智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同控制技術(shù)（第2版）課件 第10-15章 智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型-智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制硬件在環(huán)仿真技術(shù)

智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同控制技術(shù)第2版“十四五”時期國家重點(diǎn)出版物出版專項(xiàng)規(guī)劃項(xiàng)目新基建核心技術(shù)與融合應(yīng)用叢書智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)系列第10章智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型10.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制系統(tǒng)概述10.2智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)行駛條件10.3智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制技術(shù)10.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真第10章

智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型目的：把道路上行駛的無序車輛進(jìn)行編隊(duì)組合作為整體來控制。核心：將車隊(duì)中行駛路線相同的所有車輛的運(yùn)行狀態(tài)（即速度、加速度、車距等）歸于一致，從而簡化交通控制對象和增強(qiáng)車輛行駛安全性。車輛隊(duì)列協(xié)同控制方式也包括車隊(duì)縱向控制和橫向控制：●橫向控制——車輛保持在同一車道且不偏離，變道行駛時車輛隊(duì)列在不同車道之間統(tǒng)一換道和超車?！窨v向控制——車輛狀態(tài)（即速度、加速度、車距等）統(tǒng)一控制，保證車輛隊(duì)列行駛安全性和隊(duì)列穩(wěn)定性。10.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制系統(tǒng)概述10.1.1車輛編隊(duì)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型本章研究的是，加裝了自動駕駛裝置的智能車輛隊(duì)列，但同時保證駕駛?cè)藢囕v的最終控制權(quán)力。10.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制系統(tǒng)概述10.1.1車輛編隊(duì)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型車隊(duì)中第i輛車的加速度、速度及位移車輛隊(duì)列系統(tǒng)的模型控制目標(biāo)10.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制系統(tǒng)概述10.1.1車輛編隊(duì)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型車輛隊(duì)列系統(tǒng)的模型控制目標(biāo)：1）隊(duì)列中任意車輛的加速度趨近于0。2）設(shè)定理想車距為D，理想車距差值（又稱車間距偏差）趨近于0。3）隊(duì)列中任意相鄰第i輛車和第i－1輛車之間的相對速度趨近于0。4）當(dāng)首車車速達(dá)到穩(wěn)定速度時，被控車的加速度變化率為0。10.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制系統(tǒng)概述10.1.2車輛隊(duì)列系統(tǒng)控制方法車輛隊(duì)列控制方式有集中式和分布式兩種：●集中式控制——車輛隊(duì)列中所有行駛狀態(tài)信息首先發(fā)送到中央控制器的方式。理論上可以達(dá)到隊(duì)列行駛的最優(yōu)效果，但必須滿足中央控制器獲得所有車輛信息，無線通信帶寬可以滿足所有車輛數(shù)據(jù)同時交互，并有中央處理器信息處理量過大容易導(dǎo)致控制系統(tǒng)滯后，從而對系統(tǒng)實(shí)時性能和運(yùn)行效率造成嚴(yán)重影響的問題。●分布式控制——不存在中央控制器，隊(duì)列中的車輛僅能獲得附近車輛的行駛狀態(tài)信息。理論上不能達(dá)到最優(yōu)控制效果，但對車車通信帶寬需求低，控制速度快，適合實(shí)時性要求高的車輛隊(duì)列控制。10.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制系統(tǒng)概述10.1.2車輛隊(duì)列系統(tǒng)控制方法本章討論縱向高速公路行駛的車輛隊(duì)列，集中式控制不適合：【原因】需要增加路側(cè)集中控制基站之類的中央控制器，會限制車輛隊(duì)列的行駛范圍，增加交通系統(tǒng)的構(gòu)建成本。采用分布式控制——加裝車車通信系統(tǒng)和其他傳感器來獲取周邊車輛和道路交通情況信息的高速行駛車輛隊(duì)列，是安全性和穩(wěn)定性要求很高的實(shí)時控制系統(tǒng)。10.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制系統(tǒng)概述10.1.2車輛隊(duì)列系統(tǒng)控制方法兩種車輛隊(duì)列分布式控制方式：（1）車輛自適應(yīng)巡航控制（ACC）主要功能，根據(jù)當(dāng)前交通情況來控制車速和車距，保持車輛控制系統(tǒng)與前方車輛一致的行駛狀態(tài)。（2）車輛協(xié)同自適應(yīng)巡航控制（CACC）CACC是在ACC系統(tǒng)上安裝了車車通信單元后升級的系統(tǒng)，還可以接收周圍車輛行駛狀態(tài)信息和道路交通傳感器信息，從而獲取更多信息來完成巡航控制功能，可以更好地縮短行駛車距并提高道路交通通行能力。本章采用分布式控制結(jié)構(gòu)中的CACC。10.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制系統(tǒng)概述10.1.3車輛隊(duì)列控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)車輛隊(duì)列控制系統(tǒng)：核心控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模塊、車車通信模塊、定位模塊、人機(jī)交互界面及相關(guān)的傳感器模塊10.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制系統(tǒng)概述10.1.2車輛隊(duì)列系統(tǒng)控制方法主要部分：1）距離傳感器2）執(zhí)行器3）車車通信模塊4）定位模塊5）人機(jī)交互界面6）車身總線7）機(jī)器視覺10.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制系統(tǒng)概述10.1.2車輛隊(duì)列系統(tǒng)控制方法10.2智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)行駛條件行駛安全條件：●車輛的行駛安全性，如車距范圍、車速范圍、加速度范圍等；●整個車輛隊(duì)列的安全性，如當(dāng)車隊(duì)中某一車輛的狀態(tài)發(fā)生變化時，不會影響其他正常行駛的車輛，避免整個車隊(duì)的狀態(tài)發(fā)生驟變。10.2智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)行駛條件10.2.1車輛行駛安全性條件協(xié)同控制，可以保持較小的車距，但必須滿足一定安全車距范圍。10.2智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)行駛條件10.2.1車輛行駛安全性條件按照最大制動減速度停車后的制動距離n號車的安全車距n和n+1號車實(shí)際車距理想車距差值10.2智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)行駛條件10.2.2車輛隊(duì)列穩(wěn)定性條件車輛隊(duì)列穩(wěn)定性：車輛隊(duì)列行駛下車輛單體的速度變化或控制系統(tǒng)擾動不會造成向后鄰近車輛的速度和理想車距差值沿隊(duì)列行駛方向的繁衍和放大，并且隨著車輛隊(duì)列長度增加，擾動會逐漸減弱最終趨近于零，從而不會引起交通安全隱患。10.2智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)行駛條件10.2.2車輛隊(duì)列穩(wěn)定性條件理想車距差值的傳遞函數(shù)10.2智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)行駛條件10.2.2車輛隊(duì)列穩(wěn)定性條件車隊(duì)穩(wěn)定性條件：滿足該傳遞函數(shù)的范數(shù)小于或者等于1理想車距差值滿足條件：10.2智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)行駛條件10.2.2車輛隊(duì)列穩(wěn)定性條件初始條件車隊(duì)中某車速度發(fā)生微小變化，后續(xù)車輛的速度和理想車距差值會沿著隊(duì)列行駛方向增大而逐漸減小。這種衰減效果會隨著時間變化而增強(qiáng)，最終使得變化趨近于零，即單個車輛的狀態(tài)變化不會造成車輛隊(duì)列的不穩(wěn)定。10.3智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制技術(shù)n輛在高速公路同向行駛的車輛組成的隊(duì)列●同向行駛●車車通信來完成控制系統(tǒng)的信息獲取●狀態(tài)參數(shù)有車速、加速度、車距●無線通信正常，通信不存在延遲10.3智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制技術(shù)10.3.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制數(shù)學(xué)模型最理想的控制效果：所有車輛保持最小化、穩(wěn)定不變的車距同向行駛。●隨著車輛行駛速度提高，保證車輛行駛安全所需的車距也應(yīng)該增大；●行駛速度降低，車距保持在較小范圍也可以保證車輛行駛安全，隊(duì)列中車輛可以較為緊湊地行駛。綜合考慮當(dāng)前車速和車距的要求，并要判斷當(dāng)前的期望加速度是否在合理的范圍內(nèi)并且沒有與其他車輛碰撞的隱患。本節(jié)建立的控制模型核心就是要計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)下的臨界期望加速度值。10.3智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制技術(shù)10.3.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制數(shù)學(xué)模型滑?？刂颇Ｐ停海?）選取滑模切換函數(shù)非線性系統(tǒng)函數(shù)切換函數(shù)控制量在切換面切換10.3智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制技術(shù)10.3.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制數(shù)學(xué)模型滑模切換函數(shù)10.3智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制技術(shù)10.3.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制數(shù)學(xué)模型（2）選擇趨近律四種趨近方式：1）等速趨近律2）指數(shù)趨近律10.3智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制技術(shù)10.3.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制數(shù)學(xué)模型3）冪次趨近律

