付建源, 王 栗,華 亮
(南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 江蘇 南通 226019)
智能網(wǎng)聯(lián)車的橫向運(yùn)動(dòng)控制,是指車輛利用車載傳感器、互聯(lián)網(wǎng)定位系統(tǒng)等獲取自身位置相對于期望軌跡的偏差,通過一定的控制策略使其能夠按照期望的軌跡行駛[1-3]。智能車在高速、強(qiáng)擾動(dòng)、低附著的極限工況下的橫向控制作為車輛控制的關(guān)鍵技術(shù),是目前智能網(wǎng)聯(lián)汽車的研究重點(diǎn)。橫向控制使車輛保持在車道內(nèi)行駛,引導(dǎo)車輛進(jìn)行變道,同時(shí)保證安全性以及舒適性[4-5]。
對上述研究進(jìn)行梳理,車隊(duì)橫向控制的研究存在進(jìn)一步改善空間:
1) 車輛在極限工況下具有較強(qiáng)的非線性和不穩(wěn)定性,系統(tǒng)模型參數(shù)會(huì)存在較大誤差,這會(huì)導(dǎo)致控制器在設(shè)計(jì)時(shí)存在較大誤差,甚至無法保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。
2) 車輛在極限工況下側(cè)向和橫擺運(yùn)動(dòng)時(shí),容易受到載荷變化、風(fēng)阻、道路曲率以及低附著等未知外界干擾影響,導(dǎo)致系統(tǒng)無法準(zhǔn)確獲得外界干擾,進(jìn)而導(dǎo)致在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),只能人為選取較大的魯棒項(xiàng)增益,這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的抖振問題,魯棒性較差。
鑒于上述分析,提出了一種融合了自適應(yīng)控制、有界映射改進(jìn)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及干擾觀測器的車隊(duì)換道滑??刂品椒?。文章結(jié)構(gòu)如下:
1) 分析車輛橫向運(yùn)動(dòng)規(guī)律,建立車輛橫向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型;從換道時(shí)間、換道軌跡曲率變化、橫向加速度等方面,綜合考慮安全、快速等要求,建立車輛換道軌跡模型。
2) 通過輸入信號(hào)有界映射指導(dǎo)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)初始化來改進(jìn)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),提高了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的靈敏度;針對系統(tǒng)存在的未知參數(shù)或者參數(shù)有誤差的情況,通過改進(jìn)的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)系統(tǒng)參數(shù),保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性;利用干擾觀測器估計(jì)外界時(shí)變干擾并進(jìn)行了補(bǔ)償,干擾觀測器設(shè)計(jì)過程中,系統(tǒng)未知參數(shù)同樣使用改進(jìn)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行估計(jì),有效地抑制了抖振。
3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果在數(shù)值仿真平臺(tái)以及CarSim實(shí)車仿真平臺(tái)中在極限工況進(jìn)行仿真,驗(yàn)證該算法的優(yōu)越性以及可行性;最后將單車橫向控制推廣到多車橫向控制,實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)車隊(duì)的橫向控制。
針對車輛橫向的建模與控制問題,重點(diǎn)考慮車輛的側(cè)向以及橫擺運(yùn)動(dòng),模型建立如下[13]:
(1)
式中:y是車輛側(cè)向偏移量,δ是車輛的橫擺角,m是車輛的質(zhì)量,Iz是車?yán)@z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kf、kb為前后輪胎的側(cè)偏剛度,lf、lb為車輛前軸后軸到車輛質(zhì)心之間的距離,v是車輛的縱向速度,d(t)代表車輛受到的包括風(fēng)速、摩擦、坡度、通信干擾等造成的未知擾動(dòng),u為車輛的方向盤轉(zhuǎn)角。
式(1)可簡化為:
(2)
合理的換道軌跡規(guī)劃,可以使目標(biāo)車輛舒適、安全地變換到目標(biāo)車道,提高換道效率[14]。因此針對不同的換道場景,分別選擇余弦換道軌跡以及梯形加速度換道軌跡進(jìn)行軌跡規(guī)劃。
