车辆纵向跟随稳定性与主动安全控制关键技术研究

摘要

随着汽车保有量的增加，交通安全和交通拥堵问题日益严重，研究如何运用智能控制替代驾驶员实现自动驾驶，来提高车辆主动安全性和道路通过效率，对解决当下交通问题具有十分重要的意义。
　　车辆纵向跟随系统是自动化公路系统中最重要的子系统之一，同时也是实现智能自适应巡航、无人驾驶和车队一体化控制等高级主动安全系统的基础。它通过控制技术使车辆以车队形式自动跟随行驶，从而提高公路系统的安全性和通过效率。但是，目前该系统研究中仍然存在一些难点问题。首先，由于进入公路的车辆数目无法确定，需要用一个无限维的复杂关联系统对其进行描述。而传统单个车辆稳定性和车队群稳定性无法保证关联系统的主动避撞性，必须引入额外的附加条件，这给控制器的设计带来很大难度。其次，由于车辆系统本身具有强烈非线性并受外部未知干扰等因素影响，建模不确定性无法避免。传统直接将其线性化后利用线性理论指导控制设计的方法具有很大的局限性，必须考虑系统中的非线性和不确定性对系统性能的影响，这也对控制设计提出了较大挑战。因此，若在设计车辆控制器时对以上两类不确定性引起的问题处理不当，可能造成系统的不稳定，进而导致严重的交通拥堵和交通事故。
　　本文针对上述难点问题，对车辆纵向跟随系统稳定性和主动安全控制方面的关键技术展开深入研究。本文的主要研究内容及创新点概括如下:
　　(1)提出了一种针对车辆纵向跟随系统安全性的全局主动避撞分散鲁棒控制设计方法。该方法首先给出了一类将整个避撞车间距误差空间映射到一个包含全体实数新空间的状态变换，然后在新空间中基于Lyapunov-Minimax方法设计分散鲁棒控制器得到了关联系统中每个子系统的一致有界性和一致最终有界性（实用稳定性），由此可推导出变换前系统的主动避撞性和群稳定性。与传统需要系统初始条件位于平衡点附近相比，该方法使得系统在任何安全的初始条件下均具有主动避撞性。
　　(2)提出了一种基于模糊集合理论表述车辆纵向跟随系统不确定性和该模糊意义下鲁棒控制增益最优化的设计方法。该方法首先给出了一类确定性的分散鲁棒控制器对付系统中的模糊不确定性。在该控制器作用下，每个子系统均具有确定性的性能（一致有界性和一致最终有界性）。这保证了最坏情况下系统的主动避撞性和群稳定性。然后根据受控系统性能中的模糊信息定义了一类二次型性能指标，构造了一个对于该性能指标的最优控制问题，并通过求解一元四次方程方法得到了鲁棒控制增益解析形式的最优解。
　　(3)提出了一种针对车辆纵向跟随系统紧致性的严格区间分散鲁棒控制设计方法。该方法首先给出了一类将车间距误差中某一严格区间映射到一个包含全体实数的新空间的状态交换，然后在新空间中基于Lyapunov-Minimax方法设计分散鲁棒控制器得到了关联系统中每个子系统的一致有界性和一致最终有界性，由此可推导出变换前系统的严格区间性和群稳定性。与传统不能对推导结果进行量化的控制方法相比，该方法使得系统在任何安全的初始条件下，车间距误差均能够控制在给定的严格区间范围内。这说明在保证主动避撞性的前提下可以考虑缩小车间距误差区间以提高道路运行效率。
　　(4)提出了一种针对模糊车辆纵向跟随系统的严格区间自适应鲁棒控制和自适应参数最优化设计方法。该方法利用模糊集合理论表述系统中的不确定性，给出了一类确定性的自适应分散鲁棒控制器。受控系统被证明有两部分的性能:确定性性能部分保证了最坏情况下的主动避撞性和严格区间性。而针对模糊性能部分定义了一类二次型性能指标，构造了一个对于该指标的最优控制问题，并通过求解得到了自适应控制增益解析形式的最优解。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 车辆纵向跟随控制研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 自动驾驶技术研究现状

1．2．2 车辆纵向跟随稳定性和控制研究现状

1．2．3 车辆纵向跟随稳定性和控制研究存在的困境

1．3 三类不确定性控制方法

1．3．1 确定性控制方法

1．3．2 随机不确定性控制方法

1．3．3 模糊不确定性控制方法

1．3．4 不确定性控制问题对比分析

1．4 本文的研究目标和主要研究内容

第二章 车辆纵向跟随全局主动避撞鲁棒控制

2．1 前言

2．2 车辆纵向跟随系统动力学模型

2．2．1 车辆纵向跟随系统构形

2．2．2 车间距误差动力学方程

2．3 状态变换和鲁棒控制器设计

2．3．1 针对避撞车间跑误差的对致变换

2．3．2 全局主动避撞鲁棒控制器

2．3．3 受控系统实用稳定性证明

2．4 车辆纵向跟随系统主动避撞控制性能分析

2．4．1 受控车辆主动避撞性分析

2．4．2 受控车队群稳定性分析

2．4．3 车间距误差状态空间吸引域分析

2．5 车队全局主动避撞控制效果验证

2．6 本章小结

第三章 模糊车辆纵向跟随系统鲁棒避撞控制及优化

3．1 前言

3．2 模糊数学理论

3．3 模糊车辆纵向跟随系统主动避撞鲁棒控制

3．3．1 模糊车队动力学模型描述

3．3．2 车辆确定性鲁棒控制器设计

3．3．3 受控模糊车辆系统确定性性能分析

3．4 最优鲁棒控制增益的解析解

3．4．1 微分不等式求解方法

3．4．2 模糊车辆系统的二次型性能指标

3．4．3 最优鲁棒控制增益的求解方法

3．5 模糊车队鲁棒避撞控制效果验证

3．6 本章小结

第四章 车辆纵向跟随系统全局严格区间鲁棒控制

4．1 前言

4．2 车辆纵向跟随系统动力学模型

4．2．1 车间距误差动力学方程

4．2．2 车间距严格区间控制问题描述

4．3 状态变换和鲁棒控制器设计

4．3．1 一类新的车间距误差空间状态变换

4．3．2 车间距严格区间控制器

4．3．3 受控系统的实用稳定性证明

4．4 两种变换下车间距严格区间性能分析

4．4．1 代数变换下车队系统性哉分析

4．4．2 对数变换下车队系统性能分析

4．4．3 车间距误差状态空间吸引域分析

4．5 车队全局严格区间控制效果验证

4．6 本章小结

第五章 模糊车辆纵向跟随系统严格区间自适应鲁棒控制及优化

5．1 前言

5．2 模糊车辆纵向跟随系统问题描述

5．2．1 模糊车辆系统动力学方程

5．2．2 状态变换与控制目标

5．3 模糊车辆系统严格区间白适应鲁棒控制

5．3．1 车辆确定性自适应鲁棒控制器

5．3．2 受控系统的实用稳定性证明

5．3．3 代数和对数变换下系统的性能分析

5．4 最优自适应调节器参数的解析解

5．4．1 微分不等式的解模糊操作

5．4．2 模糊车辆系统二次型性能指标

5．4．3 最优自适应调节参数的求解方法

5．5 模糊车队严格区间控制效果验证

5．6 本章小结

总结与展望

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