一种有效抑制发动机输出过载的自主车辆队列控制方法与流程

本发明属于车辆自主驾驶领域，具体涉及一种有效抑制发动机输出过载的自主车辆队列控制方法。

背景技术：

自主车辆的队列行驶以其能有效提高公路容量，减少交通事故等优势，成为目前自动化高速公路系统的热点研究领域。自主车辆队列控制，是将进入道路的车辆组成车队，并维持一定的队形自动驾驶，在通过无线网络和车载传感器获取周围车辆运动信息的基础上，产生控制命令实现车辆对前车的自动跟随，并且使车距始终保持在安全的范围内。但是在不同的初始误差，尤其是较大的初始误差条件下，车辆队列为了达到期望的目标，致使发动机的输出需求提升，从而会导致发动机输出过载现象，即实际的发动机输出无法达到期望的发动机输出。同时，控制律的增益会影响实现期望目标的时间，从而影响发动机在有限时间内的能量输出，若控制增益过大，发动机需要在短时间内输出足够大的能量，导致发动机输出过载现象。发动机过载更容易形成积碳，使排放超标，引发各类的汽车问题，发动机的动力、噪音、油耗等各方面也会受到影响。另外，发动机过载，导致目标误差增大，如处理不及时，会造成误差积累，使得对发动机的输出需求提升，从而导致目标误差进一步增大，进而形成恶性循环，导致发动机控制失效。

目前对车辆队列控制中发动机过载的研究主要采用以下几种方法：

(1)借鉴多智能体编队的思路来解决车辆队列控制问题。该方法虽然可以实现多个车辆的队列行驶，并且通过限幅函数来抑制发动机过载现象。但是该种方法大多基于车辆的线性化模型进行研究，与车辆的真实动力学模型不符。事实上，车辆的动力学具有高度非线性特性，其主要是由于车辆运行过程中受到的不确定运行阻力造成的。

(2)借鉴信息一致性思想来实现车辆的队列控制，通过设计饱和函数直接抑制发动机过载现象。然而，该种方法仅能抑制短暂的过载现象，如果过载时间加长，如处理不及时，会造成误差积累，使得对发动机的输出需求提升，从而导致目标误差进一步增大，进而形成恶性循环，导致发动机控制失效。

(3)通过级联的方式来解决自主车辆的队列控制问题，该种方法很好的将单个车辆控制的思路拓展到车辆队列控制中，可以实现基于非线性模型的车辆编队控制。但是目前采用该种方式所设计的控制方法均采用饱和函数来抑制发动机输出过载的现象，会导致误差信号累积放大，控制效果并不理想。

以下是申请人检索的相关参考文献：

【1】yanm，tangy，yangp，etal.consensusbasedplatoonalgorithmforvelocity-measurement-absentvehicleswithactuatorsaturation[j].journalofadvancedtransportation，2017，2017，1-8。

【2】yanm，songj，yangp，etal.distributedadaptiveslidingmodecontrolforvehicleplatoonwithuncertaindrivingresistance[c]//201736thchinesecontrolconference(ccc).ieee，2017，9396-9400。

【3】关威，梁鹏，高瀚斐，基于执行器饱和双轮平衡车的容错控制[j].沈阳航空航天大学学报，2015，32(4)：67-70。

【4】汤淑明，章凡寿，李朋等，一种车辆编队形成的方法，cn106600952a[p].2017。

技术实现要素：

针对上述现有技术在发动机输出过载时对汽车造成危害或导致控制器失效的技术问题，本发明的目的在于，提供一种有效抑制发动机输出过载的自主车辆队列控制方法。

为了实现上述任务，本方案采用如下的技术解决方案：

一其特征在于，该方法首先进行车辆运动的动力学分析，建立车辆动力学模型，该模型为非线性模型；然后，通过v2v(vehicle-to-vehicle)方式进行车辆之间的信息传递，所述信息是位置、速度和加速度，每辆车仅与其前后车辆进行信息交互，进而通过级联的方式构建车辆队列系统；其次，设计饱和函数对发动机的输出进行限定，并生成新的过载误差信号，进而设计饱和误差反馈控制律，抑制发动机输出过载带来的误差累积；最后利用设计的饱和误差反馈控制律与自适应控制技术实现了自主车辆队列控制方法，该方法可以有效抑制发动机输出过载问题。

具体按下列步骤实施：

(1)建立车辆非线性动力学模型；

(2)构建车辆队列；通过前后车辆级联的方式生成车辆队列系统，车辆之间通过v2v的方式进行信息交互，所述信息是位置、速度和加速度，每辆车仅与其前后车辆进行信息交互；即第一辆车获取第二辆车的信息，第i辆车获取第(i-1)和(i+1)辆车的信息；

