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原文传递高速公路环境下的智能网联汽车队列控制关键技术研究--以纵向控制和合并场景为例

论文题名：	高速公路环境下的智能网联汽车队列控制关键技术研究--以纵向控制和合并场景为例
关键词：	智能网联汽车;队列控制;轨迹规划;通信延迟;最小安全距离;高速公路
摘要：	在智能网联汽车的应用领域，队列控制技术因其安全、稳定、高效的特点，获得了业界的广泛关注。车辆在编队行驶时，其低间距高跟驰稳定性的特质，可以降低车辆运行过程中的空气阻力、提升空间利用率，从而在很大程度上提升道路交通容量、提高交通运输效率、避免交通拥堵、降低燃油消耗，对于整个社会的能源、经济等都可以起到积极的作用。高速公路由于其交通环境相对简单、通行效率高、车流量大的特点，将会成为智能网联车辆队列控制技术的理想应用场景。然而在该技术的实际开发与应用过程中，车车通讯时延及队列合并等外界扰动因素，为队列的运行安全性、稳定性及整体运行效能带来了一定的挑战。针对上述问题，论文从通讯时延和队列合并两个可同时影响运行效能的要素入手，打造“通信延迟下最小安全距离建模-考虑稳定性与安全性的队列控制方法构建-基于合作博弈的队列合并序列优化-队列合并过程横纵向控制方法”技术路线。论文的主要创新工作包括以下几个方面：　　（1）针对智能网联车辆队列因通信延迟而产生的安全性问题，提出了基于通信延迟的队列车辆最小安全距离模型。论文以专用短程通信协议（DedicatedShortRangeCommunication，DSRC）为车间通信基础，通过实车测试及分析计算通信协议的丢包情况，得到DSRC在正常情况下的最大通信延迟。同时考虑由于车辆机械响应延迟带来的误差，通过建立基于通信延迟的最小安全距离模型，确定了在DSRC通信协议下的队列最小安全距离可接受的最低标准，并通过仿真实验验证了车辆队列在不同运动状态下最小安全距离的可靠性。　　（2）针对通信延迟条件下智能网联汽车队列的运行稳定性需求，提出了多约束条件下的智能网联汽车队列控制方法。利用Udwadia-Kalaba（U-K）方法，建立车辆在拉格朗日力学下的动力学模型，并得到多车动力学系统。将包含前序研究所提出的最小安全距离约束在内的等式约束和双边不等式约束纳入动态系统，前者保证当前队列状态与最终状态之间的间距误差收敛为零，后者将整个过程中的车距限制在适当的范围内且不能低于队列最小安全距离。利用微分同胚方法通过将有界状态转换为无界状态来释放不等式约束，由此得以使用不等式约束的控制策略，并利用李雅普诺夫稳定性理论和仿真实验验证了所提出控制策略的性能。　　（3）针对队列合并过程中的策略层序列规划需求，提出了基于合作博弈的高速公路车辆队列合并序列优化方法。针对高速公路车道数减少而产生的队列合并问题，使用博弈的方法将合并效率最大化，将队列间的博弈转化为多个两车之间的博弈问题，通过求解极大值，确定不同策略的最小成本，从而确定最优合并序列，并通过所提出的队列控制方法让车辆到达合并点。通过仿真实验验证了合并优化方法可以有效降低系统整体能耗水平，提高乘客舒适度。　　（4）针对车辆队列合并过程中的控制层管控需求，研究了车辆变道协同控制轨迹规划方法。基于上一工作，利用合并序列优化方法确定车辆顺序的基础上，利用前序研究所提出的队列控制算法中的加速度，引入正弦函数，建立了动态变道轨迹规划模型，使车辆在变道过程中的轨迹平滑，增加车辆灵活性、提高乘客舒适度。通过仿真实验验证了轨迹规划方法的可行性与有效性。　　（5）针对本研究所提出方法面向真实交通环境的应用能力分析需求，论文构建异质交通流数值仿真环境，并测试了队列纵向与合并控制的交通震动传播抑制能力。通过仿真实验，在不同智能网联汽车渗透率下验证了车辆队列对于提高交通流稳定性的有效性，同时验证了所提出的队列控制算法对于交通流中速度扰动衰减的有效性。　　本文通过渐进式的研究，对智能网联汽车队列在高速公路环境下的纵向及合并控制特性进行了分析验证。结果证明，论文所提出的高速公路车辆队列控制方法可以发挥智能网联车辆的协同控制特性，改善交通流稳定性，优化车辆轨迹，提升交通效率和安全性。
作者：	胡梦岩
专业：	交通信息工程及控制
导师：	王卫星;杨澜
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2022