到達(dá)時間4）等速趨近律10.3智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制技術(shù)10.3.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制數(shù)學(xué)模型當(dāng)s和函數(shù)f（s）取不同的值時，可以得到以上各種趨近律。選擇的等速趨近方法得到滑?？刂品匠檀胧剑?0-5），有10.3智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制技術(shù)10.3.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制數(shù)學(xué)模型理想車距差值簡化為保證安全車距行駛下，理想的加速度計(jì)算模型為10.3智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制技術(shù)10.3.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制數(shù)學(xué)模型（3）滑?？刂葡到y(tǒng)李雅普諾夫穩(wěn)定性分析由于滑模變結(jié)構(gòu)控制策略的多樣性，定義滑模切換函數(shù)存在時表達(dá)式為運(yùn)動軌跡在切換面鄰域內(nèi)，可以在一定時間內(nèi)到達(dá)切換面——局部到達(dá)條件，等價為切換函數(shù)Y（t）應(yīng)同時滿足函數(shù)可微和經(jīng)過原點(diǎn)Y（0）=0兩個條件。10.3智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制技術(shù)10.3.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制數(shù)學(xué)模型考慮控制系統(tǒng)實(shí)時響應(yīng)時間，避免趨近速度過慢，要限制范圍用李雅普諾夫函數(shù)表示以上到達(dá)條件選取李雅普諾夫函數(shù)，判斷控制器穩(wěn)定性10.3智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制技術(shù)10.3.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制數(shù)學(xué)模型控制系統(tǒng)穩(wěn)定范圍這證明當(dāng)滑?？刂破鲄?shù)λ＞0時，本節(jié)建立的滑模控制模型滿足李雅普諾夫控制系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。10.3智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制技術(shù)10.3.2智能網(wǎng)聯(lián)汽車隊(duì)列穩(wěn)定性分析●上節(jié)的控制模型是基于前后車的狀態(tài)基礎(chǔ)建立的；●多車輛隊(duì)列行駛，前后兩車保持安全車距不一定能保證整個車隊(duì)的安全性，因?yàn)槌デ昂筌嚻渌囕v的行駛狀態(tài)改變?nèi)钥赡芤l(fā)安全事故；所以，需要將隊(duì)列穩(wěn)定性作為考慮因素。車隊(duì)穩(wěn)定性——車隊(duì)中某一車輛的速度變化引起的理想車距差值在向后方車輛傳播的過程中是否會被放大，是否會引起車輛隊(duì)列不按設(shè)定的車距行駛。穩(wěn)定性條件——理想車距差值的傳遞函數(shù)足范數(shù)小于等于1，即10.3智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制技術(shù)10.3.2智能網(wǎng)聯(lián)汽車隊(duì)列穩(wěn)定性分析第n－1輛車與第n

輛車之間的理想車距差值第n輛車與第n＋1輛車之間的理想車距差值第n輛車與第n＋1輛車之間的理想車距差值的傳播關(guān)系10.3智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制技術(shù)10.3.2智能網(wǎng)聯(lián)汽車隊(duì)列穩(wěn)定性分析車輛隊(duì)列穩(wěn)定性條件聯(lián)合前后兩車的期望加速度方程10.3智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制技術(shù)10.3.2智能網(wǎng)聯(lián)汽車隊(duì)列穩(wěn)定性分析兩式相減，變換后可得進(jìn)行拉普拉斯變換，得10.3智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制技術(shù)10.3.2智能網(wǎng)聯(lián)汽車隊(duì)列穩(wěn)定性分析簡化后駕駛?cè)朔磻?yīng)時間，當(dāng)控制器參數(shù)滿足時，隊(duì)列穩(wěn)定性判斷準(zhǔn)則對任何都成立——可以保持車輛隊(duì)列穩(wěn)定性10.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真仿真驗(yàn)證：●3輛車組成的車輛隊(duì)列；●高速極限工況。輸入：兩組頭車信號——階躍緊急減速輸入和正弦變化輸入（同第9章）。實(shí)驗(yàn)對比：車車通信模式下的協(xié)同避撞模型-普通環(huán)境中的傳統(tǒng)避撞模型。10.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真10.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真10.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真10.4.1階躍緊急減速輸入仿真效果頭車首先從初速度零開始做勻加速運(yùn)動，然后以最大的做緊急減速制動，采集3輛車的速度、加速度（制動減速度）和理想車距差值隨時間變化值作為仿真結(jié)果。10.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真10.4.1階躍緊急減速輸入仿真效果10.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真10.4.1階躍緊急減速輸入仿真效果10.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真10.4.1階躍緊急減速輸入仿真效果兩種模型的相同點(diǎn)：●當(dāng)頭車緊急制動時，3輛車的車速均從40m/s減到0；●3輛車的前后順序不變，均沒有發(fā)生追尾事故；●加速度均從0迅速變?yōu)椤煞N模型的不同點(diǎn)：●兩車的理想車距差值不同，傳統(tǒng)避撞控制模型雖然也實(shí)現(xiàn)了多車避撞控制，但是理想車距差值變化較大，存在潛在的安全隱患；●傳統(tǒng)避撞控制模型的車速和加速度跟隨曲線與協(xié)同避撞控制模型相比均存在較大的滯后。10.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真10.4.1階躍緊急減速輸入仿真效果結(jié)論：車車通信模式下的協(xié)同避撞控制模型能夠控制理想車距差值為－1～1m，并且前后車速度和加速度的跟隨時間均為1s左右，能夠比傳統(tǒng)避撞控制模型起到實(shí)時性更強(qiáng)的避撞控制效果，更有益于保證車輛隊(duì)列行駛安全性。10.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真10.4.2正弦加速度輸入仿真效果頭車輸入正弦加速度信號，車輛加速度在

范圍呈正弦變化，即輸入一個急加速和急減速的過程，驗(yàn)證車輛在傳統(tǒng)控制和協(xié)同控制模型下的運(yùn)行效果。10.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真10.4.2正弦加速度輸入仿真效果10.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真10.4.2正弦加速度輸入仿真效果10.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真10.4.2正弦加速度輸入仿真效果10.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真10.4.2正弦加速度輸入仿真效果傳統(tǒng)控制和協(xié)同控制模型均達(dá)到了車速控制的效果，沒有安全事故發(fā)生。兩種模型的不同點(diǎn)：●兩車的理想車距差值不同，傳統(tǒng)控制模型雖然也實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定車速跟隨，但是理想車距差值最大值為3m，說明存在潛在的安全隱患；●傳統(tǒng)控制模型的車速和加速度跟隨曲線相對于車車通信下的協(xié)同控制模型均存在較大的滯后。10.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真10.4.2正弦加速度輸入仿真效果結(jié)論：車車通信模式下的協(xié)同避撞控制模型能夠控制理想車距差值為－1～1m，并且前后車速度和加速度的跟隨滯后時間均為1s左右，能夠比傳統(tǒng)避撞控制模型起到實(shí)時性更強(qiáng)的跟隨控制效果，更有益于保證車輛隊(duì)列行駛安全性。第11章智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)切換控制技術(shù)11.1通信異常對智能網(wǎng)聯(lián)車隊(duì)控制影響及模型策略調(diào)整11.2考慮通信時延的智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)切換控制模型11.3通信失效下的智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)切換控制模型11.4通信異常時智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真第11章智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)切換控制技術(shù)本章任務(wù)：●分析車車通信延遲或失效對車輛隊(duì)列穩(wěn)定性的影響；●建立通信系統(tǒng)存在信號延遲甚至是失效時控制模型的調(diào)整方法。11.1通信異常對智能網(wǎng)聯(lián)車隊(duì)控制影響及模型策略調(diào)整11.1.1通信延遲的影響及模型策略調(diào)整車車通信系統(tǒng)：無線網(wǎng)絡(luò)存在延遲、異常、中斷的情況，導(dǎo)致車輛狀態(tài)信息的獲取存在延遲，控制系統(tǒng)不能實(shí)時做出有效的控制響應(yīng)，而是在一定時間之后才能夠響應(yīng)，此時間為延遲時間。車輛控制系統(tǒng)：機(jī)械傳動部件所限發(fā)動機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩不能立即達(dá)到理想轉(zhuǎn)矩，而是在一定時間之后才能夠達(dá)到，此時間為滯后時間。11.1通信異常對智能網(wǎng)聯(lián)車隊(duì)控制影響及模型策略調(diào)整11.1.1通信延遲的影響及模型策略調(diào)整車車通信系統(tǒng)：無線網(wǎng)絡(luò)存在延遲、異常、中斷的情況，導(dǎo)致車輛狀態(tài)信息的獲取存在延遲，控制系統(tǒng)不能實(shí)時做出有效的控制響應(yīng)，而是在一定時間之后才能夠響應(yīng)，此時間為延遲時間。車輛控制系統(tǒng)：機(jī)械傳動部件所限發(fā)動機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩不能立即達(dá)到理想轉(zhuǎn)矩，而是在一定時間之后才能夠達(dá)到，此時間為滯后時間。11.1通信異常對智能網(wǎng)聯(lián)車隊(duì)控制影響及模型策略調(diào)整11.1.1通信延遲的影響及模型策略調(diào)整11.1通信異常對智能網(wǎng)聯(lián)車隊(duì)控制影響及模型策略調(diào)整11.1.1通信延遲的影響及模型策略調(diào)整通信系統(tǒng)、傳感器及執(zhí)行器存在延遲和滯后，控制器的信息不可能立即得到執(zhí)行，同樣執(zhí)行后的信息也不可能立即反饋回控制器?！?通信系統(tǒng)延遲值τ-控制系統(tǒng)滯后值加速工況時減速工況時加速度延遲方程11.1通信異常對智能網(wǎng)聯(lián)車隊(duì)控制影響及模型策略調(diào)整11.1.2通信失效的影響及模型調(diào)整策略通信失效：通信延遲至無窮大的一個特殊情況?！耜?duì)列中行駛的車輛，需要提前判斷前方車輛是否發(fā)生了通信失效，然后調(diào)整控制模型參數(shù)，跳過失效車輛與前方車輛進(jìn)行通信；●通信失效車輛，判斷自己處于無網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)時，控制系統(tǒng)切換到定距跟車，保證車距不發(fā)生變化，與前車作為一體進(jìn)行控制，不影響車輛隊(duì)列整體安全性。11.1通信異常對智能網(wǎng)聯(lián)車隊(duì)控制影響及模型策略調(diào)整11.1.2通信失效的影響及模型調(diào)整策略11.2考慮通信時延的智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)切換控制模型11.2.2通信失效的影響及模型調(diào)整策略所有車輛的理想車距差值和連續(xù)兩車的相對速度之和Y趨向于0：考慮通信系統(tǒng)、傳感器及執(zhí)行器的滯后因素后，車輛隊(duì)列控制模型：11.2考慮通信時延的智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)切換控制模型車輛縱向加速度動態(tài)遲滯模型：n

