[发明专利]一种车辆纵向跟随控制方法

权利要求书

1.一种车辆纵向跟随控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据车辆在行驶过程中所受力以及车辆队列行驶中所受空气阻力，建立车辆非线性纵向动力学方程；

步骤二：使用所述步骤一建立的车辆非线性纵向动力学方程建立预测相邻前车未来速度的动力学方程；在每一时刻，根据相邻前车的当前速度以及当前发动机输出扭矩或制动主缸压力，预测相邻前车下一时刻的速度；

步骤三：建立非线性模型预测控制器，非线性模型预测控制器根据被控车辆当前速度、当前获取的道路信息、所述步骤二预测的相邻前车下一时刻速度，以被控车辆当前时刻的状态作为起点，同时根据步骤一所建立的车辆非线性纵向动力学方程，预测被控车辆与相邻前车未来一段时间内的状态变化，同时进行对优化问题的求解，决策出控制量，并作用于车辆系统，从而保证被控车辆与相邻前车速度一致并跟踪期望车间距；

所述步骤三的具体过程包括：

1)建立预测方程：

根据所述步骤一所建立的车辆纵向非线性动力学方程，对其进行离散化处理，建立预测方程如下：

其中S(k)和v(k)分别代表被控车辆的纵向位移的纵向速度，T为采样时间；F(k)为车辆驱动力或制动力；Cr为与路面滚动阻力系数μ相关的参数，Cr＝(1+k)v(k)；k为固定比例系数；A为车辆迎风面积，单位m²；ρ为空气密度，单位kg/m³；C_D(d_i)为空气阻力系数；d_i为第i辆车与前车的距离，i＝1,2,3........；θ为道路坡度，单位rad；

在求解优化问题的过程中，

选取控制量为驱动力或制动力与质量的比值：

其中，F(k)＝F_engine(k)/F_brake(k)，F_engine为车辆驱动力，F_brake为车辆制动力，m为车辆质量，单位kg；

选取状态量为车辆纵向速度以及位移：x(k)＝[v(k)S(k)]；

2)预测被控车辆与相邻前车未来动态：

根据所述第1)步建立的预测方程：

首先，相邻前车以当前时刻速度v_N-1(k)和当前时刻的位移S_N-1(k)作为预测起点，根据当前时刻相邻前车输出的发动机扭矩T_t(k)_N-1或制动主缸压力p_brake(k)_N-1确定预测时域内相邻前车的位移变化S_N-1(k+1|k)...S_N-1(k+i|k)(i＝1...N)；

其次，被控车辆以当前时刻速度v_N(k)以及当前时刻位移S_N(k)作为预测起点，以预测时域内每一步的非线性模型预测控制器输出u_N(k+1)...u_N(k+N)作为优化的独立变量，确定预测时域内被控车辆速度变化v_N(k+1|k)...v_N(k+i|k)和位移变化S_N(k+1|k)...S_N(k+i|k)；

在预测时域内根据被控车辆和相邻前车的位移的变化，可结合当前时刻车间距d₀(k)计算出预测时域内车间距离变化d(k+1|k)...d(k+N|k)(i＝1...N)；预测时域内的车间距离变化的计算可通过如下公式表示：

d(k+i|k)＝d₀(k)+S_N-1(k+i|k)-S_N(k+i|k)

其中，N为非线性模型预测控制器的预测步长，本发明中控制时域等于预测时域；

3)求解优化问题：

优化问题可表述为：

s.t.x(k+1)＝f(x(k),u(k))

v_min≤v(k+i)≤v_max

u¹_min≤u(k+i)≤u¹_max(u(k)＞0)

u²_min≤u(k+i)≤u²_max(u(k)＜0)

d_e(k)≤d(k+i)

其中，d_e(k)为期望车间距：

d_e(k)＝τv_N(k)-L

其中，τ为固定常数，单位为s；L为车身长度；v_max,v_min分别为速度约束的上限和下限；u¹_max,u¹_min分别为当控制量为驱动时控制量的上限和下限；u²_max,u²_min分别为控制量为制动时控制量的上限和下限；

方程x(k+1)＝f(x(k),u(k))代表所述第1)步所建立的预测方程；

在优化问题中，优化函数包括对预测时域内被控车辆速度v_N(k+1|k)…v_N(k+N|k)与相邻前车下一时刻速度v^*_N-1(k)偏差的累加，以及预测时域相邻前车与被控车辆之间的车间距d(k+1|k)...d(k+N|k)与期望车间距d_e(k)偏差的累加，并通过求解优化算法，使在预测时域内的累加值达到最小，从而控制被控车辆跟踪相邻前车并保持期望车间距。