余弦換道軌跡設(shè)計(jì)方便易于改動(dòng)、換道軌跡最為平滑;在復(fù)雜環(huán)境下方便進(jìn)行連續(xù)換道;缺點(diǎn)是換道軌跡曲率存在突變。換道軌跡函數(shù)為:
y(t)=lb/2·[1-cos(π·t/ld)]
(3)
式中:lb為車道寬度,根據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)車道寬度規(guī)定,一般取lb=3.75 m,ld為換道時(shí)目標(biāo)車輛的縱向位移。設(shè)定目標(biāo)車在t=5 s完成一次換道,則得到連續(xù)換道的余弦換道軌跡,如圖1所示。
圖1 余弦換道軌跡
相比于其他換道軌跡,梯形加速度換道軌跡設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,有多個(gè)未知參數(shù)需要設(shè)計(jì)。但該換道軌跡曲率連續(xù)無突變、可以良好地?cái)M合實(shí)際換道路徑,是現(xiàn)實(shí)中常用的換道軌跡,但實(shí)現(xiàn)連續(xù)換道需要二次規(guī)劃。綜合考慮換道時(shí)間以及乘客舒適度,取橫向最大加速度為4 m/s2,車道寬度為3.75 m,對應(yīng)的換道軌跡方程為:
(4)
梯形加速度換道軌跡如圖2所示。
圖2 梯形加速度換道軌跡
控制系統(tǒng)的最終目的就是通過控制方向盤轉(zhuǎn)角,使得車輛跟蹤期望的換道軌跡[15]??刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
設(shè)計(jì)滑模面為:
(5)
式中:β=diag(β1,β2),取為正對角矩陣;e為跟蹤誤差。
為解決傳統(tǒng)滑模控制中存在的抖振現(xiàn)象和參數(shù)未知的問題,本節(jié)設(shè)計(jì)了新型自適應(yīng)非奇異快速終端滑模方法。該方法通過有界映射改進(jìn)的RBF自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來辨識(shí)系統(tǒng)參數(shù),并使用干擾觀測器估計(jì)系統(tǒng)的外界干擾并擬合。
(6)
式中:ω=[ω1,ω2,…,ωn]T為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值向量,n代表隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù);φ=[φ1,φ2,…,φn]T為隱含層輸出向量,隱含層中第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出為:
(7)
式中:ci為隱含層第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的中心向量,bi為隱含層第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的基寬,i=1,2,…,n。
通常,RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選取誤差信號(hào)作為其輸入信號(hào),但是誤差信號(hào)的范圍在控制器實(shí)施之前是無法確定的[16]。因此,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基寬和中心沒有設(shè)置的參照標(biāo)準(zhǔn),會(huì)嚴(yán)重影響神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的擬合效果??梢允褂谜`差轉(zhuǎn)換函數(shù)將無界的誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換為有界的輸入信號(hào),從而提高了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的靈敏度。
在誤差轉(zhuǎn)換函數(shù)的設(shè)計(jì)過程中引入tanh(雙曲正切函數(shù)),完成RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換,如圖4所示,tanh函數(shù)可表示為:
圖4 雙曲正切函數(shù)
(8)
通過tanh函數(shù)可以將輸入信號(hào)映射到[-1,1]范圍內(nèi),保證了輸入信號(hào)的有界性,故RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的中心和寬度的取值范圍更為準(zhǔn)確,提高了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的擬合效果。
基于改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對車輛時(shí)變參數(shù)K進(jìn)行在線估計(jì),使用估計(jì)值代替真實(shí)值,得到K矩陣的估計(jì)值為:
(9)
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的擬合誤差為:
(10)
(11)
(12)
(13)