號車縱向遲滯：n

－1號車縱向遲滯：11.2.2通信失效的影響及模型調(diào)整策略11.2考慮通信時延的智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)切換控制模型隊(duì)列中連續(xù)兩車在頻域內(nèi)的理想車距差值動態(tài)模型（兩式相減-一次微分-拉普拉斯變換）：條件一條件二11.2.2通信失效的影響及模型調(diào)整策略11.3通信失效下的智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)切換控制模型（1）通信失效車輛控制模型隊(duì)列中某車通信失效情況時，通信失效車輛無法與隊(duì)列中其他車輛進(jìn)行信息交互，原有車輛隊(duì)列協(xié)同控制模型已經(jīng)無法成立，需要調(diào)整控制結(jié)構(gòu)。n號車通信失效，此時調(diào)整車輛隊(duì)列協(xié)同控制模型結(jié)構(gòu)，令n＋1號車與n－1號車進(jìn)行通信。11.3.1車輛隊(duì)列中通信失效車輛及其后車的控制模型11.3通信失效下的智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)切換控制模型n號車能夠與n－1號車保持理想的理想車距差值：控制模型：n號車通信失效下車輛控制模型：11.3.1車輛隊(duì)列中通信失效車輛及其后車的控制模型11.3通信失效下的智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)切換控制模型（2）通信失效車輛后車的控制模型n號車通信失效，n＋1號車與n－1號車進(jìn)行通信交互，n－1號車得到的是n＋1號車的行駛信息，對應(yīng)車距和車速計(jì)算公式：期望加速度模型：11.3.1車輛隊(duì)列中通信失效車輛及其后車的控制模型11.3通信失效下的智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)切換控制模型考慮通信延遲時間，調(diào)整的期望加速度模型：11.3.1車輛隊(duì)列中通信失效車輛及其后車的控制模型11.3通信失效下的智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)切換控制模型通信失效情況下n號車與其前車n＋1號車的動態(tài)加速度遲滯模型：兩車的理想車距偏差：11.3.2通信失效下保持隊(duì)列穩(wěn)定性條件11.3通信失效下的智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)切換控制模型通信失效下車輛控制器參數(shù)：通信失效情況下失效車輛的固定車頭時距：11.3.2通信失效下保持隊(duì)列穩(wěn)定性條件11.3通信失效下的智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)切換控制模型n＋1號車動態(tài)遲滯關(guān)系：n－1號車動態(tài)遲滯關(guān)系：11.3.2通信失效下保持隊(duì)列穩(wěn)定性條件11.3通信失效下的智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)切換控制模型n＋1號和n－1號車的理想車距差值動態(tài)模型：n號車通信失效下，n－1號車滑?？刂茀?shù)：11.3.2通信失效下保持隊(duì)列穩(wěn)定性條件11.3通信失效下的智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)切換控制模型由于滑模控制參，通信失效情況下n－1號車的固定車頭時距值滿足：n號車通信失效下，n－1號車滑模控制參數(shù)：這樣在通信失效情況下可以保持車隊(duì)穩(wěn)定。11.3.2通信失效下保持隊(duì)列穩(wěn)定性條件11.3通信失效下的智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)切換控制模型滑模控制參數(shù)滿足以下條件：11.3.2通信失效下保持隊(duì)列穩(wěn)定性條件11.3通信失效下的智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)切換控制模型固定車頭時距滿足以下條件：11.3.2通信失效下保持隊(duì)列穩(wěn)定性條件11.3通信失效下的智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)切換控制模型n號車通信失效情況下，車輛隊(duì)列協(xié)同控制模型應(yīng)當(dāng)調(diào)整控制模型結(jié)構(gòu)：●通信失效的n號車和跟隨失效車輛的n

