无人驾驶车自主安全运动速度的有限时间稳定控制方法

本发明涉及无人驾驶车的控制，尤其是关于无人驾驶车自主安全运动速度的有限时间稳定控制方法。

背景技术：

1、随着车辆工业的快速发展，汽车已经逐渐成为人们出行的重要交通工具，不过也给人们的生命安全和道路拥堵带来了巨大挑战。因此，社会亟需一种更加高效的汽车行驶技术来提高人们的安全出行并降低城市拥堵。无人驾驶车作为高新技术融合的高度智能化产物，不仅是车辆工业未来的发展方向，也是解决交通拥堵，提高出行效率的重要途径。实际应用中，车辆运动控制是无人驾驶车的核心技术之一，直接关系着车辆能否按照期望路径和速度行驶，是无人驾驶中最基本也是最重要的部分。因此，研究无人驾驶车的稳定控制方法，对确保车辆行驶的准确性、安全性和平稳性具有重要意义。

2、目前无人驾驶车跟踪控制方法已经取得了一些研究成果，然而还没有解决有限时间内车辆运动的稳定问题。如果无人驾驶车运动中稳定时间调节过长，在跟踪期望路径的暂态运动阶段将产生过大跟踪误差，导致无人驾驶车有发生碰撞的危险；同时，为了解决道路拥堵提高出行效率，无人驾驶车应具有自主规划安全运动速度的性能。到目前为止，还没有关于无人驾驶车自主安全速度的规划方法以及有限时间稳定控制方法。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了无人驾驶车自主安全运动速度的有限时间稳定控制方法，目的是提高无人驾驶车运动的安全性和稳定性。

2、本发明是通过以下技术方案来实现的：

3、无人驾驶车自主安全运动速度的有限时间稳定控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、步骤1：利用无人驾驶车与前车的距离状态信息，设计了自主安全运动速度学习方法，通过奖惩值函数，无人驾驶车实现安全运动速度规划；

5、步骤2：应用无人驾驶车纵向运动状态方程，并通过规划的安全运动速度，构建运动速度跟踪误差模型；

6、步骤3：根据运动速度跟踪误差模型，设计纵向速度跟踪控制器，完成无人驾驶车速度跟踪和运动速度约束性能；

7、步骤4：根据无人驾驶车速度跟踪计算纵向运动速度，并应用无人驾驶车横向动力学模型，构建横向路径跟踪误差系统；

8、步骤5：根据横向路径跟踪误差系统，设计有限时间横向路径跟踪控制器，使无人驾驶车在有限时间内稳定跟踪期望的运动路径。

9、所述步骤1中，利用无人驾驶车与前车的距离状态信息，，描述无人驾驶车运动速度调整动作如下：，其中，表示无人驾驶车与前车的距离，表示无人驾驶车与前车指定的安全行车距离，和分别表示无人驾驶车当前时刻和下一时刻速度，表示无人驾驶车速度调整的变化值。

10、令，设计无人驾驶车运动速度调整的奖惩值函数为：，无人驾驶车自主安全运动速度学习方法如下：

11、步骤a.初始化无人驾驶车行为对，其中表示当前的距离状态信息，表示当前的速度调整动作；设置无人驾驶车更新状态学习速率，衰减系数，速度调整动作的选择概率；

12、步骤b.无人驾驶车感知与前车的距离并与比较大小，判断无人驾驶车与前车的距离状态信息，无人驾驶车以速度调整动作的选择概率选取中的速度调整动作，确定无人驾驶车当前时刻的行为对；

13、步骤c.无人驾驶车根据获得奖惩值，并进入下一个距离状态信息，再利用速度调整动作的选择概率选择新的速度调整动作，使无人驾驶车获得下一时刻行为对，此时对的价值进行更新，过程为：其中，为衰减系数，表示当前时刻行为对的价值，表示下一时刻行为对的价值；无人驾驶车完成一次运动速度调整；

14、步骤d.将作为当前时刻新的行为对，重复步骤b-步骤c，无人驾驶车不断调整运动速度，完成自主安全运动速度的规划。

15、所述步骤2中，无人驾驶车纵向运动状态方程为：，其中，表示控制输入加速度，表示时间常数。构建运动速度跟踪误差模型为：其中，表示无人驾驶车速度跟踪误差，表示无人驾驶车加速度跟踪误差。和分别表示无人驾驶车纵向实际运动速度变化率和加速度变化率；和分别表示无人驾驶车速度跟踪误差和加速度跟踪误差的导数；表示安全运动速度的二阶导数；表示无人驾驶车纵向实际运动加速度；表示无人驾驶车纵向实际运动速度。

16、所述步骤3中，设计纵向速度跟踪控制器如下：，其中，和表示速度跟踪误差可调节的控制器参数和加速度跟踪误差可调节的控制器参数。

17、这样在纵向速度跟踪控制器的作用下，无人驾驶车实际运动速度跟踪规划的安全运动速度，并实现运动速度约束性能，表示预先指定的安全速度界限值。

18、所述步骤4中，无人驾驶车横向动力学模型为：，其中，，和分别表示横向路径和偏航角的跟踪误差，表示前轮转向角，表示路径曲率。，，，和分别表示前后轮的侧偏刚度，和分别表示质心到前轴和后轴的距离。表示无人驾驶车质量，表示车辆绕轴的转动惯量，表示的导数，和分别表示横向路径和偏航角跟踪误差的变化率；

