车队协同驾驶分散变结构建模、仿真与控制研究

摘要

车队协同驾驶是智能车路系统研究中的新热点。车队协同驾驶研究旨在兼顾道路交通安全与效率的条件下，充分利用道路条件，将若干单车组成跨车道柔性车队，使其能够根据不同交通状况，通过协作的方式完成相关车队驾驶策略，增加交通流量，缓解交通拥堵。目前车队协同驾驶研究主要集中在先进车辆控制及辅助驾驶技术，虽然车路通信技术研究较为成熟，已应用于动态交通诱导和不停车收费等先进交通信息管理系统，但是由于驾驶行为多样性和车辆高速移动性，支持车队协同驾驶的车车通信还处于研究中，相关通信介质和协议还处在试验阶段。同时，考虑到车队协同驾驶系统是一个广义的分散控制系统，其相关理论与方法仍处在不断发展和完善中，利用各种交通仿真与实验技术开展系统测试与验证是非常必要的。因此，本文主要采用半实物仿真技术，依托武汉理工大学智能交通系统研究中心构建的道路交通机电平台，开展车队协同驾驶建模、仿真与控制研究。论文主要内容如下：
　　 首先，构建了车队协同驾驶半实物仿真系统。在介绍了道路交通机电平台之后，主要讨论了系统的组成和功能，从系统结构，车队支持信息采集，车路信息交互以及车队分散变结构控制策略等方面作了详细说明。
　　 其次，开展了一维车队直道行驶研究：首先提出了一维车队直道行驶建模与控制问题，接着在直道路况下对一维车队控制系统进行建模，包括建立车速控制模型和车间距控制模型，然后采用分散滑模变结构方法设计一维车队首车巡航与后车跟随控制器，同时，采用Lyapunov稳定性理论对单车(首车)以及车队行驶稳定性进行分析，最后在MATLAB环境下验证控制器设计的有效性和稳定性。
　　 第三，开展了二维车队弯道行驶研究：首先分析车辆纵横向耦合影响，提出了二维车队弯道建模与控制问题，接着在弯道路况下针对二维车队换道、超车以及车道保持策略，建立二维车队耦合控制系统，包括纵向控制、横向控制以及横摆角控制模型，然后采用分散滑模变结构方法设计相应的耦合控制律，同时，采用Lyapunov稳定性理论对单车(首车)以及车队行驶稳定性进行分析，最后在MATLAB环境下验证控制律设计的有效性和稳定性。
　　 最后，采用构建的车队协同驾驶半实物仿真系统，依托武汉理工大学智能交通系统研究中心构建的道路交通机电平台开展车队协同驾驶模拟实验。初步检验了车队巡航及跟随策略在道路交通机电平台上的控制效果，为进一步研究车队协同驾驶系统的分散变结构控制提供理论和实验基础。