一种变车头时距的自适应巡航控制方法及系统

本发明涉及智能辅助驾驶，更具体地说，本发明涉及一种变车头时距的自适应巡航控制方法及系统。

背景技术：

1、在电动汽车中，自适应巡航控制(简称acc)系统是智能驾驶辅助技术的重要组成部分，随着电动汽车的广泛应用，对其智能驾驶系统的要求也越来越高，电动汽车由于其瞬时扭矩响应快、能量回收效率高的特点，在acc系统设计中存在一定的独特性，传统的acc系统通常基于固定车头时距的策略，难以充分发挥电动汽车的优势，尤其是在复杂多变的交通环境中，难以有效应对前车的加速度变化，导致驾驶体验不够平稳，存在潜在的安全风险，难以适应电动汽车快速响应的特性，而电动汽车在acc系统中需要综合考虑续航能力以及驾驶的舒适性等多重目标，这些目标会相互冲突，如何在多目标控制中有效平衡这些需求，同时确保系统的实时性和稳定性，是一个亟待解决的技术问题，而在电动汽车的acc系统中，控制优化问题通常涉及多变量、多约束条件，如何有效地在高维度的优化空间找到可行解，扩展解的范围，是提升系统响应速度和鲁棒性的关键。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种可变车头时距的自适应巡航控制方法及系统，通过引入考虑前车加速度的可变车间时距策略提高安全性，采用模型预测控制技术，在多目标自适应巡航系统中引入松弛因子，扩展可行解范围，将控制优化问题转化为带约束条件的二次规划，确保安全的同时实现平稳巡航和准确跟车。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种变车头时距的自适应巡航控制方法，包括如下步骤：

4、步骤1，建立自适应巡航系统分层控制逻辑；

5、步骤2，根据获取的车辆信息，切换定速巡航和跟车巡航的模式；

6、还包括：

7、步骤3，建立考虑牵扯加速度的可变车间时距的安全间距策略；

8、步骤4，根据步骤3中建立的安全间距模型，采用模型预测控制应用于多目标自适应巡航控制系统中，引入松弛因子对可行域求解进行扩展，将acc系统控制算法的优化目标转换成一个带有约束条件的二次规划问题。

9、作为本发明进一步的方案，步骤1中建立自适应巡航系统分层控制逻辑，上层控制器通过carsim软件中的传感器、雷达以及车辆状态信息来获取前车的速度、加速度和两车之间的相对距离，并将这些数据传递到simulink软件中，根据相关的控制理论，上层控制器计算出期望的加速度值，并将其传递给下层控制器，下层控制器主要由驱动/制动切换逻辑和车辆逆模型组成，根据上层控制器提供的信息，计算出合理的期望驱动力矩和制动压力，并将这些控制信号输入到carsim中，形成一个闭环控制系统。

10、作为本发明进一步的方案，在步骤3中，考虑前车加速度的可变车间时距安全策略为：

11、在tmax≤t0-cvr-ka1时，th＝tmax；

12、在tmin≤t0-cvr-ka1≤tmax时，th＝t0-cvr-ka1；

13、否则，th＝tmin；

14、在上述策略中，k为大于0的常数，a1为前车加速度，tmax、tmin分别为车间时距的最大值、最小值，t0为两车间最小安全时距，th为当前车间时距，vr为两车相对速度，c为调节系数，根据实际需求设定，其中th满足：

15、ddes＝thvh+d0

16、式中：vh为本车车速，d0为两车间最小安全距离，取5m，ddes为期望安全距离。

17、作为本发明进一步的方案，步骤4中采用模型预测控制应用于多目标自适应巡航控制系统中，在每个离散时刻根据当前状态、控制输入和扰动量，更新状态变量，反映车辆的跟车控制行为，建立车辆的动力学模型，模型中状态方程为：

18、x(k+1)＝ax(k)+bu(k)+gw(k)

