自動駕駛車輛縱向速度控制策略及仿真

摘要：針對自動駕駛車輛縱向速度的跟蹤控制問題，提出了基于模型預(yù)測控制和微分先行比例-積分-微分（PID）的雙層閉環(huán)控制策略：基于模型預(yù)測控制原理設(shè)計速度上層控制策略，采用層次分析法確定目標(biāo)函數(shù)中的權(quán)重系數(shù)，計算出適應(yīng)行駛條件的期望加速度；通過車輛逆縱向動力學(xué)模型計算對應(yīng)的驅(qū)動力和制動力，控制車輛速度，采用微分先行PID 進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。結(jié)果表明：在該策略下車輛加速或減速行駛時，車輛具有較好的跟蹤控制性能。

關(guān)鍵詞：自動駕駛；縱向速度控制；模型預(yù)測控制；比例-積分-微分（PID）

0 前言

早期針對車輛縱向速度控制策略的研究中，通常采用比例-積分-微分（PID）的控制方法，該方法具有調(diào)參方便、容易實施的優(yōu)點。王祥好［1］使用模糊PID 算法控制車輛縱向速度，通過模糊控制在線改變速度控制權(quán)重。冷姚等［2］使用二次最優(yōu)控制理論，并且考慮到多目標(biāo)優(yōu)化性能，設(shè)計了車輛速度控制策略。仝書杰［3］將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)PID 算法相結(jié)合，以實現(xiàn)自動駕駛車輛速度的高效控制。

本文采用上下分層的速度控制結(jié)構(gòu)，對車輛速度的跟蹤控制進(jìn)行研究。通過模型預(yù)測控制原理設(shè)計速度上層控制策略，并基于層次分析法確定目標(biāo)函數(shù)中的權(quán)重系數(shù)，在下層速度控制策略中采用微分先行的PID 進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，使得車輛能夠更加快速地響應(yīng)期望加速度，同時提高系統(tǒng)的魯棒性。

1 車輛縱向速度控制策略

采用上下分層的速度控制結(jié)構(gòu)，上層控制策略采用模型預(yù)測控制（MPC）設(shè)計目標(biāo)函數(shù)。在車輛行駛過程中，為能夠綜合考慮安全性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性等多目標(biāo)需求，設(shè)計相應(yīng)的約束條件，根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)和駕駛員設(shè)定的目標(biāo)速度，決策出相應(yīng)的期望加速度。下層控制策略根據(jù)上層控制策略決策出的期望加速度計算出車輛對應(yīng)的期望節(jié)氣門開度和期望制動壓力，并使用微分先行PID 進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，使得系統(tǒng)能夠快速穩(wěn)定地跟蹤期望加速度，從而實現(xiàn)對自動駕駛車輛的縱向速度控制。自動駕駛車輛縱向速度控制結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 上層控制策略的設(shè)計

2. 1 模型預(yù)測控制器的設(shè)計

在車輛縱向運(yùn)動的過程中，其上層決策的控制系統(tǒng)與下層傳動系統(tǒng)之間存在滯后，因此建立一階慣性環(huán)節(jié)來表示車輛的期望加速度與實際加速度之間的傳遞特性［4］。期望加速度aesp（ t ） 與實際加速度a （ t ） 之間的關(guān)系為：