假設(shè)1使用改進(jìn)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合參數(shù)矩陣K時(shí),存在最優(yōu)權(quán)值與實(shí)際值之間的有界的擬合誤差。其中,ψim(i=1,2,3,4)為逼近誤差的上界,理論上擬合誤差ψim的上界趨近于0。
因此,基于輸入信號(hào)有界映射改進(jìn)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值自適應(yīng)律設(shè)計(jì)如下:
(14)
(15)
(16)
(17)
定理1對于考慮的換道控制策略,設(shè)計(jì)車輛橫向換道策略如式(16)所示,可以保證被控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
(18)
式中:λ為魯棒項(xiàng)增益;sgn(S)為符號(hào)函數(shù)。
證明設(shè)計(jì)Lyapunov函數(shù)為:
(19)
對上述Lyapunov函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)得:
(20)
將式(12)—(15)中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值自適應(yīng)律代入式(18)中,可得:
-|ST|(λ-|d|)
(21)
為了增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性,將干擾觀測器與改進(jìn)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,完成對外界時(shí)變干擾的估計(jì),可以有效減少由于魯棒項(xiàng)而引起的控制力抖振。干擾觀測器設(shè)計(jì)如下:
(22)
(23)
利用輸入信號(hào)有界映射改進(jìn)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對f進(jìn)行擬合,可以表示為:
(24)
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的擬合誤差為:
(25)
假設(shè)2使用改進(jìn)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合參數(shù)矩陣f時(shí),存在最優(yōu)權(quán)值與實(shí)際值之間的有界的擬合誤差。其中,ψ5m為逼近誤差的上界,由假設(shè)1可知,ψ5m=0。
故可以得到基于輸入信號(hào)有界映射改進(jìn)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更新的干擾觀測器形式為:
(26)
(27)
設(shè)計(jì)估計(jì)整合參數(shù)f的輸入信號(hào)有界映射改進(jìn)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值自適應(yīng)律為:
(28)
式中:η5為一正常數(shù)。
定理2對于考慮的干擾觀測器形式,在原本的滑??刂撇呗灾屑尤敫蓴_觀測器部分后,設(shè)計(jì)的車輛橫向控制率為式(27),仍能保證被控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
(29)
證明設(shè)計(jì)Lyapunov函數(shù)為:
(30)
假設(shè)3外界干擾d為慢時(shí)變干擾,因此當(dāng)k1取較大值時(shí),可以認(rèn)為:
(31)
對上述Lyapunov函數(shù)求導(dǎo)得:
(32)
由矩陣跡的性質(zhì)可得:
(33)
將上式代入式(30)中,得:
(34)
由上述證明過程可得,所設(shè)計(jì)的控制器可以正確估計(jì)車輛系統(tǒng)時(shí)變參數(shù)以及外界干擾。
實(shí)驗(yàn)分為兩部分:首先在Matlab-Simulink平臺(tái)對余弦換道軌跡跟蹤進(jìn)行數(shù)值仿真;然后在CarSim-Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)對多項(xiàng)式函數(shù)換道軌跡跟蹤進(jìn)行聯(lián)合仿真。CarSim能夠詳細(xì)地定義整車各系統(tǒng)的特性參數(shù)、駕駛員模型、路面參數(shù)等信息。通過兩次實(shí)驗(yàn)以及2種換道軌跡綜合驗(yàn)證該方法的可行性、準(zhǔn)確性和優(yōu)越性的要求。本次實(shí)驗(yàn)采用C-Class Hatchback車型,車輛以及輪胎的參數(shù)如表1所示。
表1 車輛參數(shù)
參數(shù)辨識(shí)部分自適應(yīng)參數(shù)取為:η1=50,η2=5,η3=5,η4=15;干擾觀測器部分自適應(yīng)參數(shù)取為:η5=25,干擾觀測器增益值取為:k1=5 000,k2=500。高斯基函數(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)為:中心θi=[0.4,-0.32,0.23,0.1,-0.2,0.12,0.1,-0.2,0.32,-0.4];基寬εi=0.1。外界擾動(dòng)取d=0.5t+cos(π/3) km/h的時(shí)變干擾。
