一种高速公路重型卡车队列行驶中车辆纵向跟随控制方法与流程

本发明涉及一种提升高速公路重型卡车队列中车辆跟随性能的方法，具体的说是一种高速公路重型卡车队列行驶中车辆纵向跟随控制方法。

背景技术：

高速公路重型卡车运输作为一种重要的交通运输形式在世界经济的发展中占有重要地位。重型卡车在高速行驶的状态下，约有53％的燃油消耗用于克服空气阻力。为了提高高速公路重型卡车运输的燃油经济性和道路的潜在容量，重型卡车列队行驶控制被逐渐提出并受到了广泛关注。

重型卡车队列控制目标是控制队列中所有车辆保持相同速度行驶和控制相邻两车之间保持期望的车间距。目前，针对重型卡车队列行驶控制已经有大量的研究工作，但仍存在一些不足之处，大部分现有各种控制方案中，每一时刻，队列中车辆控制器以跟踪相邻前车当前的速度和保持期望的车间距为控制目标，决策出控制量作用于车辆，经传动系后使车辆速度发生改变，但在这个过程中，相邻前车的控制器也已经决策出控制量，使相邻前车的速度从当前时刻向下一时刻发生改变，这将会导致相邻前后车的速度始终存在一定偏差，并随着时间的不断增长，误差的累积会逐渐增大，同时存在道路坡度，风速变化引起的扰动，这都会对队列行驶造成影响。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种高速公路重型卡车队列行驶中车辆纵向跟随控制方法，基于鲁棒控制理论，根据获得的当前道路信息并考虑道路坡度、传动系延迟，风速以及前车加速度变化引起的扰动，以控制队列中车辆与相邻前车辆保持相同速度并保持期望车间距离为控制目标，设计鲁棒控制器，优化求解控制量并作用于被控车辆，有效减少了队列中相邻前后车速度的稳态误差以及干扰的影响，提升队列行驶的鲁棒性能。

本发明通过以下技术方案实现的：

一种高速公路重型卡车队列行驶中车辆纵向跟随控制方法，包括以下步骤：

步骤一：根据车辆在行驶过程中受力情况，建立车辆纵向逆动力学方程，并考虑道路坡度、传动系延迟、风速以及前车加速度这些不确定因素对车辆的影响，提取出不确定项；

步骤二：使用所述步骤一建立的车辆纵向动力学方程建立系统的状态方程，选取两车的相对速度和两车的距离偏差作为系统的性能输出；

步骤三：根据步骤二建立的系统的状态方程，设计一个鲁棒控制器，满足以下条件：闭环系统是稳定的，即闭环系统状态矩阵的所有特征值均在左半开复平面中；同时能够抵御道路坡度、传动系延迟，风速以及前车加速度变化引起的扰动，即从扰动输入w到被调输出z的闭环传递函数twz(s)的h∞范数小于1；鲁棒控制器决策出控制量，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。

本发明的效益为：

1.本发明将队列中两车的相对速度和两车的距离偏差作为跟踪目标，保证车辆队列在行驶过程中车间距离保持在期望距离，根据车辆行驶过程中空气阻力和车间距离的关系，本发明所提出的控制方法间接提升了车辆队列整体的燃油经济性。

2.本发明能够有效挺高车辆队列整体的鲁棒性，能够抵御道路坡度、传动系延迟，风速以及前车加速度变化引起的扰动。

附图说明

图1为卡车队列纵向动力学模型示意图；

图2为跟随车h∞状态反馈闭环控制系统整体框图；

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的技术方案：

一种高速公路重型卡车队列行驶中车辆纵向跟随控制方法，包括以下步骤：

步骤一：根据牛顿第二定律建立车辆纵向动力学方程，如图1所示为卡车队列纵向动力学模型示意图，方程如式(1)所示：

其中，tcom为发动机输出的力矩，单位nm；mi为车辆的质量，单位kg；ui为控制器输出的加速度，单位m/s²；ρ为空气密度，单位kg/m³；cw,i为空气阻力系数；ai是车辆的迎风面积，单位m²；vi是车速，单位m/s；g为重力加速度，单位m/s²；f为车辆的滚动阻力系数；ri为车轮半径，单位m；rgi为传动系数；ηi为传动效率。

由于卡车队列行驶时存在道路坡度的变化、传动系的延迟以及风速引起的扰动问题，建立包含不确定项的车辆纵向动力学方程，如式(2)所示

其中，ai为车辆实际的加速度，单位m/s²；θ为道路坡度，单位deg；ttq为实际作用到车辆上的驱动力矩，单位nm；其中ttq和tcom之间的关系如式(3)所示。

其中，τ为惯性环节时间常数。将式(3)进行简化，可以得到式(4)。

对式(1)，式(2)，式(4)进行整理可以得到不确定项εi的表达式，如式(5)所示。

根据式(1)，式(4)，式(5)进行整理，车辆实际的加速度ai也可以如式(6)所示

步骤二：建立系统的状态方程

为了提高高速公路重型卡车运输的燃油经济性和道路的潜在容量，保证高速公路重型卡车队列行驶要保证前后两车的相对速度和距离偏差最小，同时能够抵御道路坡度、传动系延迟，风速以及前车加速度变化引起的扰动，建立状态空间方程如式(7)所示。

其中，x为系统的状态变量；w为系统的干扰输入；z为系统性能输出；a为系统矩阵，表示系统内部状态变量的关系；b1为控制输入矩阵，表示输入变量如何控制状态变量；b2为干扰输入矩阵，表示干扰变量如何控制状态变量；c为状态输出矩阵，表示性能输出与状态变量的关系；d1为输入输出矩阵，表示性能输出与输入变量的关系；d2为干扰输出矩阵，表示性能输出与干扰转态变量的关系；u为控制器输出的加速度，单位m/s²；a1为前车加速度，单位m/s²；状态量x1,x2,x3如式(8)所示，

其中，dc为实时车间距，单位m；ddes为期望车间距，单位m；a为后车加速度，单位m/s²。

步骤三：鲁棒控制器的设计

本文基于h∞状态反馈控制理论设计的控制系统如图2所示，3个不同的状态输入分别与不同的控制器增益的乘积最后作和，得出最终的控制输入，控制输入经过模型逆运算最终得出虚拟输入力矩tcom信号，并作用给跟随车，其中闭环系统满足以下的性质：

1)闭环系统是内部稳定的，即闭环系统状态矩阵的所有特征值均在左半开复平面中；

2)从扰动输入w到被调输出z的闭环传递函数twz(s)的h∞范数小于1，即

||twz(s)||∞＜1(9)

其中twz(s)是闭环系统式(7)的闭环传递函数，其表达式如式(10)所示

twz(s)＝(c+d2k)[si-(a+b1k)^-1b2+d1](10)

对于系统式(7)，存在一个状态反馈h∞控制器，当且仅当存在一个对称矩阵x和矩阵w，使得以下的矩阵不等式

成立，进而，如果矩阵不等式(11)存在一个可行解x^*,w^*，则u＝w^*(x^*)^-1x是系统式(7)的一个状态反馈h∞控制器。

矩阵不等式(11)是矩阵变量x,w的一个线性矩阵不等式，因此，可以应用matlab中lmi工具箱中的求解器feasp来求解该线性矩阵不等式，进而，如果该线性矩阵不等式有可行解，则可以利用求解器feasp所提供的可行解，来构造系统式(7)的一个状态反馈h∞控制器。