－1號車采用特定控制模型及參數(shù)，其余車輛沿用正常模型即可?！褚{(diào)整滑?？刂茀?shù)和固定車頭時距

滿足特定條件，此時可以保持車輛隊(duì)列穩(wěn)定性，避免因通信失效造成的連環(huán)追尾碰撞。11.3.2通信失效下保持隊(duì)列穩(wěn)定性條件11.4通信異常時智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真n號車通信延遲/失效情況下，選取同樣的仿真參數(shù)，分別對調(diào)整前的車輛隊(duì)列協(xié)同控制模型和本章調(diào)整后的車輛隊(duì)列協(xié)同控制模型進(jìn)行仿真。11.4通信異常時智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真1號車通信失效無法接收周圍車輛信息，正常勻速行駛時車輛隊(duì)列狀態(tài)不會變化，但是當(dāng)加速度輸入階躍緊急減速后，會對車輛隊(duì)列協(xié)同控制模型造成擾動。分別對比模型結(jié)構(gòu)調(diào)整前和調(diào)整后的速度、加速度、理想車距差值仿真結(jié)果。11.4.1頭車階躍緊急減速輸入仿真11.4通信異常時智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真11.4.1頭車階躍緊急減速輸入仿真11.4通信異常時智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真11.4.1頭車階躍緊急減速輸入仿真11.4通信異常時智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真1號車通信失效，如果車輛隊(duì)列協(xié)同控制模型不做調(diào)整：●1號車的車距保持會出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，理想車距差值最大到4m，不能按照設(shè)定安全車距行駛?！瘾@取不到周圍車輛信息使1號車期望加速度跳變，導(dǎo)致1號車車速超過前車車速，理想車距差值擴(kuò)大，進(jìn)而導(dǎo)致追尾碰撞事故。模型做出調(diào)整：●理想車距差值仍然能夠保持在1m之內(nèi)；●車速和加速度的變化和頭車保持一致，可以保持隊(duì)列穩(wěn)定性不變，從而保證車輛隊(duì)列行駛，不存在安全隱患。11.4.1頭車階躍緊急減速輸入仿真11.4通信異常時智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真1號車通信失效無法接收周圍車輛信息，正常勻速行駛時車輛隊(duì)列狀態(tài)不會變化，加速度輸入為正弦變化。分別對比模型調(diào)整前和調(diào)整后的仿真結(jié)果。11.4.2頭車正弦加速度輸入仿真11.4通信異常時智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真11.4.2頭車正弦加速度輸入仿真11.4通信異常時智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真11.4.2頭車正弦加速度輸入仿真11.4通信異常時智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真11.4.2頭車正弦加速度輸入仿真車輛隊(duì)列協(xié)同控制模型不做調(diào)整：●1號車的車距保持會出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，理想車距差值最大到4m，不能按照設(shè)定安全車距行駛?！瘾@取不到周圍車輛信息使1號車期望加速度跳變，導(dǎo)致1號車車速超過前車車速，理想車距差值擴(kuò)大，進(jìn)而導(dǎo)致追尾碰撞事故。模型做出調(diào)整：●理想車距差值仍然能夠保持在1m之內(nèi)；●車速和加速度的變化和頭車保持一致，可以保持隊(duì)列穩(wěn)定性不變，從而保證車輛隊(duì)列行駛，不存在安全隱患。11.4通信異常時智能網(wǎng)聯(lián)汽車編隊(duì)控制模型仿真11.4.2頭車正弦加速度輸入仿真第12章智能網(wǎng)聯(lián)汽車主動安全控制技術(shù)12.1車輛主動安全控制系統(tǒng)概述12.2傳統(tǒng)避撞模型缺陷分析12.3避撞過程中交通資源非線性規(guī)劃問題12.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型12.5協(xié)同主動避撞模型應(yīng)用于車輛隊(duì)列控制12.6仿真驗(yàn)證第12章智能網(wǎng)聯(lián)汽車主動安全控制技術(shù)智能網(wǎng)聯(lián)汽車以隊(duì)列行駛時的車距，小于非隊(duì)列行駛時的車距，因此，如果控制系統(tǒng)操作不當(dāng)，會增大碰撞事故發(fā)生概率，給車輛行駛造成新的安全隱患。為了隊(duì)列行駛安全性，當(dāng)實(shí)際隊(duì)列行駛的車距小于制動距離時，需要通過隊(duì)列中的其他車輛協(xié)同操作來輔助完成避撞的動作，保證車輛隊(duì)列安全行駛。12.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車主動安全控制技術(shù)（1）車輛避撞（CA）系統(tǒng)●CA系統(tǒng)通過先進(jìn)的傳感器技術(shù)（雷達(dá)、超聲波等測距傳感器）檢測車輛前方障礙物的距離信息和前方車輛的距離、速度信息，控制車輛遇到緊急情況時自動制動。●由于測距傳感器種類繁多、不同傳感器測距誤差較大的缺點(diǎn)，所以很難形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，于是CA系統(tǒng)也受到了行業(yè)的質(zhì)疑。（2）車輛協(xié)同避撞（CCA）系統(tǒng)●無線網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)了車輛避撞系統(tǒng)的機(jī)制，從而升級為基于無線通信的行CA系統(tǒng)?！裼泻芏鄡?yōu)越之處，車輛可以獲取更多有益于建立控制模型的信息，避撞功能不再依靠加裝各種各樣的傳感器來實(shí)現(xiàn)。12.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車主動安全控制技術(shù)從控制實(shí)現(xiàn)方式來說，避撞模型主要包括兩種：車輛縱向控制模型和車輛橫向控制模型●當(dāng)車速控制和縱向加速度作為主要的控制對象時，車輛縱向控制是主要的控制方式。●橫向控制是通過獲取車車之間的車速和車距信息、道路寬度信息來控制換道和超車時的方向盤角度來避免事故。本章主要考慮的場景為平直的縱向公路，所以主要分析車輛縱向避撞控制。12.2傳統(tǒng)避撞模型缺陷分析傳統(tǒng)協(xié)同避撞方法大多基于車車通信獲取信息來建立避撞模型，通過控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成避撞控制。下面進(jìn)行分析。安全車距前后兩輛車車速保持一致時，需要制動距離12.2傳統(tǒng)避撞模型缺陷分析為保證安全，后車必須可在安全車距范圍內(nèi)可以將車速減到與前車一致，即公式聯(lián)立得解為12.2傳統(tǒng)避撞模型缺陷分析保持安全車距行駛下，前后車速不一致可能造成依靠一輛車的制動無法解決的碰撞事故，利用最大制動減速度來制動也無法在安全車距內(nèi)將車速減到零。這證明了傳統(tǒng)避撞控制方法應(yīng)用在車輛隊(duì)列控制中存在缺陷。針對上述缺陷，利用車輛隊(duì)列行駛控制的整體優(yōu)勢，當(dāng)一輛車制動無法解決問題時，需要其他正常行駛的車輛主動配合來確保整體隊(duì)列的行駛安全性?；谶@一思路，本章引入新的協(xié)同主動避撞的概念——協(xié)同主動避撞（CACA）系統(tǒng)。12.2傳統(tǒng)避撞模型缺陷分析協(xié)同主動避撞（CACA）系統(tǒng)：基于車車通信模式的新型避撞控制方法。協(xié)同主動避撞（CACA）系統(tǒng)，可以通過車車之間信息的交互避免碰撞事故的發(fā)生，協(xié)同主動避撞控制必須在車車通信的環(huán)境下才可以應(yīng)用。CACA系統(tǒng)是CCA系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，可以彌補(bǔ)CCA系統(tǒng)的缺陷，充分利用無線通信的資源來協(xié)同控制保證車輛隊(duì)列運(yùn)行的安全性。具體實(shí)現(xiàn)方式上，多車之間協(xié)同完成安全車距保持，實(shí)際是把各個車輛的車距協(xié)同分配——引出交通規(guī)劃學(xué)科中的非線性規(guī)劃問題。12.2傳統(tǒng)避撞模型缺陷分析12.3避撞過程中交通資源非線性規(guī)劃問題對信息判斷分析準(zhǔn)確，才能很好地保證車輛安全行駛?，F(xiàn)實(shí)遇到的很多優(yōu)化問題，經(jīng)常是非線性約束條件下的優(yōu)化問題，稱為非線性規(guī)劃問題，解決這類問題的方法稱為非線性規(guī)劃方法。12.3避撞過程中交通資源非線性規(guī)劃問題非線性規(guī)劃●運(yùn)籌學(xué)理論的一個重要分支；●一個求解目標(biāo)函數(shù)極值問題的的元實(shí)函數(shù)；●受一組等式或不等式約束條件的限制。目標(biāo)函數(shù)和約束條件至少有一個是非線性函數(shù)。非線性規(guī)劃為系統(tǒng)管理和優(yōu)化提供了一種有效的分析方法。12.3.1非線性規(guī)劃函數(shù)12.3避撞過程中交通資源非線性規(guī)劃問題非線性規(guī)劃問題數(shù)學(xué)表達(dá)簡化為12.3.1非線性規(guī)劃函數(shù)12.3避撞過程中交通資源非線性規(guī)劃問題本章采用適合計(jì)算機(jī)處理器求解的迭代法。（1）非線性規(guī)劃函數(shù)凹凸性分析線性規(guī)劃最優(yōu)解——通常在可行域的頂點(diǎn)。非線性規(guī)劃最優(yōu)解——因?yàn)樽顑?yōu)解可能是可行域內(nèi)的任意點(diǎn)，所以需要首先判斷函數(shù)的凹凸性，然后求出最優(yōu)解在可行解集合內(nèi)的位置。f（x）為定義在R上的凸函數(shù)，滿足以下不等式：12.3.2非線性規(guī)劃求解方法12.3避撞過程中交通資源非線性規(guī)劃問題根據(jù)式（12-6）非線性規(guī)劃函數(shù)定義，有12.3.2非線性規(guī)劃求解方法12.3避撞過程中交通資源非線性規(guī)劃問題凸規(guī)劃在可行域內(nèi)存在最優(yōu)解，并且其全局最優(yōu)解與局部最優(yōu)解相等。優(yōu)化問題需要求出唯一解，當(dāng)凸規(guī)劃存在唯一解時，說明目標(biāo)函數(shù)f（x）是嚴(yán)格凸函數(shù)，并存在最優(yōu)解，此時凸規(guī)劃的最優(yōu)解即為唯一解。12.3.2非線性規(guī)劃求解方法12.3避撞過程中交通資源非線性規(guī)劃問題（2）基本迭代法求解非線性規(guī)劃問題12.3.2非線性規(guī)劃求解方法12.3避撞過程中交通資源非線性規(guī)劃問題NP模型常用迭代法求其最優(yōu)解。迭代規(guī)則：具體計(jì)算：12.3.2非線性規(guī)劃求解方法12.3避撞過程中交通資源非線性規(guī)劃問題求解NP函數(shù)的基本迭代方法步驟：12.3.2非線性規(guī)劃求解方法12.3避撞過程中交通資源非線性規(guī)劃問題12.3.2非線性規(guī)劃求解方法12.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型為避免車輛隊(duì)列中第n輛車條件不滿足避撞條件而造成追尾，需要前方車輛加速行駛一段時間來滿足第n輛車的避撞條件，完成行進(jìn)間車車協(xié)同避撞控制。——控制方式為協(xié)同主動避撞12.4.1加速度非線性規(guī)劃模型非線性規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)12.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型12.4.1加速度非線性規(guī)劃模型CACA模型，約束條件：（1）最大加速度值約束條件（2）縱向車速范圍約束條件12.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型12.4.1加速度非線性規(guī)劃模型（3）后車車距約束條件12.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型12.4.1加速度非線性規(guī)劃模型約束條件的意義：對車距的計(jì)算有個預(yù)期值。即，如果按分配的加速度加速的話，需要滿足在控制器執(zhí)行時間后車距要大于等于零?；诜蔷€性規(guī)劃的加速度分配模型：12.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型12.4.1加速度非線性規(guī)劃模型12.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型12.4.2非線性規(guī)劃求解條件目標(biāo)函數(shù)是非線性的非凸函數(shù)，應(yīng)用迭代法求解該目標(biāo)函數(shù)時需先驗(yàn)證其解的存在性?？尚行越獾募蠞M足車速限制條件和車距限制條件這兩個限制條件下解的存在性。12.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型12.4.2非線性規(guī)劃求解條件為了滿足車速限制條件，有那么式（12-23）的根應(yīng)該等于0，即整理得12.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型12.4.2非線性規(guī)劃求解條件上式的解分兩種條件討論：【條件1】存在滿足車距限制條件下的唯一解。式（12-23）在條件1情況下的可行解不為空，存在最優(yōu)解。12.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型12.4.2非線性規(guī)劃求解條件【條件2】存在解不滿足車速限制條件，會發(fā)生碰撞事故。條件2下不存在一個可行解。12.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型12.4.2非線性規(guī)劃求解條件1號車的分配加速度模型總結(jié)：12.4智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同主動避撞模型12.4.2非線性規(guī)劃求解條件結(jié)論證明：12.5協(xié)同主動避撞模型應(yīng)用于車輛隊(duì)列控制定義一個避撞預(yù)測周期時間T，來保證1號車的分配加速度模型在執(zhí)行加速避撞時不影響2號車的安全性，使2號車在速度不變的條件下保證車距在安全車距范圍，滿足下式：1號車執(zhí)行分配加速度完成協(xié)同避撞，與2號車的車距不滿足約束條件（兩車最小安全車距行駛）：●2車需要協(xié)同1號車執(zhí)行加速避撞控制；●2號車加速行駛距離最小化，避免安全事故轉(zhuǎn)移給下一輛車。12.5協(xié)同主動避撞模型應(yīng)用于車輛隊(duì)列控制2號車分配加速度模型總結(jié)：●滿足條件1，即則2號車分配加速度非線性規(guī)劃函數(shù)為12.5協(xié)同主動避撞模型應(yīng)用于車輛隊(duì)列控制●滿足條件2，即1號車為避免碰撞而加速，造成碰撞事故轉(zhuǎn)移到1號車和2號車，不滿足避撞控制的前提條件。分配加速度模型無效，控制器不執(zhí)行操作。12.5協(xié)同主動避撞模型應(yīng)用于車輛隊(duì)列控制n輛車的情況：n－1號車與n號車車距不滿足n－1號車的加速條件，條件為需要n號車同時進(jìn)行協(xié)同加速。12.5協(xié)同主動避撞模型應(yīng)用于車輛隊(duì)列控制n號車分配加速度模型：●滿足條件1，即則非線性規(guī)劃函數(shù)為12.5協(xié)同主動避撞模型應(yīng)用于車輛隊(duì)列控制●滿足條件2，即同樣的，分配加速度模型無效，控制器不執(zhí)行操作。12.5協(xié)同主動避撞模型應(yīng)用于車輛隊(duì)列控制時刻T上式成立，需要通過給定的計(jì)算的分配加速度模型。整個計(jì)算分配加速度過程可以擴(kuò)展到整個具有車車通信的車輛隊(duì)列。12.5協(xié)同主動避撞模型應(yīng)用于車輛隊(duì)列控制分配加速度過程會在滿足下列條件時停止：這個結(jié)論說明，加速度分配過程會一直循環(huán)判斷，直到n號車加速避撞的同時不影響的n+1號車的安全車距，或者是n號車已經(jīng)是通信系統(tǒng)可以檢測到的最遠(yuǎn)車輛或前面已經(jīng)沒有其他加速的車輛，模型運(yùn)算停止，車輛隊(duì)列分配加速度過程結(jié)束。在分配加速度模型在車輛隊(duì)列中運(yùn)行結(jié)束并求出加速度控制量后，得到分配加速度值會反饋給控制單元來執(zhí)行避撞控制。在下一個控制周期，即t+△t，模型會判斷隊(duì)列中是否仍存在有安全隱患的車輛，如此循環(huán)以上過程，直至避撞過程結(jié)束。12.5協(xié)同主動避撞模型

