一种适用于智能驾驶车辆的车间距滑模控制算法及系统

技术领域

本发明涉及车辆控制技术领域，具体为一种适用于智能驾驶车辆的车间距滑模控制算法及系统。

背景技术

智能驾驶作为未来汽车工业发展的重要领域，受到了国内外科研机构的广泛关注，而纵向间距控制由于其控制的性能决定了驾驶的安全性和舒适性，在设计开发的过程中，需要进行严格的算法选型和仿真验证。由于汽车整车模块相互之间通讯存在纯延迟，时滞和耦合特性，同时汽车动力学和运动学模型本身也具有参数繁杂以及非线性特性，故而在控制设计过程中需要综合考虑各种外界环境带来的干扰。

在传统自动驾驶领域，有多种控制算法，如PID控制，MPC控制，LQR控制，滑模控制等。其中滑模控制是线性控制方法之一，有它自身的优点，如在控制过程中，系统结构随着偏差的变化而有目的地变化，保证系统在控制器的作用下，最终使得系统轨迹能够在有限的时间内到达并保持在预先设定的滑动面上，使得闭环系统稳定运行在滑模面上，从而表现出滑模特有的性质。

现有技术中已经存在使用滑模控制车辆的控制方法，但现有技术中的控制方法一般为单独对车辆进行横向车距或者纵向车距的控制。现有技术可以查询到的纵向车距的控制，控制输出一般为油门开度或制动压力，与传统控制输出架构不符合；或者有现有技术利用快速终端滑模原理，最终计算得出期望的节气门开度或制动力矩，但传统汽车行业最终扭矩的输出一般需要经过ESP来仲裁，最后再决定给到动力系统或制动系统，故也不太符合实际智能驾驶系统的开发架构。

基于上述技术需求，亟需一种以加速度作为输出给到ESP/ESC,最后转换为扭矩输出后，给到动力系统或制动系统，用于纵向车距限制的控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于智能驾驶车辆的车间距滑模控制算法及系统，可通过基于指数趋近律的滑模控制算法，通过建立车辆动力学控制方程，建立滑模面，以指数趋近律为基础，最终获取理想加速度输出，保证纵向车距控制的实时性与精度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种适用于智能驾驶车辆的车间距滑模控制算法，包括以下步骤：

根据当前车辆与当前前车进行仿真，建立描述当前车辆纵向运动特性的动力学模型；

设定滑模面方程，使位于滑模面外的点通过运动至滑模面上；

设定指数趋近率，使任意位置初始点最终均趋近于滑模面上；

根据动力学模型、滑模面方程与指数趋近率，求取控制率方程；

对控制率方程进行光滑处理，光滑输出纵向加速度。

本申请进一步设置为，还包括增加前馈项，所述前馈项为当前前车加速度。

本申请进一步设置为，所述动力学模型为：

其中，

R

R

T

V

x

x

u代表当前车辆的理想跟车加速度。

本申请进一步设置为，所述滑模面方程为：

s＝k

本申请进一步设置为，所述增加前馈项为：

本申请还提供一种适用于智能驾驶车辆的车间距滑模控制系统，包括滑模控制器模块与ESP模块，所述滑模控制器模块配置为，接收当前车辆与当前前车的行驶数据，应用如权利要求1-3所述的一种适用于智能驾驶车辆的车间距滑模控制算法，输出纵向加速度；

所述ESP模块配置为，接收滑模控制器模块输出的纵向加速度，并实时向当前车辆的动力系统或制动系统发送扭矩请求。

本申请进一步设置为，所述行驶数据包括前车车速、当前车辆车速、理想车距、实际间距与当前前车加速度。

本申请还提供一种计算机可读的存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行前述提及的方法。

本申请还提供一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行前述提及的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)以加速度作为输出给到ESP/ESC，最后转换为扭矩输出后，给到动力系统或制动系统，用于纵向车距限制；

