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        基于車聯(lián)網(wǎng)的多車協(xié)同式自動駕駛控制研究

        2022-07-05 09:46:54黃露姚麗楊易
        時代汽車 2022年13期
        關(guān)鍵詞:協(xié)同式滑模車隊

        黃露 姚麗 楊易

        長沙智能駕駛研究院 湖南省長沙市 410100

        1 引言

        多車協(xié)同式編隊系統(tǒng)基于車聯(lián)網(wǎng)V2V 技術(shù),對多臺車輛并組管理并結(jié)合車輛自動駕駛控制技術(shù),通過縮短車輛之間距離來增加道路的通行能力。最近的研究還表明,在高速公路上通過將卡車編隊自動駕駛,可以減少車隊內(nèi)跟隨車輛的風(fēng)阻,顯著節(jié)省燃料、溫室氣體和排放。

        由于具有良好的燃油消耗效益和商業(yè)模式,多車協(xié)同式編隊自動駕駛技術(shù)吸引了大量關(guān)注。因目前,大量研究工作旨在降低重型車輛的燃油消耗,這也為運輸公司提供了明顯的經(jīng)濟效益。通這對重型車輛的編組,給出了一種降低油耗的有效方法。通過減小車間距,可以降低整體空氣動力阻力。由于重型車輛大約四分之一的燃油消耗與空氣動力阻力有關(guān),這會對燃油消耗產(chǎn)生很大影響。事實上,文獻中的實驗結(jié)果表明,油耗降低了約7%。除了節(jié)省燃料消耗外,協(xié)同式編隊行駛還可能增加道路通行能力,提高交通流量。文獻中提出一種車隊前饋控制策略,主要關(guān)注與車輛的燃油效率,未考慮車輛近間距控制問題。文獻在文獻研究的基礎(chǔ)上提出一種車輛前饋控制和間距控制結(jié)合的方法,文章中考慮車輛燃油最佳使用效率得到車輛最佳速度參考文件,以此作為車輛控制系統(tǒng)的參考,計算控制指令控制車輛跟蹤該速度曲線,并保證所需的車間距離。但該方法并未考慮首車司機實際駕駛過程中的行為習(xí)慣,以及道路實際情況對司機駕駛車輛的影響(如急停車、急加速),無法良好跟隨首車保持穩(wěn)定間距進行啟停、加減速。

        本文從上述的研究成果出發(fā),針對車隊自動駕駛車輛在首車急加速、啟停過程中存在間距控制發(fā)散問題,提出一種多車車輛固定車距的滑??刂撇呗裕浞挚紤]首車和前車的速度、位置、加速度等信息,設(shè)計滑??刂频幕C?,得出自動駕駛車輛期望加速度。通過調(diào)整控制增益和系統(tǒng)阻尼比系數(shù),保證滑模面趨近于零,保證車隊中的自動駕駛車輛以穩(wěn)定車距跟隨前方車輛行駛。

        本文介紹的應(yīng)用實例是兩臺陜汽德龍X6000 重卡車頭加帶半掛車在長沙智能網(wǎng)聯(lián)測試區(qū)的實車測試驗證(首車人開、跟隨車自動駕駛)。通過對算法模型進行推導(dǎo)和實車測試,對比兩臺車輛之間的位置誤差、速度誤差,多方面的測試結(jié)果驗證了車隊在首車啟動、停車、加減速、巡航過程中能保證穩(wěn)定車距行駛,誤差范圍滿足團標(biāo)《營運車輛合作式自動駕駛貨車編隊行駛》的要求。

        2 控制模型

        多車協(xié)同式自適應(yīng)巡航控制是一種擴展自適應(yīng)巡航控制的概念,通過車聯(lián)網(wǎng)之間的車車實時通信技術(shù),實現(xiàn)縱向自動車隊控制。通過設(shè)計一種自適應(yīng)滑??刂颇P?,具備固定車間距控制策略的穩(wěn)定行駛模變控制系統(tǒng)特性,能保證車隊穩(wěn)定行駛。

        控制器采用滑??刂?,根據(jù)車輛行駛道路基本屬性,定義滑模面為;

        為阻尼比,≥1 時,系統(tǒng)車隊才處于穩(wěn)定行駛狀態(tài)。對臨界阻尼可以設(shè)置為1;

        可視為領(lǐng)航車輛速度和加速度的權(quán)重,0≤≤1;

        設(shè)定,

        若 大于零,那么當(dāng)S大于零時, 會小于零;當(dāng) 小于零時, 會大于零,因此滑膜面 會趨近于零。

        將式(1)代入式(2),計算得:

        對式(1)求導(dǎo)可得:

        由公式(3)和(4)可得本車的加速度為:

        當(dāng)車隊中只有兩輛車時,=0,得到如下的傳統(tǒng)二階系統(tǒng):

        為阻尼比,臨界阻尼可以設(shè)置為1。因此滑膜面可以簡化為:

        則式(5)簡化為:

        3 控制模型穩(wěn)定性

        根據(jù)式(6)得到第1 輛跟隨車的誤差系統(tǒng)方程為:

        第輛跟隨車的誤差與第-1 輛跟隨車的誤差的傳遞函數(shù)為:

        式中:

        為方便后文中對理論的理解,采用以下示例的方法進行闡述,設(shè)置一組參數(shù)如下:

        由式(9)可以得出,第1 輛跟隨車的誤差為過阻尼自由振動系統(tǒng),其誤差響應(yīng)輸出與系統(tǒng)輸入無關(guān),只與系統(tǒng)的初始條件有關(guān),將誤差微分方程寫成狀態(tài)方程形式:

        利用matlab 對傳遞函數(shù)的初始條件下的幅值響應(yīng)特性進行分析,得出系統(tǒng)的位置誤差響應(yīng)和速度誤差響應(yīng)曲線如下圖1 所示。

        從圖1 中可以得出,給定初始位置誤差和速度誤差,系統(tǒng)最終都會收斂到0,而且位置誤差的收斂過程不存在振蕩,這得益于系統(tǒng)為過阻尼系統(tǒng)。從式(9)中可以得出,第一輛跟隨車的誤差的收斂特性只與系統(tǒng)阻尼比和ω帶寬頻率有關(guān),而與參數(shù)無關(guān)。

        圖1 幅值響應(yīng)曲線

        由式(9)的推理已經(jīng)得出第1 輛跟隨車誤差始終會收斂為0,并依據(jù)式(13)遞推,可以得出整個系統(tǒng)的跟隨車輛的誤差都將收斂為0(從圖1 位置和速度誤差響應(yīng)曲線可以看出),說明系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

        4 實車測試數(shù)據(jù)

        為驗證多車協(xié)同式編隊系統(tǒng)控制策略的穩(wěn)定車間距跟車特性,本文作者在長沙智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試區(qū)使用兩臺陜汽德龍X6000 帶掛重卡空載工況下進行編隊自動駕駛實車測試。為驗證控制模型的有效性,設(shè)計測試用例如下:

        采用工控機和ubuntu16.04 嵌入式操作系統(tǒng)作為計算平臺、公司自研的車聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和百度apollo 的開源自動駕駛系統(tǒng)軟件架構(gòu)搭載控制器程序,計算平臺輸出的控制命令對車輛的油門、剎車和方向盤進行控制。

        選擇測試路段為測試區(qū)的高速路段,路段長度2.2km。采用第一臺車人開,第二臺車采用協(xié)同式編隊自動駕駛,自動駕駛過程為啟動、加速、巡航、減速、停車。

        通過記錄和分析自動駕駛跟隨車輛與前車的速度、位置誤差、速度誤差,驗證控制模型的有效性。

        自動駕駛跟隨車與前車速度對比曲線、速度誤差曲線、位置誤差曲線分別如下圖2、3、4 所示:

        圖2為自動駕駛跟隨車與前車的速度對比曲線,曲線描述了車輛從起步、加速、巡航、減速、急停車的兩車速度變化過程。圖3 為兩車的速度誤差曲線,圖4 為兩車的位置誤差曲線,位置誤差計算時設(shè)定跟車安全距離為30m,描述的是整個過程中穩(wěn)定間距30m的誤差變化情況。從實車數(shù)據(jù)曲線分析可以看出,自動駕駛跟隨車輛能良好跟隨前車啟動、加速、減速、巡航、停車,從起步加速到72km/h 過程中速度誤差波動不超過2m/s,位置誤差不超過10m。72km/h 巡航狀態(tài)下的速度誤差不超過0.5m/s,位置誤差不超過2m。試驗結(jié)果表明各項控制指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,車隊在加減速過程中,控制系統(tǒng)未發(fā)散。

        圖2 速度對比曲線

        圖3 速度誤差曲線

        圖4 位置誤差曲線

        5 結(jié)論

        本文提出一種基于首車和前車的駕駛行為(位置、速度、加速度)提出一種滑??刂撇呗裕瑖L試解決多車協(xié)同控制在首車速度發(fā)生變化時車隊間距出現(xiàn)發(fā)散的問題。設(shè)計過程包括問題提出、滑模模型分析、控制模型穩(wěn)定性分析、測試用例設(shè)計和實車測試驗證。從設(shè)計過程和實車測試的數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看,本文設(shè)計的控制策略利用車車通信傳輸?shù)那败囆畔⒛軐崿F(xiàn)車隊跟隨車輛快速響應(yīng),具備實際應(yīng)用價值。作者未來的工作將側(cè)重于從實車運行效果和理論角度對控制模型進行更詳細的分析和優(yōu)化。將研究不同車輛載重、不同型號車輛底盤對車隊穩(wěn)定車距控制的影響。此外,還將使用更多的協(xié)同式車隊控制模型,將所提出的控制模型的性能與其他方法進行比較。

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