應(yīng)用于車輛隊(duì)列控制。12.6仿真驗(yàn)證在仿真驗(yàn)證中，為方便對不同的相似模型進(jìn)行比較，定義如下：●傳統(tǒng)避撞模型為單車（1-vehicle）模型；●只有兩車參與協(xié)同主動避撞的模型為兩車（2-vehicle）模型；●n輛車同時參與協(xié)同主動避撞的模型為多車（n-vehicle）模型。12.6仿真驗(yàn)證比較單車模型和兩車模型的仿真結(jié)果。仿真環(huán)境：●兩臺具有車車通信的車輛在高速公路上同向行駛；●0號和1號車的初始速度分別為距40m/s和13m/s；●兩車的初始車距為40m;●因路面摩擦系數(shù)，最大制動減速度值只能小于等于。0號車執(zhí)行大于

的制動減速度時才能避免碰撞，這意味著只依靠0號車緊急制動無法避免追尾事故的發(fā)生。12.6.1兩車協(xié)同主動避撞12.6仿真驗(yàn)證圖12-3a、c：兩車車距為零時，0號車速＞1號車速；

追尾事故發(fā)生在2.4s。圖12-3b、d：1號車在1～2s加速；0號車按最大制動減速度，減速到2.9s；3s時，0號和1號車的相對速度已經(jīng)等于零；

最后，兩車同以15m/s車速在高速公路上勻速行駛。圖12-3e：單車模型情況下，兩車軌跡在2.4s交叉，發(fā)生追尾。圖12-3f：兩車模型情況下，兩車軌跡在3s開始平行，不追尾。12.6.1兩車協(xié)同主動避撞12.6仿真驗(yàn)證12.6.1兩車協(xié)同主動避撞12.6仿真驗(yàn)證12.6.1兩車協(xié)同主動避撞12.6仿真驗(yàn)證圖12-4：單車模型情況下，2.4s時車距變?yōu)?，發(fā)生追尾。兩車模型情況下，3s時車距減到為3m并保持穩(wěn)定，不追尾。圖12-5：12.6.1兩車協(xié)同主動避撞12.6仿真驗(yàn)證12.6.1兩車協(xié)同主動避撞12.6仿真驗(yàn)證12.6.2車輛隊(duì)列協(xié)同主動避撞以3輛車隊(duì)列仿真n輛車的協(xié)同主動避撞模型：●初始狀態(tài)0號、1號和2號車的初速度分別為40m/s、13m/s和14m/s，車距分別為40m和10m?！?號和2號車的車距不滿足分配加速度條件，不允許1號車加速，這就意味著0號和1號車之間不可避免地發(fā)生追尾事故，需要2號車配合加速完成避撞。12.6仿真驗(yàn)證12.6.2車輛隊(duì)列協(xié)同主動避撞兩車模型仿真：●仿真開始時，0號車按最大制動減速度執(zhí)行緊急制動，同時1號車在2s時速度達(dá)到15m/s，但2號車維持14m/s的速度勻速行駛；●在5.2s時3輛車發(fā)生追尾。多車模型仿真：●2號車加速參與避撞，2號車從1.5s加速到2.7s，同時1號車從1s加速到2.5s；●1號和2號車開始加速時刻間隔0.5s，同時2號車分配的加速度和執(zhí)行時間小于1號車的，說明分配加速度會隨隊(duì)列中車輛增多而逐漸減小，并最終趨近于零；●3.4s后，3輛車保持相等的車速15m/s勻速行駛；●5s后，3輛車的軌跡保持平行，車距均不為零，不會發(fā)生碰撞事故。12.6仿真驗(yàn)證12.6.2車輛隊(duì)列協(xié)同主動避撞12.6仿真驗(yàn)證12.6.2車輛隊(duì)列協(xié)同主動避撞12.6仿真驗(yàn)證12.6.2車輛隊(duì)列協(xié)同主動避撞兩車模型：碰撞事故在5.2s發(fā)生，1號和2號車兩車的車距變?yōu)榱恪６嘬嚹Ｐ停?和2號車的車距會維持在10m，同時0號和1號車的車距維持在2m，不會發(fā)生追尾碰撞事故。12.6仿真驗(yàn)證12.6.2車輛隊(duì)列協(xié)同主動避撞CarSim軟件3D仿真，可以更顯著地看到兩車模型和多車模型執(zhí)行下的車隊(duì)運(yùn)行效果：兩車模型控制下會發(fā)生追尾碰撞事故，多車模型控制下沒有發(fā)生追尾碰撞事故。。第13章混行車隊(duì)通信拓?fù)浼败囬g距策略13.1混行車隊(duì)研究現(xiàn)狀分析13.2混行車隊(duì)多車道區(qū)域劃分及長度計(jì)算方法13.3混行車隊(duì)規(guī)模計(jì)算方法13.4車隊(duì)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)13.5車間距策略第13章混行車隊(duì)通信拓?fù)浼败囬g距策略本章主要研究V2X通信環(huán)境下多車道混行車隊(duì)系統(tǒng)建模：●首先，定義混行車隊(duì)，基于車輛換道特性確立道路區(qū)域劃分方法，減少了車輛換道行為對編隊(duì)控制的干擾；●然后，基于車輛行程時間和交通信號配時建立混行車隊(duì)規(guī)模計(jì)算方法，明確后續(xù)編隊(duì)的車隊(duì)數(shù)和車隊(duì)長度，分析混行車隊(duì)協(xié)同控制流程；●最后，基于混行車輛通信特點(diǎn)和駕駛特性，分析車隊(duì)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和車間距策略。13.1混行車隊(duì)研究現(xiàn)狀分析●目前，關(guān)于混行車輛的研究主要集中于交通流特性分析、不同滲透率下影響效果仿真，以及混行車輛協(xié)同換道、跟馳控制等方面，聚焦于兩種不同類型車輛的混合控制，然而對于三種不同類型車輛的混行研究較少。此外，對于混行車輛編隊(duì)控制的研究更少?！癖菊卵芯恳环N將MPC集成到混合車輛編隊(duì)中的控制方法，并保證隊(duì)列穩(wěn)定性，以及車間距、速度和加速度的一致性。通過建立三種不同類型車輛混行的協(xié)同控制模型，保證混行車隊(duì)能夠在綠燈時間內(nèi)不停車通過交叉口且通行時間最短，并確?；煨熊囮?duì)能夠在通信異常時安全平穩(wěn)地行駛。13.1混行車隊(duì)研究現(xiàn)狀分析●研究對象：MV、CV和CAV組成的混行車隊(duì)?！裱芯磕繕?biāo)：保證混行車隊(duì)以最優(yōu)速度和最小車間距有序通過交叉口為控制目標(biāo)，充分利用車路協(xié)同系統(tǒng)優(yōu)勢。13.1混行車隊(duì)研究現(xiàn)狀分析系統(tǒng)組成：1）道路①緩沖區(qū)②編隊(duì)區(qū)2）車輛①人工駕駛車輛（MV）②網(wǎng)聯(lián)（人工駕駛）車輛（CV）③網(wǎng)聯(lián)自動駕駛車輛（CAV）13.2混行車隊(duì)多車道區(qū)域劃分及長度計(jì)算方法●單個交叉口為例。●緩沖區(qū)內(nèi)車輛在滿足換道條件時即可換道，一旦進(jìn)入編隊(duì)區(qū)則禁止換道。13.2混行車隊(duì)多車道區(qū)域劃分及長度計(jì)算方法●研究兩個交叉口之間的區(qū)域?！窬彌_區(qū)和編隊(duì)區(qū)處于同一方向上，混行車輛進(jìn)入交叉口會首先通過緩沖區(qū)再進(jìn)入編隊(duì)區(qū)?！裨诰彌_區(qū)內(nèi)，由于存在左、直、右三個車道，車輛可能會出現(xiàn)并道或換道行為?！窀鶕?jù)行駛目的進(jìn)行分流，滿足換道需求?！窬庩?duì)區(qū)內(nèi)，結(jié)合交通信號燈控制，將同一綠燈時間能夠通過交叉口的車輛組成隊(duì)列，協(xié)同控制，動態(tài)調(diào)整隊(duì)列行駛狀態(tài)，穩(wěn)定安全地駛離交叉口?！裼肄D(zhuǎn)車輛不受交通信號燈控制，不存在紅燈滯留行為。本章主要對左轉(zhuǎn)和直行車輛進(jìn)行編隊(duì)控制。13.2混行車隊(duì)多車道區(qū)域劃分及長度計(jì)算方法本章根據(jù)車輛速度、加速度、安全距離和道路條件限制，將車輛行駛狀態(tài)主要分為編隊(duì)行駛和自由行駛兩種情形。13.2.1混行車隊(duì)協(xié)同控制流程13.2混行車隊(duì)多車道區(qū)域劃分及長度計(jì)算方法車輛從上一個交叉口進(jìn)入當(dāng)前路段，在緩沖區(qū)內(nèi)，根據(jù)自身行駛目的進(jìn)行換道，通過緩沖區(qū)后，進(jìn)入編隊(duì)區(qū)。13.2.1混行車隊(duì)協(xié)同控制流程13.2混行車隊(duì)多車道區(qū)域劃分及長度計(jì)算方法MV主要依靠駕駛?cè)艘曈X獲取信息，駕駛?cè)伺袛喈?dāng)前滿足換道條件即可產(chǎn)生換道行為；CV除了依靠視覺外，還可以借助V2X通信單元獲取周圍車輛信息和環(huán)境狀態(tài)，可與周圍車輛協(xié)同進(jìn)行換道；CAV不需要駕駛?cè)耍饕揽繑z像頭獲取視覺信息，同時借助其他先進(jìn)的傳感器設(shè)備和V2X通信單元與周圍車輛進(jìn)行信息交互，提前告知周圍車輛自身換道需求，從而調(diào)整換道行為。13.2.2多車道行駛區(qū)域內(nèi)換道場景分析13.2混行車隊(duì)多車道區(qū)域劃分及長度計(jì)算方法CAV換道常見情形：（1）CAV非限制自由換道目標(biāo)車道上沒有其他車輛干擾，可以在任意位置自由進(jìn)行換道。13.2.2多車道行駛區(qū)域內(nèi)換道場景分析13.2混行車隊(duì)多車道區(qū)域劃分及長度計(jì)算方法（2）CAV受限直接換道目標(biāo)車道的欲換道位置前后方存在其他車輛干擾。道路空間滿足換道需求，但是需要把握換道時機(jī)，不能在任意位置上換道。13.2.2多車道行駛區(qū)域內(nèi)換道場景分析13.2混行車隊(duì)多車道區(qū)域劃分及長度計(jì)算方法（3）CAV受限協(xié)同換道目標(biāo)車道欲換道位置前后方均存在其他車輛干擾，導(dǎo)致時間和空間條件均不能滿足換道需求，需要周圍車輛快速調(diào)整速度預(yù)留出換道空間，協(xié)助換道。13.2.2多車道行駛區(qū)域內(nèi)換道場景分析13.2混行車隊(duì)多車道區(qū)域劃分及長度計(jì)算方法劃分道路區(qū)域，將換道和編隊(duì)分布在不同道路區(qū)間，減少沖突點(diǎn)。假設(shè)車輛進(jìn)入緩沖區(qū)后以勻速狀態(tài)行駛，不存在速度突變情形，故而選擇圓弧形換道軌跡作為基礎(chǔ)模型進(jìn)行討論。13.2.3緩沖區(qū)與編隊(duì)區(qū)長度計(jì)算方法13.2混行車隊(duì)多車道區(qū)域劃分及長度計(jì)算方法時間關(guān)系滿足曲率半徑橫向位移縱向位移13.2.3緩沖區(qū)與編隊(duì)區(qū)長度計(jì)算方法13.2混行車隊(duì)多車道區(qū)域劃分及長度計(jì)算方法根據(jù)橫向位移公式得車輛換道的緩沖區(qū)長度編隊(duì)區(qū)長度13.2.3緩沖區(qū)與編隊(duì)區(qū)長度計(jì)算方法13.3混行車隊(duì)規(guī)模計(jì)算方法在城市道路上，考慮交通信號狀態(tài)的影響，有些車輛能夠在當(dāng)前綠燈下通過交叉路口，而有的車輛即使加速到最大也無法通過，必須在車道停止線前停車，等待下一周期通過。隊(duì)列應(yīng)滿足條件：①可以通過相同綠燈相位的具有相同行駛狀態(tài)的車輛組。②領(lǐng)航車必須為CAV。③單獨(dú)的CAV可視為隊(duì)列尺寸為1的單獨(dú)隊(duì)列。④不能組隊(duì)的車輛保持原始狀態(tài)行駛。⑤不同車道，多個車隊(duì)之間可通過V2V或RSU共享車輛信息。13.3混行車隊(duì)規(guī)模計(jì)算方法13.3混行車隊(duì)規(guī)模計(jì)算方法情形1

