一種車輛多目標協(xié)調換道輔助自適應巡航控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種車輛多目標協(xié)調換道輔助自適應巡航控制方法，包括以下步驟：1）根據兩前車跟蹤性、多車運動安全性和縱向駕駛舒適性需求，設定LCACC綜合性能指標，LCACC綜合性能指標包括代價函數和I/O約束；①LCACC代價函數的設定：a）利用自車與兩輛前車的車距誤差和車速誤差的二范數線性組合建立跟蹤性代價函數；b）利用約束縱向加速度建立舒適性代價函數；②LCACC?I/O約束的設定：a）在跟蹤性能方面，利用駕駛員實驗數據統(tǒng)計得到用于限制車速誤差和車距誤差的駕駛員容許的跟車誤差約束；b）在安全性能方面，從跟車和避撞的角度出發(fā)，約束自車與周邊多車輛之間安全距離；c）在舒適性能方面，約束期望縱向加速度取值范圍；2）建立多目標協(xié)調優(yōu)化控制問題，采用滾動時域優(yōu)化算法求解，得到最優(yōu)控制量，實現優(yōu)化控制。
【專利說明】一種車輛多目標協(xié)調換道輔助自適應巡航控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種車輛縱向動力學控制方法，特別是關于一種基于模型預測控制理論的車輛多目標協(xié)調換道輔助自適應巡航控制方法。
【背景技術】
[0002]作為駕駛輔助系統(tǒng)(DAS, Driver Assistance Systems)的典型代表之一，自適應巡航控制系統(tǒng)(ACC, Adaptive Cruise Control System)能夠提升行駛安全、改善交通擁堵和緩解駕駛疲勞，已經得到研究機構和汽車企業(yè)的廣泛認可與關注。但是現有ACC系統(tǒng)的研究主要基于直線行駛開展，在換道駕駛下，現有ACC系統(tǒng)表現出一定的局限性，甚至對車輛正常駕駛造成干擾。例如:在接近前車工況下，當駕駛員執(zhí)行換道時，常規(guī)ACC系統(tǒng)無法識別換道意圖，繼續(xù)跟隨原始車道前車行駛，從而對駕駛員的換道行為造成干擾，增加駕駛員對系統(tǒng)的干預頻率。
[0003]換道過程存在自車與兩輛前車之間的跟蹤性、自車與周邊多車輛之間的安全性和駕駛員縱向感受舒適性這三個方面的多目標協(xié)調優(yōu)化問題，現有ACC無法滿足這一需求，其中，跟蹤性問題體現在:換道開始之前，常規(guī)ACC的跟車目標為原始車道前車；換道開始后，常規(guī)ACC仍以原始車道前車為唯一跟車目標，對駕駛員換道意圖造成阻礙；跨道過程中，常規(guī)ACC突然改變跟車目標，不僅導致期望加速度發(fā)生突變，而且使駕駛員產生不舒適感；換道結束后，常規(guī)ACC由于較晚考慮與目標車道前車的跟車控制，需要較長時間調整與目標車道前車的跟車關系。安全性問題體現在:換道過程中，換道車輛本身的狀態(tài)波動將對原始車道和目標車道的前車和后車造成一定干擾，有可能引發(fā)追尾事故。舒適性問題體現在:當ACC輸出的加速度絕對值較大時，駕駛員會產生不舒適感。針對常規(guī)ACC阻礙換道的問題，已有學者提出為常規(guī)ACC系統(tǒng)增設自動換道功能，但是自動換道涉及橫向動力學，需要對方向盤進行控制，與ACC的系統(tǒng)結構和控制算法差異較大；另外，自動換道僅僅是控制單車輛完成換道行為，缺乏考慮換道車輛與周邊多車輛之間的運動協(xié)調，難以保障換道安全。

【發(fā)明內容】

[0004]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠實現換道過程中自車與兩輛前車之間的跟蹤性、自車與周邊多車輛之間的安全性以及駕駛員縱向感受舒適性三個方面協(xié)調優(yōu)化的車輛多目標協(xié)調換道輔助自適應巡航控制方法。
