智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同控制技術(shù)（第1版）課件 第9章 智能網(wǎng)聯(lián)汽車主動安全控制技術(shù)

智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同控制技術(shù)第1版智能交通與智能駕駛系列第9章智能網(wǎng)聯(lián)汽車主動安全控制技術(shù)9.1車輛主動安全控制系統(tǒng)概述9.2傳統(tǒng)避撞模型缺陷分析9.3避撞過程中交通資源非線性規(guī)劃問題9.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型9.5協(xié)同主動避撞模型應用于車輛隊列控制9.6仿真驗證第9章智能網(wǎng)聯(lián)汽車主動安全控制技術(shù)智能網(wǎng)聯(lián)汽車以隊列行駛時的車距，小于非隊列行駛時的車距，因此，如果控制系統(tǒng)操作不當，會增大碰撞事故發(fā)生概率，給車輛行駛造成新的安全隱患。為了隊列行駛安全性，當實際隊列行駛的車距小于制動距離時，需要通過隊列中的其他車輛協(xié)同操作來輔助完成避撞的動作，保證車輛隊列安全行駛。9.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車主動安全控制技術(shù)（1）車輛避撞（CA）系統(tǒng)●CA系統(tǒng)通過先進的傳感器技術(shù)（雷達、超聲波等測距傳感器）檢測車輛前方障礙物的距離信息和前方車輛的距離、速度信息，控制車輛遇到緊急情況時自動制動。●由于測距傳感器種類繁多、不同傳感器測距誤差較大的缺點，所以很難形成統(tǒng)一的標準，于是CA系統(tǒng)也受到了行業(yè)的質(zhì)疑。（2）車輛協(xié)同避撞（CCA）系統(tǒng)●無線網(wǎng)絡改進了車輛避撞系統(tǒng)的機制，從而升級為基于無線通信的行CA系統(tǒng)?！裼泻芏鄡?yōu)越之處，車輛可以獲取更多有益于建立控制模型的信息，避撞功能不再依靠加裝各種各樣的傳感器來實現(xiàn)。9.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車主動安全控制技術(shù)從控制實現(xiàn)方式來說，避撞模型主要包括兩種：車輛縱向控制模型和車輛橫向控制模型●當車速控制和縱向加速度作為主要的控制對象時，車輛縱向控制是主要的控制方式。●橫向控制是通過獲取車車之間的車速和車距信息、道路寬度信息來控制換道和超車時的方向盤角度來避免事故。本章主要考慮的場景為平直的縱向公路，所以主要分析車輛縱向避撞控制。9.2傳統(tǒng)避撞模型缺陷分析傳統(tǒng)協(xié)同避撞方法大多基于車車通信獲取信息來建立避撞模型，通過控制執(zhí)行機構(gòu)來完成避撞控制。下面進行分析。安全車距前后兩輛車車速保持一致時，需要制動距離9.2傳統(tǒng)避撞模型缺陷分析為保證安全，后車必須可在安全車距范圍內(nèi)可以將車速減到與前車一致，即公式聯(lián)立得解為9.2傳統(tǒng)避撞模型缺陷分析保持安全車距行駛下，前后車速不一致可能造成依靠一輛車的制動無法解決的碰撞事故，利用最大制動減速度來制動也無法在安全車距內(nèi)將車速減到零。這證明了傳統(tǒng)避撞控制方法應用在車輛隊列控制中存在缺陷。針對上述缺陷，利用車輛隊列行駛控制的整體優(yōu)勢，當一輛車制動無法解決問題時，需要其他正常行駛的車輛主動配合來確保整體隊列的行駛安全性?；谶@一思路，本章引入新的協(xié)同主動避撞的概念——協(xié)同主動避撞（CACA）系統(tǒng)。9.2傳統(tǒng)避撞模型缺陷分析協(xié)同主動避撞（CACA）系統(tǒng)：基于車車通信模式的新型避撞控制方法。協(xié)同主動避撞（CACA）系統(tǒng)，可以通過車車之間信息的交互避免碰撞事故的發(fā)生，協(xié)同主動避撞控制必須在車車通信的環(huán)境下才可以應用。CACA系統(tǒng)是CCA系統(tǒng)功能的擴展，可以彌補CCA系統(tǒng)的缺陷，充分利用無線通信的資源來協(xié)同控制保證車輛隊列運行的安全性。具體實現(xiàn)方式上，多車之間協(xié)同完成安全車距保持，實際是把各個車輛的車距協(xié)同分配——引出交通規(guī)劃學科中的非線性規(guī)劃問題。9.2傳統(tǒng)避撞模型缺陷分析9.3避撞過程中交通資源非線性規(guī)劃問題對信息判斷分析準確，才能很好地保證車輛安全行駛。現(xiàn)實遇到的很多優(yōu)化問題，經(jīng)常是非線性約束條件下的優(yōu)化問題，稱為非線性規(guī)劃問題，解決這類問題的方法稱為非線性規(guī)劃方法。9.3避撞過程中交通資源非線性規(guī)劃問題非線性規(guī)劃●運籌學理論的一個重要分支；●一個求解目標函數(shù)極值問題的的元實函數(shù)；●受一組等式或不等式約束條件的限制。