如果車輛勻速行駛且前面不存在排隊(duì)和干擾車輛，則行程時間為情形2

如果車輛不存在排隊(duì)，但存在前方車輛干擾導(dǎo)致它先減速再加速。加減速均為等速變換，行程時間為13.3混行車隊(duì)規(guī)模計(jì)算方法情形3車輛存在排隊(duì)，有

，行程時間為車輛排隊(duì)時間為車輛駛離交叉口的時間為那么，行程時間為13.3混行車隊(duì)規(guī)模計(jì)算方法情形4車輛存在排隊(duì)，有

，車輛先加速后勻速通過交叉口，則行程時間為車輛駛離交叉口的時間為那么，行程時間為13.3混行車隊(duì)規(guī)模計(jì)算方法6輛車駛?cè)虢徊婵跁r可能會出現(xiàn)的組隊(duì)情況來說明組隊(duì)規(guī)則。●0號和3號為CAV（虛線）●1號和4號為CV（點(diǎn)畫線）●2號和5號為MV（實(shí)線）13.3混行車隊(duì)規(guī)模計(jì)算方法●圖13-11a，4號和5號可以在當(dāng)前綠燈時間通過，但均不是CAV，不能作為領(lǐng)航車，因此不能組隊(duì)，5輛車均自由行駛?！駡D13-11b，5輛車均能在當(dāng)前綠燈時間通過，且0號車為CAV，可以作為領(lǐng)航車。因此,5輛車組成一個隊(duì)列通過，即車隊(duì)規(guī)模為5。●圖13-11c，3號車能夠作為領(lǐng)航車，與3號車同屬于一個綠燈時長內(nèi)的車輛組成一個隊(duì)列，即3～5號車組隊(duì)，車隊(duì)規(guī)模為3。13.3混行車隊(duì)規(guī)模計(jì)算方法●圖13-11d，0號車為CAV可以看成能夠在當(dāng)前綠燈時間通過、尺寸為1的單獨(dú)隊(duì)列；3～5號組成隊(duì)列2（車隊(duì)規(guī)模為3）在下一個綠燈時間通過?！駡D13-11e，2號車即使加速到最大也不能在當(dāng)前綠燈時間通過交叉口，因此不參與組隊(duì)；0～1、3～5號分別組成隊(duì)列1（規(guī)模為2）和隊(duì)列2（規(guī)模為3）在不同綠燈周期內(nèi)通過?！駡D13-11f，根據(jù)行程時間，0～2號組成隊(duì)列1（規(guī)模為3）在當(dāng)前綠燈時間通過，3～5號組成隊(duì)列2（規(guī)模為3）在下一綠燈時間通過。13.3混行車隊(duì)規(guī)模計(jì)算方法13.4車隊(duì)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)6種典型通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：●Predecessor-following結(jié)構(gòu)，跟隨車信息獲取單一，只接收前車信息；●Bidirectional結(jié)構(gòu)，相鄰兩車互相接收彼此信息；●Predecessor-leader-following結(jié)構(gòu)，領(lǐng)航車將信息傳遞給所有跟隨車，跟隨車不僅接收領(lǐng)航車的信息，而且同時接收前車信息；●Bidirectional-leader結(jié)構(gòu)，跟隨車同時接收領(lǐng)航車及相鄰前后車三種信息；●Two-predecessor-following結(jié)構(gòu)，跟隨車接收前面兩車的信息；●Two-predecessor-leader-following結(jié)構(gòu)，跟隨車接收領(lǐng)航車及前面兩車的信息。13.4.1通信正常車隊(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)13.4車隊(duì)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)13.4.1通信正常車隊(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)13.4車隊(duì)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合考慮信息來源的多樣性、實(shí)時性、準(zhǔn)確性及數(shù)據(jù)處理的時效性，目前較多采用PLF（Predecessor-leader-following）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。基于PLF結(jié)構(gòu)，同時考慮混行車輛特性，建立新的混行車隊(duì)基本通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（見圖13-13）：●非網(wǎng)聯(lián)車輛，不能通過通信單元接收信息，通過雷達(dá)、攝像頭、測速等傳感器獲取車間距、行駛速度等狀態(tài)信息；●網(wǎng)聯(lián)車輛，通過網(wǎng)圖網(wǎng)獲取周圍車輛行駛狀態(tài)，通過V2I獲得交通信號配時、道路是否擁堵等環(huán)境信息，同時將信息傳送給后車；●隊(duì)列領(lǐng)航車必須為CAV，有利于接收交通信號狀態(tài)，有利于跟隨車控制。13.4.1通信正常車隊(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)13.4車隊(duì)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)13.4.1通信正常車隊(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)13.4車隊(duì)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)行駛中混行車隊(duì)可能因外界干擾或通信中斷、時延等，使車隊(duì)局部網(wǎng)聯(lián)車輛通信失效，無法進(jìn)行信息交互，此時原有的通信拓?fù)洳荒軡M足編隊(duì)需求，易造成后車碰撞事故，因此需要對車隊(duì)的通信拓?fù)溥M(jìn)行切換。主要討論領(lǐng)航車通信異常及跟隨車通信異常情形下的切換策略?！袢舾S車是CV或CAV，則通過V2X通信單元同時接收領(lǐng)航車和前車的信息，并把信息傳遞給后車；●若跟隨車是MV，則只通過雷達(dá)、攝像頭、測速等傳感器獲取自身信息。13.4.2通信異常拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)切換13.4車隊(duì)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)領(lǐng)航車通信異常車隊(duì)結(jié)構(gòu)切換規(guī)則：通信異常CAV轉(zhuǎn)變?yōu)镸V，保持原始狀態(tài)行駛，不對其進(jìn)行編隊(duì)控制，同時重新找到滿足成為領(lǐng)航車條件的車輛建立新隊(duì)列。13.4.2通信異常拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)切換13.4車隊(duì)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)跟隨車通信異常車隊(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)切換規(guī)則：將通信異常CV視為MV，整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不改變，局部車輛通信結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，不需要解散隊(duì)列再重新組網(wǎng)，能夠有效提高車隊(duì)抗干擾能力。13.4.2通信異常拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)切換13.5車間距策略固定車間距指不考慮交通狀態(tài)的時變性，任何行駛場景下相鄰兩車保持固定的間距：復(fù)雜行駛環(huán)境下，異構(gòu)車輛混行采用一致的車間距離容易引發(fā)追尾碰撞事故，適用性和靈活性差。為了使得車間距能夠根據(jù)駕駛環(huán)境的變化而變化，引入車頭時距的安全間距控制策略：考慮更多因素的非線性車間距：13.5.1通信正常車間距策略13.5車間距策略13.5.1通信正常車間距策略13.5車間距策略為避免車隊(duì)中發(fā)生碰撞的安全距離：不同類型車輛的行駛距離：13.5.1通信正常車間距策略13.5車間距策略不同類型車輛的理想車間距：第n輛車與第n－1輛車之間的實(shí)際車間距：13.5.1通信正常車間距策略13.5車間距策略受通信異常車輛影響最大的是其后車，當(dāng)判斷前車通信失效后，控制系統(tǒng)會快速調(diào)整后車狀態(tài)（增加與前車的間距并且降低車速），同時相應(yīng)調(diào)整車隊(duì)的最優(yōu)控制策略。1號車（后車）減速增加與前車的距離。1號車加速度：1號車與領(lǐng)航車的理想車間距：13.5.2通信異常車間距策略13.5車間距策略1號車輛的行駛距離：理想車間距變?yōu)?3.5.2通信異常車間距策略13.5車間距策略對于i－1號車跟隨車通信失效，則其后車（即i號車）減速。i號車加速度：i號車輛的行駛距離：網(wǎng)聯(lián)跟隨車通信異常時的理想車間距：13.5.2通信異常車間距策略第14章混行車輛編隊(duì)控制方法及穩(wěn)定性分析14.1基于模型預(yù)測控制的混行車輛編隊(duì)模型14.2系統(tǒng)穩(wěn)定性分析14.3混行車輛編隊(duì)控制效果驗(yàn)證及分析

