计及空气阻力的自适应巡航非线性控制方法、装置及介质

技术领域

本发明涉及汽车巡航控制技术领域，尤其涉及一种计及空气阻力的自适应巡航非线性控制方法、装置、设备及介质。

背景技术

汽车巡航控制系统是一个本质非线性系统，汽车在行驶过程中受到路面坡度、空气阻力等外界因素干扰，因而基于实时不变系统得到的控制方法就难以在各种工况下取得良好的效果，解决的办法是加入自适应环节，其控制方法能随各种因素的变化而实时地加以调整，以适应复杂多变的行驶工况。自适应巡航控制的汽车安全辅助驾驶系统，在传统定速巡航功能的基础上根据前方交通情况和驾驶员设定的速度来实现自动控制车辆速度。

目前，汽车自适应巡航非线性系统主要利用传感器和控制系统来感知车辆周围的环境，并根据预设的巡航速度来调整油门、刹车和变速器等车辆控制系统。传统控制算法往往无法充分考虑到空气阻力对车辆行驶的影响，在实际应用中可能存在一定的局限性。

有鉴于此，亟需提供一种能够达到良好运动控制效果，同时能够解决车辆行驶过程中存在的未知空气阻力问题以及常规滑模控制中带来的控制器输入抖震问题的方法。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种计及空气阻力的自适应巡航非线性控制和装置，以解决相关技术中车辆行驶过程中存在的未知空气阻力以及常规滑模控制中带来的控制器输入抖震的技术问题。

本说明书一个或多个实施例提供了一种计及空气阻力的自适应巡航非线性控制方法，包括：

建立汽车自适应巡航非线性系统的动力学模型；

根据所述动力学模型，采用反演设计与滑模控制法设计非线性跟踪控制器；

采用李雅普诺夫稳定理论，分析非线性跟踪控制器的稳定性，用以实现汽车自适应巡航非线性控制器的稳定性。

进一步地，所述动力学模型，具体为：

其中，m为汽车质量，v为汽车行驶速度，F

进一步地，所述采用反演设计与滑模控制法设计非线性跟踪控制器具体为：

先根据所述动力学模型建立状态方程；

再通过反演设计分别设计第一李雅普诺夫函数为V

状态方程为：

式中，K为不确定性参数，u为控制输入；

设计滑模函数为：

第一李雅普诺夫函数为：

第二李雅普诺夫函数为：

设计控制器输入的导数为：

进一步地，所述采用李雅普诺夫稳定理论，分析非线性跟踪控制器的稳定性，具体为：

根据控制器的李雅普诺夫函数为：

设定验证函数W(t)为：

W(t)＝ce

则有，

由于e，

本说明书一个或多个实施例还提供了一种计及空气阻力的自适应巡航非线性控制方法，包括：

动力学模型构建模块，用于建立汽车自适应巡航非线性系统的动力学模型；

非线性跟踪控制器设计模块，用于根据所述动力学模型，采用反演设计与滑模控制法设计非线性跟踪控制器；

稳定性分析模块，用于采用李雅普诺夫稳定理论，分析非线性跟踪控制器的稳定性，用以实现汽车自适应巡航非线性控制器的稳定性。

本说明书一个或多个实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述所述的计及空气阻力的自适应巡航非线性控制方法。

本说明书一个或多个实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述计及空气阻力的自适应巡航非线性控制方法的步骤。

本发明提供的计及空气阻力的自适应巡航非线性控制方法、装置及介质，通过考虑空气阻力构建动力学模型的基础上，基于反演设计的自适应动态滑模方法在动态滑模控制基础上，通过反演法，逐步得到动态控制律和自适应律，能够解决车辆行驶过程中存在的未知空气阻力问题，通过结合自适应控制和动态滑模控制，能使汽车达到良好的自适应巡航效果；在动态滑模控制律设计中，将常规滑模变结构控制中的切换函数通过微分环节构成新的切换函数，将不连续项转移到控制的一阶或高阶导数中去，得到在时间上本质连续的动态滑模控制律，提高了系统对参数变化的鲁棒性和灵敏度，有效降低常规滑模控制带来的控制器输入抖震问题；在自适应设计中，通过对传感器的参数估计，得到被控制对象的参数，保证整个闭环系统的全局渐进稳定性；达到稳态后，汽车的动态特性是一种理想模式，补偿了制造误差和环境干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本说明书一个或多个实施例提供的一种计及空气阻力的自适应巡航非线性控制方法的流程图；

图2为本说明书一个或多个实施例提供的一种计及空气阻力的自适应巡航非线性控制方法的汽车定速巡航时在所设计的控制器作用下的参考信号和汽车行驶速度x状态的变化曲线图；

图3为本说明书一个或多个实施例提供的一种计及空气阻力的自适应巡航非线性控制方法的汽车定速巡航时在所设计的控制器作用下的巡航过程中的控制输入变化曲线图；

图4为本说明书一个或多个实施例提供的一种计及空气阻力的自适应巡航非线性控制方法的汽车自适应巡航时在所设计的控制器作用下的参考信号和汽车行驶速度x状态的变化曲线图；

图5为本说明书一个或多个实施例提供的一种计及空气阻力的自适应巡航非线性控制方法的汽车自适应巡航时在所设计的控制器作用下的巡航过程中的控制输入变化曲线图；

图6为本说明书一个或多个实施例提供的一种计及空气阻力的自适应巡航非线性控制装置的结构图；

图7为本说明书一个或多个实施例提供的一种计算机的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书一个或多个实施例中的技术方案，下面将结合本说明书一个或多个实施例中的附图，对本说明书一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明件的保护范围。

