一种面向车辆队列系统的自适应路径跟随控制方法

技术领域

本发明涉及车辆队列控制领域，具体涉及一种面向车辆队列系统的自适应路径跟随控制方法。

背景技术

车辆队列是实现车辆协同配合的一种控制方法。这种控制方式具有模块化、易于扩展和灵活的优点，在降低系统成本和管理难度的同时，可以有效提高运输效率，保证交通安全。

尽管研究人员在车辆队列系统研究领域取得了许多重要成果，但仍存在一些亟待解决的问题，如车辆队列系统分布式应用较少、扩展性减弱、通信开销增加等；这些问题导致车辆队列的跟踪误差增大，误差收敛速度降低。

为了提高车辆队列系统的可扩展性，提高车辆队列在不同环境下的适应性，让车辆队列以期望的速度直线行驶，本专利提出了一种面对车辆队列系统的自适应路径跟随控制方法。该方法可以优化车辆队列之间的信息传递，提高车辆队列的误差收敛速度，提高车辆在复杂路况下的适应性，保证整个控制系统的稳定性。首先，建立分布式车辆车队的非线性模型，得到目标路径的参数化形式。其次，制定了车辆排的几何和动态目标，并分析了目标之间的关系。第三，为了实现既定的控制目标，在考虑车辆行驶过程中的未知干扰的情况下，采用滑模控制方法和自适应控制方法设计了一种基于分布式车辆队列控制的路径跟随控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向车辆队列系统的自适应路径跟随控制方法，通过优化目标路径的更新规则和估计相邻车辆的加速度，提高了车辆队列车之间的信息传递速度，提高了车辆队列的轨迹跟随收敛速度，增强了车辆在不同环境下的适应性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种面向车辆队列系统的自适应路径跟随控制方法，基于参数化路径跟随车辆的轨迹加速车辆的误差收敛；基于有限时间滑模控制方法设计自适应控制器，将车辆位置误差和速度误差收敛在有限时间内；基于自适应算法估计相邻车辆的加速度，以减少车对车通信开销和传感器成本；所述方法具体包括如下步骤：

步骤一、获取车辆队列的目标路径、车辆队列的车辆间距离、期望速度；

步骤二、对车辆进行建模，模型是对输入变量和输出变量之间定量关系的描述；其中输入变量是车辆的加速度，输出变量是车辆的位置；基于二阶积分器，创建具有扰动项的车辆模型；

步骤三、根据步骤二的车辆模型，设计车辆引导速度，定义形成误差函数；基于误差反馈，设计每辆车的引导速度；

步骤四、根据步骤一的期望速度，步骤三的车辆引导速度，设计目标路径更新律；为加快车辆线路轨迹跟踪误差的收敛速度，提高控制器的控制精度，提高车辆在不同环境下的适应性，对路径进行参数化；

步骤五、根据步骤三的车辆引导速度与车辆实际速度的误差，车辆与目标路径的位置误差，设计滑模面；

步骤六、修改滑模逼近律，使滑模面上的状态收敛到期望值；

步骤七、根据步骤五的滑模面、步骤六的滑模趋近律，设计车辆的输入；

步骤八、根据自适应算法，估计车辆入口处相邻车辆的加速度。

在本发明一实施例中，步骤一具体实现方法为：

获取车辆队列的目标路径、队列车辆间距离、期望速度；给定车辆目标轨迹为

其中，

在本发明一实施例中，步骤二具体实现方法为：

基于双积分模型，车辆被视为刚体，不考虑车辆的宽度，车辆忽略自身前后负载的转移，仅考虑车辆的平面内运动，忽略车辆的垂直运动，并将未知扰动应用于车辆的输入，得到车辆的模型：

其中，i表示车辆的编号，

在本发明一实施例中，步骤三具体实现方法为：

第i车辆的引导速度被设计为

其中，

车辆队列误差反馈增益κ

其中，U＞0是正的常数增益，U的大小与车辆队列汇合过程中的速度有关，σ可以使κ

在本发明一实施例中，步骤四具体实现方法为：

目标路径更新律定义为

第i车辆的目标路径更新律被设计为

其中，第i车辆的旋转矩阵设为R

在本发明一实施例中，步骤五具体实现方法为：

l

其中，c为正的常数增益，

在本发明一实施例中，步骤六具体实现方法为：

设计滑模趋近律，合适的滑模趋近律可以使车辆编队误差e

/>

其中，

在本发明一实施例中，步骤七具体实现方法为：

联立公式(8)和公式(10)，定义

根据有限时间滑模面，μ

其中，α＞0为正的常数增益，

在本发明一实施例中，步骤八具体实现方法为：

定义

其中，k

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、提出了一种抗干扰车辆队列控制系统，并构建了带有扰动项的二阶车辆模型，提高了车辆队列控制系统在未知扰动下的可靠性，将车辆队列控制与轨迹跟随控制相结合，利用参数化轨迹生成方法将目标路径的更新律自由化，放宽了虚拟车辆生成轨迹的要求，提高了车辆队列的轨迹跟随收敛速度。

2、将自适应滑模控制方法应用于车辆排的轨迹跟踪控制，通过估计相邻车辆的加速度，提高了车辆排在复杂路况下的适应性，同时减少了车辆的测量负载和通信负载，使车辆排量减少和控制器稳定。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明实施例的控制结构图。

图2是本发明实施例的在全局坐标系下车辆坐标系与拓扑结构。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明一种面向车辆队列系统的自适应路径跟随控制方法，具体包括如下步骤：

步骤一、获取车辆队列的目标路径、队列车辆间距离、期望速度：

给定车辆目标轨迹为

其中，

给定车辆间距离为

D

其中，k

步骤二、对车辆进行建模：车辆队列系统由N个车辆组成，所有车辆编号为i，在车辆队列系统进行轨迹跟随的过程中，使用两套独立的坐标系统，分别是全局坐标系和车辆坐标系，其中，全局坐标系

其中，n

步骤三、根据步骤二的车辆模型，设计车辆的引导速度，定义第i车辆在

其中，

车辆与虚拟领航车辆之间的位置误差定义为，

其中，

其中，

其中，U＞0是正的常数增益，U的大小与车辆队列汇合过程中的速度有关，σ可以使κ

步骤四、根据步骤一的期望速度，步骤三的车辆引导速度，设计目标路径更新律，路径更新律定义为，

第i车辆的路径更新律被设计为，

其中，第i车辆的旋转矩阵设为R

步骤五、根据步骤三的引导速度与车辆实际速度的误差，车辆与目标路径的位置误差，设计滑模面，

l

e

其中，c为正的常数增益，

步骤六、设计滑模面趋近律，使滑模面上的状态收敛到期望的值，

可以设计滑模趋近律(27)，联立公式(25)和公式(27)，可以进行之后的函数求解。同时，设计滑模趋近律，合适的趋近律可以使车辆队列位置误差e

其中，

步骤七、根据步骤五的滑模面，步骤六的趋近律，设计车辆的输入，

定义

为了使e

其中，α＞0为正的常数增益，

步骤八、根据自适应算法，估计车辆的输入邻接车辆的加速度，

存在

其中，k

以上是本发明的优选实施方式，需要说明的是，本领域的技术人员在不脱离本发明的宗旨的前提下，还可以进行各种改进和变型，并且这样的改进和修改也应该被认为是在本发明的范围内。