14.4混行車隊(duì)協(xié)同控制及通信異常切換控制14.5考慮交通信號配時下的單車道混行車隊(duì)協(xié)同控制14.6考慮交通信號配時下的多車道混行車隊(duì)協(xié)同控制第14章

混行車輛編隊(duì)控制方法及穩(wěn)定性分析本章內(nèi)容：●綜合考慮速度、安全車距、無線通信及交通信號配時等多種約束條件，基于模型預(yù)測控制（MPC）方法建立編隊(duì)控制算法；●分析控制模型滿足隊(duì)列穩(wěn)定性和漸近穩(wěn)定性時需要具備的條件●最后，通過Prescan/Matlab/Simulink軟件聯(lián)合仿真對建立的混行車隊(duì)協(xié)同控制算法進(jìn)行驗(yàn)證。14.1基于模型預(yù)測控制的混行車輛編隊(duì)模型基于MPC建立異構(gòu)混行車輛編隊(duì)控制算法，具有抗干擾能力強(qiáng)和魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)，在處理多約束、多變量問題上的效果較好。14.1基于模型預(yù)測控制的混行車輛編隊(duì)模型14.1基于模型預(yù)測控制的混行車輛編隊(duì)模型主要研究內(nèi)容：1）采集車輛運(yùn)行狀態(tài)（如初始速度、初始位置等），以及當(dāng)前信號燈狀態(tài)（如信號燈色、信號時長、相位開始時刻等），建立狀態(tài)空間方程；然后，根據(jù)實(shí)際交通環(huán)境約束條件（交通信號綠燈時長、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、路段限速等）建立編隊(duì)控制算法和多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)。2）研究目前存在的穩(wěn)定性分析方法及其適用性和局限性，探討基于MPC的混行車輛編隊(duì)算法具體適用于哪種穩(wěn)定性分析方法，并根據(jù)隊(duì)列穩(wěn)定性滿足時刻反推車間距、速度或加速度應(yīng)該滿足的條件。14.1基于模型預(yù)測控制的混行車輛編隊(duì)模型MPC方法的控制特點(diǎn)：1）建模簡單，能夠處理多約束、多變量問題，即使不了解系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行過程，只要準(zhǔn)確建立輸入、輸出模型，就可掌握系統(tǒng)控制量的變化，預(yù)測未來發(fā)展趨勢。2）通過反饋校正，可逐步消除預(yù)測輸出和實(shí)際輸出之間的誤差，盡可能使預(yù)測值更加準(zhǔn)確，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3）針對控制目標(biāo)，對預(yù)測輸出和參考軌跡進(jìn)行滾動優(yōu)化。通過求解目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)時系統(tǒng)最優(yōu)控制率，并隨著時間向前滾動一直持續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)，達(dá)到實(shí)際輸出和預(yù)測輸出一致，能夠有效解決模型適應(yīng)性、算法靈敏度、外界不確定因素干擾等問題，提高系統(tǒng)的魯棒性。14.1.1模型預(yù)測控制方法簡述14.1基于模型預(yù)測控制的混行車輛編隊(duì)模型MPC方法4個組成環(huán)節(jié)：1）模型預(yù)測。能通過歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)在采集的數(shù)據(jù)來預(yù)測未來時刻被控對象的發(fā)展趨勢，描述其可能出現(xiàn)的動作行為和動態(tài)軌跡。2）反饋校正。反饋機(jī)制，更能體現(xiàn)系統(tǒng)控制效果并且便于后續(xù)優(yōu)化改進(jìn)。3）滾動優(yōu)化。在每一個采樣時刻都會根據(jù)反饋信息和控制目標(biāo)自行調(diào)整優(yōu)化.4）參考軌跡。系統(tǒng)會首先根據(jù)控制目標(biāo)輸出一條理想狀態(tài)下的平滑的曲線，以此作為參考標(biāo)準(zhǔn)。14.1.1模型預(yù)測控制方法簡述14.1基于模型預(yù)測控制的混行車輛編隊(duì)模型14.1.1模型預(yù)測控制方法簡述14.1基于模型預(yù)測控制的混行車輛編隊(duì)模型車輛編隊(duì)控制主要是為了將分散的個體組成一個整體，使同為一個隊(duì)列的個體車輛具有相同的行駛速度和車間距，以此有效減少個體車輛由于判斷不準(zhǔn)確存在的車間距過大問題，減少道路資源浪費(fèi)。本章以領(lǐng)航車為坐標(biāo)原點(diǎn)，研究跟隨車相對于領(lǐng)航車的縱向運(yùn)動狀態(tài)。14.1.2通信正常混行車輛編隊(duì)控制模型14.1基于模型預(yù)測控制的混行車輛編隊(duì)模型14.1.2通信正?；煨熊囕v編隊(duì)控制模型14.1基于模型預(yù)測控制的混行車輛編隊(duì)模型兩車實(shí)際車間距偏差：車輛間速度偏差：車輛n的車頭時距：推導(dǎo)得14.1.2通信正?；煨熊囕v編隊(duì)控制模型14.1基于模型預(yù)測控制的混行車輛編隊(duì)模型車間距偏差一階導(dǎo)：速度偏差一階導(dǎo)：14.1.2通信正?；煨熊囕v編隊(duì)控制模型14.1基于模型預(yù)測控制的混行車輛編隊(duì)模型假設(shè)領(lǐng)航車以勻速狀態(tài)行駛，跟隨車n的實(shí)際車間距：狀態(tài)空間方程：14.1.2通信正?；煨熊囕v編隊(duì)控制模型14.1基于模型預(yù)測控制的混行車輛編隊(duì)模型設(shè)簡化狀態(tài)空間方程：14.1.2通信正常混行車輛編隊(duì)控制模型14.1基于模型預(yù)測控制的混行車輛編隊(duì)模型MPC中輸入和輸出關(guān)系：進(jìn)行離散化處理14.1.2通信正?；煨熊囕v編隊(duì)控制模型14.1基于模型預(yù)測控制的混行車輛編隊(duì)模型車輛輸入狀態(tài)方程：14.1.2通信正?；煨熊囕v編隊(duì)控制模型14.1基于模型預(yù)測控制的混行車輛編隊(duì)模型式（14-14）和式（14-15）離散化處理：14.1.2通信正?；煨熊囕v編隊(duì)控制模型14.1基于模型預(yù)測控制的混行車輛編隊(duì)模型建立多目標(biāo)函數(shù)，不僅要滿足行程時間最短，而且要保障車間距偏差和速度偏差最小。則多目標(biāo)函數(shù)為14.1.2通信正?；煨熊囕v編隊(duì)控制模型14.1基于模型預(yù)測控制的混行車輛編隊(duì)模型滿足14.1.2通信正?；煨熊囕v編隊(duì)控制模型14.1基于模型預(yù)測控制的混行車輛編隊(duì)模型有14.1.2通信正常混行車輛編隊(duì)控制模型14.1基于模型預(yù)測控制的混行車輛編隊(duì)模型車輛編隊(duì)控制條件約束：1）加速度2）速度3）安全車距4）執(zhí)行器物理限制5）通信狀態(tài)6）行程時間14.1.2通信正?；煨熊囕v編隊(duì)控制模型14.1基于模型預(yù)測控制的混行車輛編隊(duì)模型基于MPC的整體控制策略不改變，局部車輛輸入發(fā)生變化，狀態(tài)空間矩陣發(fā)生改變，進(jìn)而影響最優(yōu)控制策略。i號車出現(xiàn)通信失效，則i號車和通i－1號車的實(shí)際車間距偏差：建立狀態(tài)空間方程：14.1.3通信異常混行車輛編隊(duì)控制模型14.1基于模型預(yù)測控制的混行車輛編隊(duì)模型設(shè)有通信異常時，MPC中輸入和輸出關(guān)系：進(jìn)行離散化處理：14.1.3通信異常混行車輛編隊(duì)控制模型14.1基于模型預(yù)測控制的混行車輛編隊(duì)模型建立目標(biāo)函數(shù)：滿足14.1.3通信異?；煨熊囕v編隊(duì)控制模型14.2系統(tǒng)穩(wěn)定性分析隊(duì)列穩(wěn)定性研究的基本過程：①隊(duì)列穩(wěn)定性性質(zhì)的數(shù)學(xué)定義。②根據(jù)理論分析方法推導(dǎo)充分條件。③設(shè)計(jì)滿足條件的控制器。隊(duì)列穩(wěn)定性3種基本屬性：收斂性、有界性和可伸縮性。3種隊(duì)列穩(wěn)定性定義：李雅普諾夫（Lyapunov）穩(wěn)定性、輸入-輸出穩(wěn)定性和狀態(tài)輸入穩(wěn)定性（ISSS）。14.2系統(tǒng)穩(wěn)定性分析控制系統(tǒng)方程控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分為三種：李雅普諾夫意義下的穩(wěn)定性、漸進(jìn)穩(wěn)定性和大范圍（全局）漸進(jìn)穩(wěn)定性。這三者穩(wěn)定性強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，并且要求條件越來越苛刻。本章基于MPC建立混行車隊(duì)控制模型，分析滿足李雅普諾夫意義下的穩(wěn)定性和漸進(jìn)穩(wěn)定性時應(yīng)該具備的條件，以保障隊(duì)列穩(wěn)定性。14.2系統(tǒng)穩(wěn)定性分析隊(duì)列穩(wěn)定性指隊(duì)列中車輛車間距偏差值隨著車隊(duì)的延伸而不增加，并且相鄰兩車的速度偏差在車輛下行過程中減弱甚至消除。