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面向预期功能安全的智能网联车辆队列控制研究
| 论文题名： | 面向预期功能安全的智能网联车辆队列控制研究 |
| 关键词： | 智能网联车辆;队列控制;预期功能安全;横纵向协同控制;模型预测控制 |
| 摘要： | 安全性是智能网联车辆队列的第一要素。在预期功能安全(thesafetyoftheintendedfunctionality,SOTIF)难题引发的安全长尾效应的背景下，实现面向预期功能安全的智能网联车辆队列控制是亟待解决的重要研究课题。本文将从智能网联车辆队列的系统理论过程分析(systemtheoreticprocessanalysis,STPA)出发，分析智能网联车辆队列预期功能安全的触发条件以及致因场景，建立典型预期功能安全场景下的安全控制架构。 智能网联车辆队列的预期功能安全风险是指由于系统预期功能的局限性或合理可预见的人为误用所导致的不合理风险。首先，为了系统地分析智能网联车辆队列行驶过程的预期功能安全风险，本文基于系统理论过程分析方法，分析了智能网联车辆队列预期功能安全的触发条件以及致因场景。其中，将V2V(vehicle-to-vehicle)通信过程中存在的时变延迟以及障碍物车辆的切入/切出作为典型的触发条件以及致因场景进行深入研究。其次，提出了一种基于Lyapunov-Krasovskki稳定性定理的Hinfinity状态反馈控制器，以保证在时变通信延迟条件下智能网联车辆队列的纵向线性稳定性。进行了纵向跟随场景仿真，验证了所设计的纵向Hinfinity状态反馈控制器对于队列线性稳定性的有效性。再者，设计了一种基于人工势场的模型预测控制器(modelpredictivecontrol,MPC)，以解决智能网联车辆队列的横向控制问题。通过联合仿真在不同避障场景下对比和分析了不同避障策略的性能表现。进行了speedgoat控制器和恒润实时试验平台的联合硬件在环试验(Hardware-in-the-loop,HIL)，验证了所提出的模型预测控制器对于智能网联车辆队列的横向控制性能及其实时性。 进一步，设计了一种一体化鲁棒运动控制架构，以实现典型预期功能安全场景下的智能网联车辆队列控制。所提出的控制架构以分层的逻辑解决了智能网联车辆队列在时变通信延迟下的纵横向协同控制问题。顶层协调层采用了Hinfinity状态反馈控制器，并将顶层输出作为参考信号指导底层进行车辆的运动控制。底层运动控制层采用分布式模型预测控制器。通过Matlab/Simulink与TruckSim的联合仿真建立了多个典型预期功能安全场景，对比了一体化鲁棒运动控制架构与分布式模型预测控制器的性能表现。结果表明一体化鲁棒运动控制架构能够有效提升队列稳定性，并有效地解决时变通信延迟下的纵向稳定性和避障规划协调控制问题。最后，设计了硬件在环试验，证明了所提出的控制架构的有效性和实时性。 |
| 作者： | 彭利明 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 孙骏 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 合肥工业大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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