19、式中：k为离散的时间步，x(k+1)为在未来第k+1个离散时刻系统的状态变量，x(k)为第k个离散时刻系统的状态变量，a为状态转移矩阵，b为控制输入矩阵，a和b根据系统的动态特性和控制目标建模获得，g为扰动量矩阵，u(k)为系统的控制输入，w(k)为系统的扰动量。

20、通过这些矩阵，系统能够在每个离散时刻k根据当前系统的状态变量、控制输入变量和扰动量，更新状态变量，以反映车的跟车控制行为，以离散形式表示加速度和加速度变化率，同时为了使得方程能更好地反映跟时的真实情况，将前车的加速度作为扰动量。

21、作为本发明进一步的方案，在步骤4建立的车辆动力模型的状态方程中，将实际车间距、本车车速、相对车速、本车加速度、本车加速度、本车加速度变化率作为状态方程的输入，系统状态变量的公式为：

22、x(k)＝[δd(k),vf(k),vr(k),af(k),jf(k)]t

23、式中：δd(k)为第k个离散时刻的实际车间距，vf(k)为第k个离散时刻的本车车速，vr(k)为第k个离散时刻的两车相对车速，af(k)为第k个离散时刻的本车加速度，jf(k)为第k个离散时刻的本车加速度变化率。

24、作为本发明进一步的方案，在步骤4建立的车辆动力模型的状态方程中，状态矩阵为：

25、

26、式中：ts为系统采样时间间隔，tg为惯性时间常数；

27、控制输入矩阵为：

28、扰动矩阵为：

29、作为本发明进一步的方案，在步骤4中，将两车间距、本车车速、两车相对速度、本车加速度、本车加速度变化速率与系统目标状态对比，生成优化性能指标向量，用于指导自适应巡航系统的运行，以满足安全性、舒适性、跟随性和经济性的要求，优化性能指标向量的获取方程为：

30、y(k)＝[δd(k),vf(k),vr(k),af(k),jf(k)]t＝cx(k)-d

31、式中：y(k)为优化性能指标向量，为自适应巡航控制系统在第k个离散时间步长中需优化的输出量，c为输出矩阵，用于将状态变量映射到优化性能指标上，d为偏移向量，等于系统的期望值，用来对输出结果进行校正，

32、作为本发明进一步的方案，步骤4中，对优化性能指标向量的获取方程设定如下硬性约束条件：

33、d≥ddes

34、jmin≤jf≤jmax

35、amin≤af≤amax

36、umin≤u≤umax

37、式中：d为两车间距，jf为本车加速度变化速率，jmin、jmax分别为本车加速度变化速率的最小值、最大值，af为本车加速度，amin、amax分别为本车加速度的下限、上限，u为系统的控制输入量，umin、umax分别为控制输入量的下限和上限。

38、作为本发明进一步的方案，步骤4中，模型预测控制算法的目标函数对未来时刻的综合性能指标进行加权，以获取最优控制效果，目标函数的公式为：

39、

40、式中：q、r为加权系数，q＝diag(ωδd,ωv,ωu,ωj)，ωδd、ωv、ωu、ωj分别为两车间距误差权重系数、两车相对速度权重系数、本车加速度权重系数和本车加速度变化率权重系数，i为离散时刻索引，j为目标函数值，np为预测时域的长度，nc为控制时域的长度，为在当前时刻k已知系统状态的情况下预测的第i个时刻的输出性能指标，yr(k+i|k)为在当前时刻k已知系统状态的情况下在未来第(k+i)时刻系统达到的理想状态，u(k+i)为在当前时刻k已知系统状态的情况下在未来第(k+i)时刻系统的控制输入。