(2)滑动模态设计时与对象参数及其外界扰动都没有关系，且对对象参数变化及扰动不灵敏，不需要系统辨识和物理实现，使得控制响应快速；

(3)通过建立车辆动力学控制方程，建立滑模面，以指数趋近律为基础，最终获取理想加速度输出，保证纵向车距控制的实时性与精度。

附图说明

图1为本申请的方法步骤流程图；

图2为本申请的汽车纵向间距滑模控制示意图；

图3为本申请的控制原理图；

图4为本申请中的仿真输出示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，一种适用于智能驾驶车辆的车间距滑模控制算法，主要运用于智能驾驶跟车保持间距场景，通过滑模控制算法，控制加速度输出，最终达到保持安全跟车间距的目的。包括以下步骤：

根据当前车辆与当前前车进行仿真，本实施例采用MATLAB仿真方法，也可采用其他应用本原理的仿真方法，建立描述当前车辆纵向运动特性的动力学模型，动力学模型为：

其中，

R

R

T

V

x

x

u代表当前车辆的理想跟车加速度。

设定滑模面方程，使位于滑模面外的点通过运动至滑模面上，其滑模面方程为：

s＝k

设定指数趋近率，使任意位置初始点最终均趋近于滑模面上，如下：

再对控制率方程进行光滑处理，光滑输出纵向加速度，如下：

考虑到当前前车的动态状态，特别增加前馈项，前馈项为当前前车加速度，如下：

其中a

如图3所示，通过上述方法进行了仿真输出展示，术语滑模面为系统状态参数趋向于零的设计方程；趋近律为系统从任意初始状态趋向滑模面的动态规律。滑模控制自身所具有的一些特性，如对匹配干扰的绝对鲁棒性和降阶特性等，使得滑模控制成为变结构控制的一个重要分支。通过本实施例的滑模控制，通过建立车辆动力学控制方程，建立滑模面，以指数趋近律为基础，最终获取理想加速度输出，保证纵向车距控制的实时性与精度。更具有优点，滑动模态设计时与对象参数及其外界扰动都没有关系，且对对象参数变化及扰动不灵敏，不需要系统辨识和物理实现，使得控制响应快速。

运用了指数趋近律作为趋近律，能保证在指数趋近中，趋近速度从一较大值逐步减小到零，不仅缩短了趋近时间，而且使运动点到达切换面时的速度很小。单纯的指数趋近，运动点逼近切换面是一个渐进的过程，不能保证有限时间内到达，切换面上也就不存在滑动模态，所以要增加一个等速趋近项

本发明同时参考了前车的加速度作为前馈项，这是由于前述的滑模控制并未考虑到这是一个动态控制的系统，同时为了调节前馈项对于控制系统的影响，需要对前馈项作标定处理，因此给予了系数k

如图4所示，本申请还提供一种适用于智能驾驶车辆的车间距滑模控制系统，包括滑模控制器模块与车身电子稳定模块ESP(Electronic Stability Program)模块，滑模控制器模块配置为，接收当前车辆与当前前车的行驶数据，应用前述的一种适用于智能驾驶车辆的车间距滑模控制算法，输出纵向加速度；车身电子稳定程序ESP模块配置为，接收滑模控制器模块输出的纵向加速度，并实时向当前车辆的动力系统或制动系统发送扭矩请求。行驶数据包括前车车速、当前车辆车速、理想车距、实际间距与当前前车加速度。本实施例应用的系统为整车控制单元，用于智能驾驶跟车间距控制，主要涉及到智能驾驶ECU(Electronic Control Unit)电子控制单元以及车身电子稳定程序ESP/车身电子稳定性控制ESC(Electronic Stability Controller)模块，以及相关控制执行机构。

滑模控制是非线性控制方法之一，在控制过程中，系统结构随着偏差的变化而有目的地变化，保证系统在控制器的作用下，最终使得系统轨迹能够在有限的时间内到达并保持在预先设定的滑动面上，使得闭环系统稳定运行在滑模面上，从而表现出滑模特有的性质。

本申请还提供一种计算机可读的存储介质，存储介质中存储有计算机程序，其中，计算机程序被设置为运行时执行前述提及的方法。

本申请还提供一种电子装置，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器被设置为运行所述计算机程序以执行前述提及的方法。

可选地，在本实施例中，本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令终端设备相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：闪存盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取器(Random Access Memory，RAM)、磁盘或光盘等。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

上述实施例中的集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在上述计算机可读取的存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台或多台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。

在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的客户端，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

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单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。