目標函數(shù)和約束條件至少有一個是非線性函數(shù)。非線性規(guī)劃為系統(tǒng)管理和優(yōu)化提供了一種有效的分析方法。9.3.1非線性規(guī)劃函數(shù)9.3避撞過程中交通資源非線性規(guī)劃問題非線性規(guī)劃問題數(shù)學表達簡化為9.3.1非線性規(guī)劃函數(shù)9.3避撞過程中交通資源非線性規(guī)劃問題本章采用適合計算機處理器求解的迭代法。（1）非線性規(guī)劃函數(shù)凹凸性分析線性規(guī)劃最優(yōu)解——通常在可行域的頂點。非線性規(guī)劃最優(yōu)解——因為最優(yōu)解可能是可行域內(nèi)的任意點，所以需要首先判斷函數(shù)的凹凸性，然后求出最優(yōu)解在可行解集合內(nèi)的位置。f（x）為定義在R上的凸函數(shù)，滿足以下不等式：9.3.2非線性規(guī)劃求解方法9.3避撞過程中交通資源非線性規(guī)劃問題根據(jù)式（12-6）非線性規(guī)劃函數(shù)定義，有9.3.2非線性規(guī)劃求解方法9.3避撞過程中交通資源非線性規(guī)劃問題凸規(guī)劃在可行域內(nèi)存在最優(yōu)解，并且其全局最優(yōu)解與局部最優(yōu)解相等。優(yōu)化問題需要求出唯一解，當凸規(guī)劃存在唯一解時，說明目標函數(shù)f（x）是嚴格凸函數(shù)，并存在最優(yōu)解，此時凸規(guī)劃的最優(yōu)解即為唯一解。9.3.2非線性規(guī)劃求解方法9.3避撞過程中交通資源非線性規(guī)劃問題（2）基本迭代法求解非線性規(guī)劃問題9.3.2非線性規(guī)劃求解方法9.3避撞過程中交通資源非線性規(guī)劃問題NP模型常用迭代法求其最優(yōu)解。迭代規(guī)則：具體計算：9.3.2非線性規(guī)劃求解方法9.3避撞過程中交通資源非線性規(guī)劃問題求解NP函數(shù)的基本迭代方法步驟：9.3.2非線性規(guī)劃求解方法9.3避撞過程中交通資源非線性規(guī)劃問題9.3.2非線性規(guī)劃求解方法9.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型為避免車輛隊列中第n輛車條件不滿足避撞條件而造成追尾，需要前方車輛加速行駛一段時間來滿足第n輛車的避撞條件，完成行進間車車協(xié)同避撞控制?！刂品绞綖閰f(xié)同主動避撞9.4.1加速度非線性規(guī)劃模型非線性規(guī)劃目標函數(shù)9.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型9.4.1加速度非線性規(guī)劃模型CACA模型，約束條件：（1）最大加速度值約束條件（2）縱向車速范圍約束條件9.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型9.4.1加速度非線性規(guī)劃模型（3）后車車距約束條件9.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型9.4.1加速度非線性規(guī)劃模型約束條件的意義：對車距的計算有個預期值。即，如果按分配的加速度加速的話，需要滿足在控制器執(zhí)行時間后車距要大于等于零。基于非線性規(guī)劃的加速度分配模型：9.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型9.4.1加速度非線性規(guī)劃模型9.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型9.4.2非線性規(guī)劃求解條件目標函數(shù)是非線性的非凸函數(shù)，應用迭代法求解該目標函數(shù)時需先驗證其解的存在性?？尚行越獾募蠞M足車速限制條件和車距限制條件這兩個限制條件下解的存在性。9.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型9.4.2非線性規(guī)劃求解條件為了滿足車速限制條件，有那么式（12-23）的根應該等于0，即整理得9.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型9.4.2非線性規(guī)劃求解條件上式的解分兩種條件討論：【條件1】存在滿足車距限制條件下的唯一解。式（12-23）在條件1情況下的可行解不為空，存在最優(yōu)解。9.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型9.4.2非線性規(guī)劃求解條件【條件2】存在解不滿足車速限制條件，會發(fā)生碰撞事故。條件2下不存在一個可行解。9.