本章采用MPC方法，主要適用于離散狀態(tài)，需研究系統(tǒng)滿足隊(duì)列穩(wěn)定性時，應(yīng)該具備的條件。14.2.1隊(duì)列穩(wěn)定性分析14.2系統(tǒng)穩(wěn)定性分析14.2.1隊(duì)列穩(wěn)定性分析14.2系統(tǒng)穩(wěn)定性分析14.2.1隊(duì)列穩(wěn)定性分析14.2系統(tǒng)穩(wěn)定性分析一個控制系統(tǒng)，能夠找到一個正定函數(shù)且其導(dǎo)數(shù)是負(fù)定的，則系統(tǒng)是漸進(jìn)穩(wěn)定的。假設(shè)本章設(shè)計(jì)的控制器滿足Mayne給出的MPC系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定4個條件，反推目標(biāo)函數(shù)中未知參數(shù)的取值范圍?？紤]以下MPC連續(xù)約束問題：14.2.2漸進(jìn)穩(wěn)定性分析14.2系統(tǒng)穩(wěn)定性分析控制器滿足以下4個條件可認(rèn)為是漸進(jìn)穩(wěn)定的：式（14-22）和式（14-23）中的權(quán)重矩陣定義為14.2.2漸進(jìn)穩(wěn)定性分析14.2系統(tǒng)穩(wěn)定性分析假設(shè)式（14-21）的目標(biāo)函數(shù)滿足定理：14.2.2漸進(jìn)穩(wěn)定性分析14.2系統(tǒng)穩(wěn)定性分析14.2.2漸進(jìn)穩(wěn)定性分析14.2系統(tǒng)穩(wěn)定性分析14.2.2漸進(jìn)穩(wěn)定性分析14.3混行車輛編隊(duì)控制效果驗(yàn)證及分析混行駕駛實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證主要分為實(shí)車驗(yàn)證和仿真驗(yàn)證兩種：●混行駕駛實(shí)車實(shí)驗(yàn)的難度大、靈活度低?！窕煨旭{駛仿真實(shí)驗(yàn)前期驗(yàn)證成本較低。本章根據(jù)實(shí)際道路需求和混行車輛編隊(duì)特性，基于Prescan/Matlab/Simulink軟件搭建不同測試場景下的聯(lián)合仿真環(huán)境：首先，結(jié)合無線通信信道仿真儀對車車基車路通信系統(tǒng)進(jìn)行建模；然后，基于Prescan微觀交通仿真軟件，搭建混行駕駛環(huán)境并修改車輛基本參數(shù)；之后，基于Matlab/Simulink軟件對不同車輛模型進(jìn)行混行車隊(duì)動力學(xué)建模，對實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行實(shí)時優(yōu)化改進(jìn)，并將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)發(fā)送到信道仿真儀，再分發(fā)給仿真環(huán)境中的各個車輛，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的目的。14.3混行車輛編隊(duì)控制效果驗(yàn)證及分析14.3混行車輛編隊(duì)控制效果驗(yàn)證及分析Prescan軟件包含多種環(huán)境組件，通過可視化查看器（VisViewer）將場景轉(zhuǎn)換成3D模式，支持車輛基本參數(shù)的修改。14.3混行車輛編隊(duì)控制效果驗(yàn)證及分析Prescan軟件可以和Vissim軟件聯(lián)合仿真，產(chǎn)生隨機(jī)車流，模擬車流量較大時的交通狀況；可以和Matlab/Simulink軟件聯(lián)合仿真，建立車輛控制模型，通過改變節(jié)氣門開度、方向盤轉(zhuǎn)角等讓車輛按照計(jì)算出的最優(yōu)控制策略行駛。Prescan軟件搭建的環(huán)境與Simulink軟件的模塊一一對應(yīng)，車輛的感知決策和執(zhí)行都是通過Simulink軟件平臺完成的，改變控制模型參數(shù)可影響車輛在Prescan軟件的運(yùn)行效果.14.4混行車隊(duì)協(xié)同控制及通信異常切換控制場景設(shè)計(jì)：一個十字交叉口，車輛從西向東行駛，選取5輛車進(jìn)行混行車隊(duì)協(xié)同控制；領(lǐng)航車和車輛4為CAV，車輛1為MV，車輛2和車輛3為CV。此時，MPC方法的控制時域?yàn)?00ms，預(yù)測時域?yàn)檩v20s。14.4.1實(shí)驗(yàn)場景設(shè)計(jì)14.4混行車隊(duì)協(xié)同控制及通信異常切換控制14.4.1實(shí)驗(yàn)場景設(shè)計(jì)14.4混行車隊(duì)協(xié)同控制及通信異常切換控制為了驗(yàn)證MPC模型的抗干擾能力和魯棒性，因此分為兩個場景：場景1，所有網(wǎng)聯(lián)車通信正常；場景2，車輛2在第20s時出現(xiàn)通信中斷，其余車輛通信正常。14.4.1實(shí)驗(yàn)場景設(shè)計(jì)14.4混行車隊(duì)協(xié)同控制及通信異常切換控制場景1車隊(duì)通信正常不考慮交通信號配時；領(lǐng)航車以正弦勻變速方式行駛；整個隊(duì)列車車之間通信正常；不存在數(shù)據(jù)丟包、時延或中斷等現(xiàn)象；通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保持不變。仿真結(jié)果：領(lǐng)航車狀態(tài)發(fā)生變化，跟隨車輛狀態(tài)也相應(yīng)發(fā)生變化，并逐步與領(lǐng)航車保持一致。加速度變化限制為－2～2，速度變化限制為5～20m/s，車間距偏差控制在0.2m以內(nèi)。14.4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析14.4混行車隊(duì)協(xié)同控制及通信異常切換控制14.4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析14.4混行車隊(duì)協(xié)同控制及通信異常切換控制場景2車隊(duì)通信異常車隊(duì)正常行駛到第20s時，車輛場通信時延過大導(dǎo)致通信異常，無法將信息發(fā)送給周圍車輛。仿真結(jié)果：車輛2通信異常時，隊(duì)列中也無碰撞事故，保證了隊(duì)列行駛安全性。第20s，車輛3的加速度和速度產(chǎn)生突變，但第22s恢復(fù)到正常狀態(tài)；車輛2和車輛3的車間距偏差均產(chǎn)生小幅度波動，當(dāng)整體仍控制在0.02m以內(nèi)，且第40s后車間距偏差趨于0，說明滿足隊(duì)列穩(wěn)定性要求。14.4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析14.4混行車隊(duì)協(xié)同控制及通信異常切換控制14.4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析14.4混行車隊(duì)協(xié)同控制及通信異常切換控制場景2Prescan軟件仿真14.4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析14.5考慮交通信號配時下的單車道混行車隊(duì)協(xié)同控制6輛車進(jìn)行混行車隊(duì)協(xié)同控制：車輛1和車輛4為CAV車輛2和車輛5為CV車輛3和車輛6為MVMPC方法的控制時域?yàn)?00ms，預(yù)測時域?yàn)?0s。14.5.1實(shí)驗(yàn)場景設(shè)計(jì)14.5考慮交通信號配時下的單車道混行車隊(duì)協(xié)同控制14.5.1實(shí)驗(yàn)場景設(shè)計(jì)14.5考慮交通信號配時下的單車道混行車隊(duì)協(xié)同控制14.5.1實(shí)驗(yàn)場景設(shè)計(jì)14.5考慮交通信號配時下的單車道混行車隊(duì)協(xié)同控制6輛車進(jìn)行混行車隊(duì)協(xié)同控制：車隊(duì)通信正常，通過改變交通信號配時，驗(yàn)證MPC模型和交通信號的協(xié)同關(guān)系。主要分為兩個場景：場景3，當(dāng)前綠燈時間能夠滿足6輛車同時通過，因此組成一隊(duì)；場景4，當(dāng)前綠燈時間不能滿足6輛車同時通過，只能滿足部分車輛通過，因此拆分為兩個隊(duì)，分別進(jìn)行車隊(duì)協(xié)同控制。14.5.1實(shí)驗(yàn)場景設(shè)計(jì)14.5考慮交通信號配時下的單車道混行車隊(duì)協(xié)同控制場景3一個信號周期通過交通信號配時：綠燈時間為20s，黃燈時間為3s，紅燈時間為8s。車輛均以15m/s速度進(jìn)入路段，預(yù)測駛出時間和當(dāng)前綠燈時間，車輛均能通過。車輛1為領(lǐng)航車組隊(duì)。前方不存在干擾車輛，為保障車隊(duì)行程時間最短，因而動態(tài)調(diào)整各車行駛狀態(tài)，以最大速度20m/s通過交叉口。領(lǐng)航車狀態(tài)發(fā)生變化，跟隨車的行駛狀態(tài)也會發(fā)生改變，并逐漸與領(lǐng)航車狀態(tài)一致。14.5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析14.5考慮交通信號配時下的單車道混