通信网络影响下自主车队建模与控制研究

摘要

作为智能交通系统(Intelligent Transportation Systems，ITS)的一个重要研究领域之一，自动化高速公路系统(Automated Highway Systems，AHS)因其能提高交通运营效率、改善交通安全、降低能源消耗、减少交通事故等众多优点而成为当前的一个研究热点。实现自动化高速公路系统的一个主要手段就是基于车辆控制系统(Vehicle Control System，VCS)的自主车队控制(Automated Vehicle Control Systems，AVCS)的方法，通过对车辆自身行驶状况(如车辆速度、加速度以及横向误差等)和前方行驶环境的测量(如车间距离、相对速度、领车加速度等)，最终采取措施(转向、油门、刹车等)对车辆进行控制，进而达到上述目的。
　　本文在分析梳理现有的自动化高速公路系统研究成果的基础上，对自主车队建模与控制这一课题进行了深入的研究，并针对其可能面临的通信网络丢包等新情况，研究了一种能保证系统稳定的解决办法，主要内容如下：
　　1、研究现状分析。比较全面地概述了自主车队建模与控制的基本概念、具体方法、研究现状以及存在的问题等。
　　2、车辆纵横向建模。在分析总结现有的自主车辆纵横向模型优缺点的基础上，从优化现有模型、利于控制器设计的角度出发，提出了本文所用的模型，其中主要包括基于横向误差的车辆横向的动力学模型、基于牛顿第二运动定律的车辆纵向的动态模型以及整个车队的结构模型。
　　3、理想通信下自主车队的控制。在理想的通信网络条件下，对横向控制，分别采用基于横向误差的状态反馈控制和基于预瞄跟随模型的输出反馈的方法设计车道保持(Lane Keeping System，LKS)控制器，然后仿真分析了状态反馈时稳态误差出现的原因。对于纵向车队控制，则分别利用PID控制、李雅普诺夫控制的方法进行了车队控制器的设计，然后利用仿真分析了车队的整体稳定性和在两种纵向控制方法下的差异，如对初始车间距离误差的响应、对领队车辆速度变化的适应性以及对车辆不确定因素的鲁棒性等。
　　4、通信网络影响下自主车队的控制。在车间通信网络丢包影响的环境下，将领队车辆信息丢包考虑为随机伯努利模型，然后建立了纵向车队混合控制的模型，在此基础上设计了保证系统稳定的动态输出反馈控制器；进一步考虑丢包和领队车辆的变速干扰同时存在的问题，利用LMI方法给出了H∞控制器存在条件，并进行了仿真验证。
　　最后对全文工作进行了梳理和总结，概述了一些仍需进一步研究的问题。

目录

封面

声明

目录

中文摘要

英文摘要

附图索引

附表索引

第1章 绪论

1.1 概述

1.2 研究现状

1.3 存在的问题和不足

1.4 本文主要工作及结构

第2章 自主车队横向和纵向建模

2.1 车辆横向建模

2.2 车辆纵向建模

2.3 本章小结

第3章 理想通信网络环境下自主车队的控制

3.1 横向控制

3.2 纵向控制

3.3 仿真及结果分析

3.4 本章小结

第4章 通信网络影响下自主车队的控制

4.1 引言

4.2 通信丢包影响下自主车队纵向控制器的设计

4.3 通信丢包影响下自主车队控制器仿真

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 全文工作总结

5.2 未来工作展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录