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型9.4.2非線性規(guī)劃求解條件1號車的分配加速度模型總結(jié)：9.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型9.4.2非線性規(guī)劃求解條件結(jié)論證明：9.5協(xié)同主動避撞模型應用于車輛隊列控制定義一個避撞預測周期時間T，來保證1號車的分配加速度模型在執(zhí)行加速避撞時不影響2號車的安全性，使2號車在速度不變的條件下保證車距在安全車距范圍，滿足下式：1號車執(zhí)行分配加速度完成協(xié)同避撞，與2號車的車距不滿足約束條件（兩車最小安全車距行駛）：●2車需要協(xié)同1號車執(zhí)行加速避撞控制；●2號車加速行駛距離最小化，避免安全事故轉(zhuǎn)移給下一輛車。9.5協(xié)同主動避撞模型應用于車輛隊列控制2號車分配加速度模型總結(jié)：●滿足條件1，即則2號車分配加速度非線性規(guī)劃函數(shù)為9.5協(xié)同主動避撞模型應用于車輛隊列控制●滿足條件2，即1號車為避免碰撞而加速，造成碰撞事故轉(zhuǎn)移到1號車和2號車，不滿足避撞控制的前提條件。分配加速度模型無效，控制器不執(zhí)行操作。9.5協(xié)同主動避撞模型應用于車輛隊列控制n輛車的情況：n－1號車與n號車車距不滿足n－1號車的加速條件，條件為需要n號車同時進行協(xié)同加速。9.5協(xié)同主動避撞模型應用于車輛隊列控制n號車分配加速度模型：●滿足條件1，即則非線性規(guī)劃函數(shù)為9.5協(xié)同主動避撞模型應用于車輛隊列控制●滿足條件2，即同樣的，分配加速度模型無效，控制器不執(zhí)行操作。9.5協(xié)同主動避撞模型應用于車輛隊列控制時刻T上式成立，需要通過給定的計算的分配加速度模型。整個計算分配加速度過程可以擴展到整個具有車車通信的車輛隊列。9.5協(xié)同主動避撞模型應用于車輛隊列控制分配加速度過程會在滿足下列條件時停止：這個結(jié)論說明，加速度分配過程會一直循環(huán)判斷，直到n號車加速避撞的同時不影響的n+1號車的安全車距，或者是n號車已經(jīng)是通信系統(tǒng)可以檢測到的最遠車輛或前面已經(jīng)沒有其他加速的車輛，模型運算停止，車輛隊列分配加速度過程結(jié)束。在分配加速度模型在車輛隊列中運行結(jié)束并求出加速度控制量后，得到分配加速度值會反饋給控制單元來執(zhí)行避撞控制。在下一個控制周期，即t+△t，模型會判斷隊列中是否仍存在有安全隱患的車輛，如此循環(huán)以上過程，直至避撞過程結(jié)束。9.5協(xié)同主動避撞模型應用于車輛隊列控制。9.5協(xié)同主動避撞模型應用于車輛隊列控制。9.6仿真驗證在仿真驗證中，為方便對不同的相似模型進行比較，定義如下：●傳統(tǒng)避撞模型為單車（1-vehicle）模型；●只有兩車參與協(xié)同主動避撞的模型為兩車（2-vehicle）模型；●n輛車同時參與協(xié)同主動避撞的模型為多車（n-vehicle）模型。9.6仿真驗證比較單車模型和兩車模型的仿真結(jié)果。仿真環(huán)境：●兩臺具有車車通信的車輛在高速公路上同向行駛；●0號和1號車的初始速度分別為距40m/s和13m/s；●兩車的初始車距為40m;●因路面摩擦系數(shù)，最大制動減速度值只能小于等于。0號車執(zhí)行大于

的制動減速度時才能避免碰撞，這意味著只依靠0號車緊急制動無法避免追尾事故的發(fā)生。9.6.1兩車協(xié)同主動避撞9.6仿真驗證圖9-3a、c：兩車車距為零時，0號車速＞1號車速；

追尾事故發(fā)生在2.4s。圖9-3b、d：1號車在1～2s加速；0號車按最大制動減速度，減速到2.9s；3s時，0號和1號車的相對速度已經(jīng)等于零；

最后，兩車同以15m/s車速在高速公路上勻速行駛。圖9-3e：單車模型情況下，兩車軌跡在2.4s交叉，發(fā)生追尾。圖9-3f：兩車模型情況下，兩車軌跡在3s開始平行，不追尾。9.6.1兩車協(xié)同主動避撞9.6仿真驗證9.6.1兩車協(xié)同主動避撞9.6仿真驗證9.6.1兩車協(xié)同主動避撞9.6仿真驗證圖9-4：單車模型情況下，2.4s時車距變?yōu)?，發(fā)生追尾。兩車模型情況下，3s時車距減到為3m并保持穩(wěn)定，不追尾。9.6.1兩車協(xié)同主動避撞9.6仿真驗證9.6.1兩車協(xié)同主動避撞9.6仿真驗證9.6.2車輛隊列協(xié)同主動避撞以3輛車隊列仿真n輛車的協(xié)同主動避撞模型：●初始狀態(tài)0號、1號和2號車的初速度分別為40m/s、13m/s和14m/s，車距分別為40m和10m。●1號和2號車的車距不滿足分配加速度條件，不允許1號車加速，這就意味著0號和1號車之間不可避免地發(fā)生追尾事故，需要2號車配合加速完成避撞。9.6仿真驗證9.6.2車輛隊列協(xié)同主動避撞兩車模型仿真：●仿真開始時