現(xiàn)對前車車輛位置與速度的跟蹤。具體而言包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于車輛模型的預(yù)設(shè)時間跟蹤控制方法，其特征在于，步驟s1的建立跟隨車輛的縱向動力學(xué)模型并給出理想的跟車距離包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于車輛模型的預(yù)設(shè)時間跟蹤控制方法，其特征在于，步驟s3中針對實(shí)際的交通狀況，設(shè)計(jì)觀測器對路面工況進(jìn)行觀測并設(shè)計(jì)補(bǔ)償控制器對跟隨車進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，方法如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于車輛模型的預(yù)設(shè)時間跟蹤控制方法，其特征在于，在步驟s4中，在非線性車輛動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，以反步法為框架，結(jié)合預(yù)設(shè)時間控制理論、楊不等式等多種不等式技術(shù)設(shè)計(jì)基于理想車距的預(yù)設(shè)時間控制器以實(shí)現(xiàn)對前車車輛位置與速度的跟蹤，其方法如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于車輛模型的預(yù)設(shè)時間跟蹤控制方法，其特征在于，在步驟s5中，適當(dāng)選取跟隨車參數(shù)及交通路況參數(shù)，選定車輛跟隨時間，通過matlab軟件編程和仿真確認(rèn)所獲取結(jié)果的有效性。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種基于車輛模型的預(yù)設(shè)時間跟蹤控制方法，旨在提升車輛跟車下的響應(yīng)速率，減少車輛跟隨下的“幽靈車輛”問題，提升交通通行效率。本發(fā)明在考慮跟車過程中跟隨車受到的空氣阻力、坡道阻力、滾動阻力的基礎(chǔ)上，將預(yù)設(shè)時間控制理論與車輛跟蹤控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)控制器實(shí)現(xiàn)安全車距內(nèi)車輛的跟蹤控制。該控制器需要滿足跟蹤穩(wěn)定性和位置跟蹤誤差收斂性兩個要求，即在車輛跟蹤控制過程中，需要保證跟隨車輛的運(yùn)動狀態(tài)與前車的運(yùn)動狀態(tài)之間存在穩(wěn)定的關(guān)系，也就是跟隨車應(yīng)當(dāng)在預(yù)設(shè)時間內(nèi)保持與前車一致的速度以保證安全車距行駛，同時實(shí)現(xiàn)后車的位置跟蹤誤差在預(yù)設(shè)時間內(nèi)收斂到零附近的一個領(lǐng)域內(nèi)，確保后車準(zhǔn)確跟隨前車。

技術(shù)研發(fā)人員：王楠,陶發(fā)展,王志凱,朱龍龍,付主木,王俊,王桐,冀保峰,張平,何靜,張冀,孫力帆,張高遠(yuǎn),李夢楊,張中才
受保護(hù)的技術(shù)使用者：河南科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6