19、令，，转化为如下形式：，其中，表示无人驾驶车横向路径跟踪的控制输入，并且，进一步，为了有限时间内使无人驾驶车实现稳定的路径跟踪，定义表示辅助误差变量，建立横向路径跟踪误差系统如下：，其中，，，，；表示横向路径跟踪误差和偏航角跟踪误差构成的向量，表示横向路径跟踪误差变化率和偏航角跟踪误差变化率构成的向量，和分别表示和的导数。

20、所述步骤5中，设计横向路径跟踪控制器如下：，其中，表示的伪逆矩阵，，，，，和分别表示可调参数，并且。和分别表示和的系数矩阵，表示控制矩阵，表示路径曲率的系数矩阵；，分别表示矩阵的对角元素，表示辅助变量的可调参数；

21、，分别表示矩阵的对角元素，表示控制器的可调参数。

22、这样在横向路径跟踪控制器的作用下，无人驾驶车在有限时间内稳定跟踪期望的运动路径。

23、相比现有技术，本发明具有以下优点及效果：

24、本发明提供了无人驾驶车自主安全运动速度的有限时间稳定控制方法。通过测量与前车的距离状态信息，设计了无人驾驶车自主安全运动速度学习方法，利用奖惩值函数，无人驾驶车不断对速度进行调整，并自主规划了安全运动速度；利用无人驾驶车纵向运动状态方程，提出纵向速度跟踪控制方法并实现运动速度约束性能，使无人驾驶车稳定跟踪规划的安全速度；利用无人驾驶车横向动力学模型，并应用纵向速度构建了有限时间横向路径跟踪控制器，使无人驾驶车有限时间内实现期望路径的稳定跟踪。本发明从规划自主安全运动速度的新视角，提出约束性能的纵向速度跟踪控制和有限时间的横向路径跟踪控制新方法，保障了无人驾驶车跟踪运动的稳定性和安全性。

技术特征：

1.无人驾驶车自主安全运动速度的有限时间稳定控制方法, 其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述无人驾驶车自主安全运动速度的有限时间稳定控制方法，其特征在于，所述步骤1中，利用无人驾驶车与前车的距离状态信息，，描述无人驾驶车运动速度调整动作如下：，，其中，表示无人驾驶车与前车的距离，表示无人驾驶车与前车指定的安全行车距离，和分别表示无人驾驶车当前时刻和下一时刻速度，表示无人驾驶车速度调整的变化值；

3.根据权利要求2所述无人驾驶车自主安全运动速度的有限时间稳定控制方法，其特征在于，所述步骤2中，无人驾驶车纵向运动状态方程为：（5），其中，表示控制输入加速度，表示时间常数；构建运动速度跟踪误差模型为：，其中，表示无人驾驶车速度跟踪误差，表示无人驾驶车加速度跟踪误差；和分别表示无人驾驶车纵向实际运动速度变化率和加速度变化率；和分别表示无人驾驶车速度跟踪误差和加速度跟踪误差的导数；表示安全运动速度的二阶导数；表示无人驾驶车纵向实际运动加速度；表示无人驾驶车纵向实际运动速度。

4.根据权利要求3所述无人驾驶车自主安全运动速度的有限时间稳定控制方法，其特征在于，所述步骤3中，设计纵向速度跟踪控制器如下：，其中，和表示速度跟踪误差可调节的控制器参数和加速度跟踪误差可调节的控制器参数；

5.根据权利要求4所述无人驾驶车自主安全运动速度的有限时间稳定控制方法，其特征在于，所述步骤4中，无人驾驶车横向动力学模型为：，其中，，和分别表示横向路径和偏航角的跟踪误差，表示前轮转向角，表示路径曲率；，，，表示前轮的侧偏刚度，表示后轮的侧偏刚度，和分别表示质心到前轴和后轴的距离；表示无人驾驶车质量，表示车辆绕轴的转动惯量；表示的导数，和分别表示横向路径和偏航角跟踪误差的变化率；

6.根据权利要求5所述无人驾驶车自主安全运动速度的有限时间稳定控制方法，其特征在于，所述步骤5中，设计有限时间横向路径跟踪控制器如下：，其中，表示的伪逆矩阵，，，，，并且；

技术总结本发明公开了无人驾驶车自主安全运动速度的有限时间稳定控制方法，涉及无人驾驶车的跟踪控制技术领域，利用无人驾驶车与前车的距离状态信息，设计了自主安全运动速度学习方法，通过奖惩值函数，无人驾驶车规划了安全运动速度；基于无人驾驶车纵向运动状态方程，提出具有约束性能的纵向速度跟踪控制器，使无人驾驶车稳定跟踪规划的安全速度；利用无人驾驶车横向动力学模型，构建了有限时间横向路径跟踪控制器，使无人驾驶车有限时间实现稳定，避免稳定状态过长的调节时间影响无人驾驶车的安全性。本发明从规划自主安全运动速度的新视角，提出约束性能的纵向速度跟踪控制和有限时间的横向路径跟踪控制方法，提高无人驾驶车运动稳定性和安全性。技术研发人员：党博宇,贾同,杜林青,张永山,左淏淼,黄玺成受保护的技术使用者：东北大学技术研发日：技术公布日：2024/9/26