[发明专利]协同自适应巡航控制系统的输入饱和无源化控制方法

说明书

本发明公开了一种协同自适应巡航控制系统的输入饱和无源化控制方法，用来解决CACC系统中的队列稳定控制问题。具体包括：1、建立车辆间的运动学方程；2、将队列稳定条件转化为输入饱和约束，以此得到带饱和输入的状态空间表达式；3、根据黎卡提方程，李雅普诺夫稳定理论和矩阵理论，设计系统的一种无源控制器；4、验证所设计的控制器在有扰动的情况下，是否仍能保持队列的稳定性。结果验证基于无源化的控制的器，既可以对扰动具有强鲁棒性，又具有输入限幅的功能，保证了队列的稳定性，且易于计算。

技术领域

本发明涉及协同自适应巡航控制系统中的队列稳定控制问题，属于协同自适应巡航控制领域，具体涉及一种协同自适应巡航控制系统的输入饱和无源化控制方法。

背景技术

随着我国经济的发展，汽车逐渐普及，至2021年5月我国机动车保有量达到3.8亿辆。在现有的交通条件下，车辆的增多引发了一系列问题，如交通拥堵、交通事故、环境污染、经济损失等。在众多的道路安全事故中，由人为原因导致的事故较多，其中有90％的交通事故是因驾驶员疲劳驾驶、未按规定变道、超速等而导致的。据此，提高车辆智能化程度，开发出可以降低驾驶员参与度的驾驶员辅助驾驶系统，可以在很大程度上降低因与驾驶员相关而造成的道路安全事故。在交通运输过程中如果能广泛使用协同自适应巡航控制系统(CooperativeAdaptive Cruise Control,CACC)，可以降低17％的后车追尾事故。CACC系统通过车辆间的信息交互实现队列协同巡航控制，一方面，在保证安全性的基础上可缩短跟车间距，减少交通能耗和提高交通安全性与通行效率，另一方面降低了驾驶员疲劳程度，在一定程度上能避免驾驶员的操作失误，因此研究CACC系统具有重要的意义。

CACC系统的主要特点是：确保一维队列中每个跟随车辆都能平稳的跟随前车，并保持期望车间距。

为了提高队列的稳定性，越来越多的控制方法及多种控制方法的结合不断地应用到协同自适应巡航控制系统中。目前常见的方法有无源控制、PID控制、最优控制、模糊逻辑控制，滑模变结构控制以及基于以上基础进行演变而来的控制方法。本文利用黎卡提方程和李雅普诺夫稳定理论，设计了该线性系统的无源控制器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种协同自适应巡航控制系统的输入饱和无源化控制方法，用来解决CACC系统中的队列稳定控制问题，队列在行驶过程中能够保持队列稳定，确保队列中每个跟随车辆都能平稳的跟随前车，并保持期望车间距，以此来提高交通流稳定性、吞吐量、驾驶安全性和车辆的乘坐舒适性。

为实现上述目的，本发明的技术方案步骤如下：

a、建立车辆间的运动学方程；

式中，ω_i＝a_i-1为扰动，u_i(t)＝a_i,e是控制输入。

b、将队列稳定条件转化为输入饱和约束，以此得到带饱和输入的状态空间表达式；

式中，y_i(t)是系统输出，C_i和D_2i是适当维数的矩阵，sat(u_i)是输入饱和函数。

c、根据黎卡提方程，李雅普诺夫稳定理论和矩阵理论，设计系统的一种无源控制器u_i；

通过选取合适的正定矩阵Q_i，R_i，解黎卡提方程，求P_i，验证P_i是否满足本文认定的条件，若满足，可求得控制器若不满足，重新选取正定矩阵Q_i，R_i。

d、验证所设计的控制器在有扰动的情况下，是否仍能保持队列的稳定性。