為了驗(yàn)證被控車在高速以及強(qiáng)干擾的極限工況下的緊急避障效果,假設(shè)實(shí)驗(yàn)場景為被控車以72 km/h的速度高速行駛,發(fā)現(xiàn)30 m外存在障礙物需要換道,且目標(biāo)車道有車,這就需要被控車在4 s內(nèi)完成2次換道操作,換道效果如圖5—8所示。
圖5—8是車輛在勻速行駛時(shí)的橫向位移曲線、側(cè)偏角曲線以及對應(yīng)的誤差曲線??梢钥吹皆诟咚偾彝饨绺蓴_較大的極限工況下,被控車實(shí)際行駛軌跡對理想軌跡的跟蹤誤差不超過0.02 m,并隨著換道的進(jìn)行在1 s內(nèi)誤差漸漸減小至0,滿足換道的安全性要求;側(cè)偏角曲線與理想曲線基本重合,誤差在0.005 rad以內(nèi),控制效果良好??梢钥吹綑M向位移以及側(cè)偏角的跟蹤誤差基本存在于換道開始時(shí)曲率發(fā)生突變的時(shí)間點(diǎn),證明曲率突變對跟蹤效果影響較大。
圖5 橫向位移跟蹤曲線
圖6 側(cè)偏角跟蹤曲線
圖7 橫向位移誤差曲線
圖8 側(cè)偏角誤差曲線
為了驗(yàn)證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及干擾觀測器的擬合效果,將仿真時(shí)長增加至10 s,擬合效果如圖9、10所示。
圖9 系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)
圖9是采用輸入信號(hào)有界映射改進(jìn)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對參數(shù)K的估計(jì)曲線。可以看到在參數(shù)估計(jì)的初期擬合值與真實(shí)值存在較大誤差,這也是車輛換道初期存在誤差的原因之一;隨著時(shí)間的進(jìn)行,改進(jìn)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以完成對參數(shù)的估計(jì)。
圖10是干擾觀測器對外界時(shí)變干擾的估計(jì)效果??梢钥闯?,設(shè)計(jì)的干擾觀測器可以在0.4 s內(nèi)快速地估計(jì)出干擾的真實(shí)值。通過將干擾估計(jì)值實(shí)時(shí)反饋到系統(tǒng)中,可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)總干擾的補(bǔ)償,提高了系統(tǒng)的魯棒性。
圖10 外界干擾的估計(jì)
圖11是使用干擾觀測器補(bǔ)償外界干擾后的控制力曲線??梢钥闯?,使用干擾觀測器對系統(tǒng)集總干擾進(jìn)行估計(jì)并進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償后,滑模切換增益較小,控制力平滑。圖12給出了在固定魯棒項(xiàng)增益下信號(hào)的控制力??梢钥闯?,為了補(bǔ)償外界干擾人為設(shè)定了較大的魯棒增益,控制信號(hào)具有嚴(yán)重的抖振現(xiàn)象。
圖11 使用干擾觀測器補(bǔ)償外界干擾后的控制力
圖12 固定增益的信號(hào)控制力
為了進(jìn)一步說明改進(jìn)后的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是否能在速度發(fā)生突變時(shí)有效地辨識(shí)出系統(tǒng)參數(shù),設(shè)定車輛初始速度為36 km/h,在15 s時(shí)加速至54 km/h,驗(yàn)證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)參數(shù)的估計(jì)效果。
圖13是縱向速度突變時(shí),改進(jìn)后的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)參數(shù)的估計(jì)效果。當(dāng)15 s速度發(fā)生突變時(shí),模型參數(shù)理想值也發(fā)生改變。根據(jù)圖13可得,改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在車輛速度發(fā)生突變時(shí),對系統(tǒng)參數(shù)也有良好的擬合效果。
圖13 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合效果
在傳統(tǒng)滑??刂频幕A(chǔ)上,加入輸入信號(hào)有界映射改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及基于改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)干擾觀測器能夠有效地估計(jì)系統(tǒng)未知參數(shù)并可以準(zhǔn)確地觀測系統(tǒng)集總干擾。此外,在滑??刂坡傻脑O(shè)計(jì)中完成對未知參數(shù)以及集總干擾的補(bǔ)償,可以有效地緩解由于參數(shù)未知導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定以及過大的魯棒項(xiàng)而導(dǎo)致的抖振現(xiàn)象。但由于設(shè)定的余弦函數(shù)換道軌跡曲率存在突變,在曲率突變時(shí)車輛的橫向跟蹤效果較差。