下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明做出详细的说明。

方法实施例

如图1所示，为本说明书一个或多个实施例提供的一种计及空气阻力的自适应巡航非线性控制方法的流程图，根据本发明实施例，提供了一种计及空气阻力的自适应巡航非线性控制方法，包括：

步骤101，建立汽车自适应巡航非线性系统的动力学模型；

步骤102，根据所述动力学模型，采用反演设计与滑模控制法设计非线性跟踪控制器；

步骤103，采用李雅普诺夫(Lyapunov)稳定理论，分析非线性跟踪控制器的稳定性，用以实现汽车自适应巡航非线性控制器的稳定性。

汽车车速指用直接档在良好的水平路面上所能达到的速度，此时无加速阻力和爬坡阻力，故汽车驱动力只需克服空气阻力和滚动阻力。

在一个实施例中，步骤101中所述建立汽车自适应巡航非线性系统的动力学模型，具体为：

其中，m为汽车质量，v为汽车行驶速度，

再根据汽车空气动力学气动特性设定

其中，K为不确定性参数，u为控制输入。

设定期望参考信号x

在一个实施例中，步骤102中所述根据所述动力学模型，采用反演设计与滑模控制法设计非线性跟踪控制器具体包括步骤：

先根据所述动力学模型建立状态方程；

再通过反演设计分别设计第一李雅普诺夫函数为V

进一步的，具体实现过程如下所述。

采用反演设计与滑模控制相结合的方法，基于状态方程描述的汽车巡航非线性系统的动力学模型，设计非线性跟踪控制器，进行控制算法的具体设计，包括取期望参考信号x

控制e→0，

由此，设计滑模函数为：

设定第一误差变量

定义李雅普诺夫函数为

其中，γ

再设计第一自适应率为：

对滑模函数求导可以得到：

设定第二误差变量

其中，γ

设计第二自适应率为：

设计所述汽车自适应巡航非线性控制器输入的导数为：

其中，

通过把控制输入u的不连续项放到控制输入的一阶导数，控制输入的导数不连续，而积分后控制输入u连续，能够有效降低系统抖振。

本实施例中，对于设计的控制器，需要验证该非线性控制器的稳定性，具体步骤如下：

根据上述内容可知，控制器的李雅普诺夫函数为：

代入上述

因此可知，V

再设定验证函数W(t)为：

W(t)＝ce

则有：

因为e，

本发明实施例的计及空气阻力的自适应巡航非线性控制算法，能使汽车达到良好的自适应巡航效果，同时能够解决车辆行驶过程中存在的未知空气阻力问题以及常规滑模控制带来的控制器输入抖震问题。在本发明的一个实施中，根据汽车巡航非线性动力学模型，设计仿真运行相关参数以及相应控制器的控制参数，并通过跟踪正弦信号(自适应巡航控制)和常值信号(定速巡航)下的仿真验证算法的有效性以及控制器的优越性。设计的仿真运行相关参数和控制器的控制参数如下：

模型参数：

控制器参数：

图2为本实施例提供的汽车定速巡航时在所设计的控制器作用下的速度x状态的变化曲线图，其中，实线代表跟踪的参考信号的变化曲线，虚线代表汽车行驶速度的变化曲线。

图3为本实施例提供的汽车定速巡航时在所设计的控制器作用下的巡航过程中的控制输入变化曲线图。

图4为本实施例提供的汽车自适应巡航时在所设计的控制器作用下的速度x状态的变化曲线图，其中，实线代表跟踪的参考信号的变化曲线，虚线代表汽车行驶速度的变化曲线。

图5为本实施例提供的汽车自适应巡航时在所设计的控制器作用下的巡航过程中的控制输入变化曲线图。

图2～图5均为仿真效果曲线。根据仿真效果曲线可知：本实施例设计的控制算法，可以良好实现轨迹跟踪效果，可以使汽车很好的完成巡航功能，同时可以克服一定程度上的参数不确定性问题。除此之外，本实施例设计的控制器跟踪效果迅速，误差也能够确保最终稳定到0，同时解决了常规滑模控制中引入的输入抖震问题，这样的控制输入更加符合实际要求。由此可见，我们的所设计的控制器具有优越的性能。

装置实施例

图6为本实施例提供的一种计及空气阻力的自适应巡航非线性控制装置的结构图，本实施例还提供了一种计及空气阻力的自适应巡航非线性控制装置，包括：

动力学模型构建模块201，用于建立汽车自适应巡航非线性系统的动力学模型；

非线性跟踪控制器设计模块202，用于根据所述动力学模型，采用反演设计与滑模控制法设计非线性跟踪控制器；

稳定性分析模块203，用于采用Lyapunov稳定理论，分析非线性跟踪控制器的稳定性，用以实现汽车自适应巡航非线性控制器的稳定性。

本实施例中，所述动力学模型构建模块201构建的动力学模型为：

其中，m为汽车质量，v为汽车行驶速度，F

本实施例中，所述非线性跟踪控制器设计模块具体用于：

先根据所述动力学模型建立状态方程；

再通过反演设计分别设计第一李雅普诺夫函数为V

状态方程为：

式中，K为不确定性参数，u为控制输入；

设计滑模函数为：

第一李雅普诺夫函数为：

第二李雅普诺夫函数为：

本实施例中，所述稳定性分析模块采用李雅普诺夫稳定理论，分析非线性跟踪控制器的稳定性，具体为：

根据控制器的李雅普诺夫函数为：

设定验证函数W(t)为：

W(t)＝ce

则有，

由于e，

本发明实施例是与上述方法实施例对应的系统实施例，各个模块处理步骤的具体操作可以参照方法实施例的描述进行理解，在此不再赘述。如图7所示，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中计及空气阻力的自适应巡航非线性控制方法，或者计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中计及空气阻力的自适应巡航非线性控制方法。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，且本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。