[0005]為實現上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案:一種車輛多目標協(xié)調換道輔助自適應巡航控制方法，其包括以下步驟:1)建立自車動力學模型、旁車動力學模型以及駕駛員期望跟車模型；2)根據兩前車跟蹤性、多車運動安全性和縱向駕駛舒適性的需求目標，設定LCACC的綜合性能指標，其中，LCACC的綜合性能指標包括代價函數和I/O約束LCACC代價函數的設定:a)利用自車與兩輛前車的車距誤差和車速誤差的二范數線性組合建立跟蹤性代價函數；b)利用約束縱向加速度建立舒適性代價函數；@LCACCI/0約束的設定:a)在跟蹤性能方面，利用駕駛員實驗數據統(tǒng)計得到用于限制車速誤差和車距誤差的駕駛員容許的跟車誤差約束；b)在安全性能方面，從跟車和避撞的角度出發(fā)，約束自車與周邊多車輛之間的安全距離；c)在舒適性能方面，約束期望縱向加速度的取值范圍；3)建立多目標協(xié)調優(yōu)化控制問題，采用滾動時域優(yōu)化算法求解多目標協(xié)調優(yōu)化控制問題，得到最優(yōu)控制量，實現優(yōu)化控制。
[0006]所述步驟3)建立多目標協(xié)調優(yōu)化控制問題，采用滾動時域優(yōu)化算法求解多目標協(xié)調優(yōu)化控制問題，得到最優(yōu)控制量，包括以下步驟:①獲得自車和周邊車輛的運動狀態(tài)信息，并將其發(fā)送到自車控制器利用線性加權和法將跟蹤性代價函數和舒適性代價函數轉化為整體代價函數:
[0007]Lindex = Ltra+Lcom ；
[0008]式中，Ltra表示跟蹤性代價函，Lcoffl表示舒適性代價函數；
[0009]③將所有I/O約束轉化為與系統(tǒng)預測時域輸入向量相關的約束條件；
[0010]AuU ^ bu
[0011]式中，Au為約束不等式的系數矩陣，U為系統(tǒng)預測時域輸入向量，b?為約束不等式的常數項矩陣；④結合LCACC代價函數和I/O約束的數學形式，建立多目標協(xié)調優(yōu)化控制問題:
[0012]min Lindex
[0013]Subj.to:
[0014]AuUSbu
[0015]⑤采用約束管理法軟化硬約束,選擇Dantizig-wolfe有效集法,求解多目標協(xié)調優(yōu)化控制問題，得到最優(yōu)控制量為:
[0016]U = arg min Lindex
[0017]Subj.to:
[0018]AuU ^ bu
[0019]⑥提取最優(yōu)控制量的首個元素U (0)，將其輸入自車的車輛模型中，得到期望的最優(yōu)油門控制量aL(0)和最優(yōu)制動壓力控制量，并將其分別輸入發(fā)動機電控ECU和電
控輔助制動裝置，實現對自車驅動和制動的優(yōu)化控制。
[0020]跟蹤性代價函數的表達式為:
【權利要求】
1.一種車輛多目標協(xié)調換道輔助自適應巡航控制方法，其包括以下步驟: 1)建立自車動力學模型、旁車動力學模型以及駕駛員期望跟車模型； 2)根據兩前車跟蹤性、多車運動安全性和縱向駕駛舒適性的需求目標，設定LCACC的綜合性能指標，其中，LCACC的綜合性能指標包括代價函數和I/O約束； ①LCACC代價函數的設定:a)利用自車與兩輛前車的車距誤差和車速誤差的二范數線性組合建立跟蹤性代價函數；b)利用約束縱向加速度建立舒適性代價函數； ②LCACCI/0約束的設定:a)在跟蹤性能方面，利用駕駛員實驗數據統(tǒng)計得到用于限制車速誤差和車距誤差的駕駛員容許的跟車誤差約束；b)在安全性能方面，從跟車和避撞的角度出發(fā)，約束自車與周邊多車輛之間的安全距離；c)在舒適性能方面，約束期望縱向加速度的取值范圍； 3)建立多目標協(xié)調優(yōu)化控制問題，采用滾動時域優(yōu)化算法求解多目標協(xié)調優(yōu)化控制問題，得到最優(yōu)控制量，實現優(yōu)化控制。