41、作为本发明进一步的方案，步骤4中，在硬性约束条件中引入松弛因子，对不同的约束条件进行有选择地软化，扩展约束条件的有效范围，引入松弛因子的硬性约束条件为：

42、

43、式中：分别为本车加速度的下界松弛系数和上界松弛系数，ε1为本车加速度的松弛因子，分别为本车速的下界松弛系数和上界松弛系数，ε2为本车车速的松弛因子，分别为本车加速度变化率的下界松弛系数和上界松弛系数，ε3为本车加速度变化率的松弛因子，分别为系统控制输入变量的下界松弛系数和上界松弛系数，ε4为系统控制输入变量的松弛因子，各个松弛因子、下界松弛系数和上界松弛系数通过对车辆各个操作场景的仿真分析获得。

44、在硬性约束条件中引入松弛因子，对不同约束条件进行有选择的软化，能够扩展约束条件的有效范围，从而确保优化问题能够得到解决。

45、一种变车头时距的自适应巡航控制系统，用于实现上述的一种变车头时距的自适应巡航控制方法，包括车载控制器、传感器模块、执行器模块、通信模块和人机交互单元，车载控制器通过通信模块与传感器模块、执行器模块和人机交互单元相连，车载控制器包括自适应学习模块、安全监控模块和能量管理模块，自适应学习模块与安全监测模块和能量管理模块相连。

46、车载控制器是整个自适应巡航控制系统的核心处理单元，负责执行复杂的控制算法和实时数据处理，接收来自传感器模块的数据，通过通信模块将控制命令发送至执行器模块，并与人机交互单元进行数据交换。自适应学习模块：根据车辆的历史驾驶数据和实时交通信息，动态调整巡航控制参数(车头时距、加速度、控制输入)，以提高系统的自适应性和优化性能，通过自适应学习，能够根据不同的驾驶风格和交通情况，自动调整巡航控制策略，确保在多变的环境中保持最佳性能。安全监控模块实时监测系统的运行状态以及外部环境的变化(前方障碍物、道路状况)，确保在检测到潜在的危险时发出警告或采取紧急制动等措施，该模块包括故障检测和诊断功能，能够在系统出现异常时迅速接管控制或切换至安全模式，确保驾驶安全。能量管理模块，特别适用于电动汽车，该模块优化能源消耗策略，以在不影响驾驶性能的情况下最大化续航里程，能量管理模块与电池管理系统(bms)相连，实时调整动力输出和能量回收策略，以平衡车辆的性能和能效。传感器模块负责收集车辆周围环境和自身状态的数据，提供精确的输入信息给车载控制器，包括车速、加速度、车间距、前车速度和加速度、道路障碍物、道路曲率。执行器模块执行车载控制器发出的控制命令，包括车辆的加速、减速和转向操作。执行器模块直接影响车辆的动力输出和行驶状态，根据控制器的加速命令调节电动机的输出扭矩，控制车辆的加速性能，根据制动命令调节制动压力，实现车辆的减速和紧急制动，根据转向命令调整转向角度，确保车辆按预定路线行驶。通信模块确保车载控制器与传感器模块、执行器模块以及人机交互单元之间的实时通信，同时，也负责车载控制器与外部设备(云服务器、其他车辆、交通基础设施)的数据交换，支持车与车(v2v)、车与基础设施(v2i)、车与行人(v2p)的通信，能够获取实时交通信息，优化车辆行驶路径和能量管理策略，用于与云服务器进行通信，实现数据上传、远程诊断和软件更新。人机交互单元为驾驶员提供系统状态、车辆信息、巡航控制设置和警告信息的显示界面，并允许驾驶员通过界面输入参数、选择驾驶模式或手动控制车辆。

47、相比于现有技术，本发明的技术效果：本发明通过引入考虑前车加速度的可变车间时距策略，以增强安全性，采用模型预测控制技术，在多目标自适应巡航控制系统中，引入松弛因子扩展可行解的范围，将自动巡航系统的控制优化问题转化为带有约束条件的二次规划问题，在保障安全的基础上，能够实现平稳的定速巡航以及准确的前车跟随功能。