(3)考虑发动机输出过载带来的过载误差，构建过载误差信号；

(4)设计过载误差信号反馈控制律，抑制发动机输出过载时带来的误差累积；

(5)利用设计的饱和误差反馈控制律与自适应控制技术实现了自主车辆队列控制方法，该方法可以有效抑制发动机输出过载问题。

根据本发明，所述的抑制发动机输出过载带来的误差累积的具体过程为，当发动机输出过载时，会导致目标误差随之增大，无法有效实现自主车辆队列控制，但是饱和误差反馈控制律可以保证过载误差信号不会随着目标误差的增加而瞬间增加。

本发明的有效抑制发动机输出过载的自主车辆编队控制方法，在发动机出现过载现象时，可以保证期望的车辆队列控制效果。

附图说明

图1是队列车辆的速度曲线；

图2是队列车辆的位置曲线；

图3是队列车辆的间距曲线；

图4是队列车辆的速度跟踪误差曲线；

图5是队列车辆的发动机输出曲线；

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本实例给出一种有效抑制发动机输出过载的自主车辆队列控制方法，首先进行车辆运动的动力学分析，考虑车辆运行受到的各种阻力，建立实际的车辆动力学模型，该模型为非线性模型；然后，通过v2v(vehicle-to-vehicle)方式进行车辆之间的信息传递，所述信息是位置、速度和加速度，每辆车仅与其前后车辆进行信息交互，进而通过级联的方式构建车辆队列系统；其次，设计饱和函数对发动机的输出进行限定，并生成新的过载误差信号，进而设计新的饱和误差反馈控制律，抑制发动机输出过载带来的误差累积；最后利用设计的饱和误差反馈控制律与自适应控制技术实现了自主车辆队列控制方法，该方法可以有效抑制发动机输出过载问题。

本实例给出有效抑制发动机输出过载的自主车辆队列控制方法，主要的技术点在于设计新的饱和误差反馈控制律，其重要性在于，抑制当发动机输出过载时来的误差累积，具体表征为当发动机输出过载时，会导致目标误差随之增大，无法有效实现自主车辆队列控制，但是饱和误差反馈控制律可以保证过载误差信号不会随着目标误差的增加而瞬间增加。

具体实施步骤是：

step1：建立车辆动力学模型；

其中，w代表车轮的法向载荷，k称为滚动阻力系数，cd为空气阻力系数，a表示迎风面积，ρ代表迎风面积，g描述车辆的重力，α表示坡道与水平面的夹角。

step2：生成控制目标信号ei＝ri-ri-1，其中，ri表示第i辆车的位置信息；

step3：构建中间滑动模信号并通过前后通信的方式将独立的车辆连接起来，车辆之间通过v2v的方式进行信息交互，所述信息是位置、速度和加速度，即第一辆车获取第二辆车的信息，第i辆车获取第(i-1)和(i+1)辆车的信息；

si＝βisi-si+1(2)

step4：定义过载误差信号δi＝si-φi；其中φi由设计过载误差信号反馈控制律获取；

设计新的饱和误差反馈控制律，其重要性在于抑制当发动机输出出现过载现象时带来的误差累积，具体表征为，当发动机输出过载时，即(ui0(t)-ui(t))≠0时，车辆将无法到达期望的控制目标，从而导致目标误差ei＝ri-ri-1放大。通过过载误差反馈控制律可以保证过载误差信号不会随着目标误差的增加而瞬间增加，其主要原因是由于采用了过载误差反馈控制律可以在目标误差增大时而增大，从而导致新的目标误差信号δi＝si-φi不会快速增加，从而保证控制性能有效的避免现有方式带来的弊端。

step5：将过载误差信号反馈控制律与自适应控制结合，实现了一种可以抑制发动机输出过载的自主车辆队列控制方式，即：

ui(t)＝sat(umin,ui,umax)(4)

其中，

具体应用实例：

实例1：设定期望的车辆队列运行速度轨迹

设置如表1所列的控制参数：

表1：控制参数

图1是车辆的速度曲线，所有车辆可以很好的跟踪期望的速度；图2是车辆的位置曲线，可以看出车辆之间没有碰撞并保持安全运行；图3是车辆的间距曲线，从图中可以看出辆车之间的距离收敛到安全的期望值；图4是车辆的速度跟踪误差曲线，可以看出速度跟踪误差收敛至0，达到期望的效果；图5是车辆的发动机输出曲线，从图中可以看出，发动机的输出被限制在其有效的输出范围内，当其出现过载现象时，发动机能够良好的运行并实现期望的编队效果(图1～4)。