2.如權利要求1所述的一種車輛多目標協(xié)調換道輔助自適應巡航控制方法，其特征在于:所述步驟3)建立多目標協(xié)調優(yōu)化控制問題，采用滾動時域優(yōu)化算法求解多目標協(xié)調優(yōu)化控制問題，得到最優(yōu)控制量，包括以下步驟: ①獲得自車和周邊車輛的運動狀態(tài)信息，并將其發(fā)送到自車控制器； ②利用線性加權和法將跟蹤性代價函數和舒適性代價函數轉化為整體代價函數:

3.如權利要求1~2任一項所述的一種車輛多目標協(xié)調換道輔助自適應巡航控制方法，其特征在于:跟蹤性代價函數的表達式為:
4.如權利要求1~3任一項所述的一種車輛多目標協(xié)調換道輔助自適應巡航控制方法，其特征在于:舒適性代價函數的表達式為:
5.如權利要求1~4任一項所述的一種車輛多目標協(xié)調換道輔助自適應巡航控制方法，其特征在于:跟蹤性方面的I/O約束表達式為:
A (Iniin ( A dloh (k+i I k) ^ A dmax
A dmin ( A dldh (k+i | k) ^ A dmax
A Vmin ^ A Vioh (k+i I k) ^ A vmax
A Vmin ( A Vidh (k+i I k) ^ A Vmax 式中，(k+i|k)表示利用k時刻信息對k+i狀態(tài)進行預測，dmin表示車距誤差的最小值，dmax表示車距誤差的最大值,Vmin表示車速誤差的最小值,Vmax表示車速誤差的最大值，A dloh表示基于原始車道前車的車距誤差，Adldh表示基于目標車道前車的車距誤差，A v1A表示基于原始車道前車的車速誤差，△ Vldh表示基于目標車道前車的車速誤差。
6.如權利要求1~5任一項所述的一種車輛多目標協(xié)調換道輔助自適應巡航控制方法，其特征在于:安全性方面的I/O約束的表達式為:
dsloh (k+i+1 k)≥ max( x THfflovh (k+i+1 k), x TTC1。(vh (k+i+1 k) -vlo (k+i+1 k)))
dsidh (k+i+1 k)≥ max( x THffldvh (k+i+1 k), x TTCld(vh (k+i+1 k) -vld (k+i+1 k)))
dsroh (k+i+11 k)≥ max ( x THffrovro (k+i+1 k), x TTCro (vro (k+i+11 k) _vh (k+i+11 k)))
dSrdh (k+i+1 k)≥ max( x THffrdvrd (k+i+1 k), x TTCrd (vrd (k+i+1 k) -vh (k+i+1 k))) 式中，(k+i+11 k)表不利用k時刻彳目息對k+i+1狀態(tài)進行預測，dsloh、dsldh、dsroh和dsrdh分別為自車與各車輛的安全跟車距離， T THWlo、T THWld、T THWro 和 T THWrd 分別為基于各車輛的安全跟車時距，TTTa。、T ncld> TTT&。和T TT&d分別為基于各車輛的安全避撞時間，Vh、Vl。、Vld、Vro和Vri分別為各車輛速度。
7.如權利要求1~6任一項所述的一種車輛多目標協(xié)調換道輔助自適應巡航控制方法，其特征在于:舒適性方面的I/O約束的表達式為:
Uniin ( U (k+i+11 k) ( Umax式中，(k+i + 1 I k)表示利用k時刻信息對k+i + 1狀態(tài)進行預測，U表示自車的縱向加速度，Umin表示加速度最小值， Umax表示加速度最大值。
【文檔編號】B60W30/14GK103754224SQ201410033746
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權日:2014年1月24日
【發(fā)明者】黨睿娜, 李克強, 王建強, 李升波, 謝伯元, 趙樹連, 秦曉輝, 李曉飛, 張放, 丁潔云 申請人:清華大學