為了驗(yàn)證研究的算法能否完成極限工況下的換道要求,聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)選擇梯形加速度換道軌跡,車輛在低附著的潮濕路面上行駛(附著系數(shù)為0.35),且外界存在Vwind=3 km/h的風(fēng)速擾動(dòng),車道長度1 000 m,橫向?qū)挾葹?.75 m。車輛設(shè)置為一輛9 km/h緩慢行駛的目標(biāo)車以及一輛相距80 m的以54 km/h的速度行駛的被控車輛。仿真時(shí)長為20 s,在仿真進(jìn)行到5 s時(shí),被控車輛滿足換道條件,開始執(zhí)行換道;在8.15 s時(shí)完成換道并超車,然后目標(biāo)車?yán)^續(xù)在該車道行駛。換道過程3D仿真圖如圖14所示。
圖14 換道過程3D仿真圖
從圖14中CarSim三維仿真效果可以看出,目標(biāo)車可以沿著設(shè)定換道軌跡完成換道過程,換道過程中目標(biāo)車的控制輸入、側(cè)向加速度曲線以及路徑跟蹤曲線如圖15—17。
圖15 方向盤轉(zhuǎn)角
圖16 側(cè)向加速度曲線
圖17 聯(lián)合仿真路徑跟蹤曲線
從圖15—17可以看出,目標(biāo)車輛方向盤轉(zhuǎn)向操作符合正常駕駛員轉(zhuǎn)向時(shí)方向盤操作;實(shí)際側(cè)向加速度可以實(shí)現(xiàn)對理想側(cè)向加速度的跟蹤,且側(cè)向加速度最大值不超過2.5 m/s2,滿足了換道舒適性的需求;目標(biāo)車可以按照梯形加速度換道軌跡進(jìn)行換道,并再換道結(jié)束后可以完成姿態(tài)調(diào)整,保證車輛正常行駛,換道操作在3.5 s內(nèi)完成,且未與障礙車或其他障礙物相撞,滿足車輛自主換道的快速性以及安全性。
為了驗(yàn)證極限工況下,智能網(wǎng)聯(lián)車隊(duì)能否完成目標(biāo)軌跡的跟蹤,將單車轉(zhuǎn)向拓展到多車;兩車車間距為ds=30 m,車速為vs=54 km/h。前車判斷需要換道時(shí),在立即執(zhí)行換道操作的同時(shí),通知后車在ts后進(jìn)行轉(zhuǎn)向,其中ts=ds/vs。設(shè)置通訊有0.2 s的延遲,道路設(shè)置為潮濕路面(附著系數(shù)為0.35),外界存在Vwind=3 km/h的風(fēng)速擾動(dòng),仿真結(jié)果如圖18、19所示。
圖19 多車換道軌跡
從圖18、19可以看出,在前車完成換道后,后車根據(jù)前車所給的信息完成換道,在極限工況下依然可以良好地跟蹤設(shè)定軌跡,完成多車協(xié)同換道操作。
綜上所述,本節(jié)使用梯形加速度換道軌跡作為換道軌跡模型,在聯(lián)合仿真環(huán)境對控制算法進(jìn)行驗(yàn)證。通過分析仿真數(shù)據(jù)以及三維仿真動(dòng)畫,證明所設(shè)計(jì)的滑??刂破髂軌蚴怪悄芫W(wǎng)聯(lián)汽車在極限工況下安全、舒適、快速地完成單車自主換道以及多車協(xié)同換道。
1) 構(gòu)建了車輛二自由度動(dòng)力學(xué)模型,并對系統(tǒng)方程進(jìn)行描述,直觀得到系統(tǒng)參數(shù)存在的不確定性原因。然后基于不同的需求設(shè)計(jì)了2種不同的換道軌跡,滿足智能車實(shí)際換道要求。
2) 提出了帶有有界映射改進(jìn)的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、干擾觀測器的滑模自主換道控制。通過輸入信號(hào)有界映射改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)系統(tǒng)參數(shù),保證系統(tǒng)穩(wěn)定性,顯著減少誤差;使用改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的干擾觀測器觀測外界時(shí)變干擾并進(jìn)行補(bǔ)償,可以有效地抑制抖振;利用Lyapunov函數(shù)證明設(shè)計(jì)的控制器可以保證被控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
3) 分別在基于Matlab-Simulink的數(shù)值仿真和基于實(shí)車模型的Simulink-CarSim聯(lián)合仿真中在高速、強(qiáng)干擾以及低附著的極限工況,對多種換道軌跡,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性、準(zhǔn)確性及優(yōu)越性。與此同時(shí),將該控制器從單車控制推廣到多車協(xié)同控制,為多智能網(wǎng)聯(lián)車協(xié)同駕駛的橫向控制研究提供了思路。