基于横向和纵向协调控制的车辆队列最优变道研究
发布时间：2021-09-22 22:43
在过去的几十年,随着集成和通信技术应用于运输系统,车辆队列逐渐成为一种新的运输方式,人们普遍认为它可以提高运输网络的能源效率和安全性。与人类驾驶相比,队列自动驾驶可以缩短车间距离并允许更多的车辆通过同一路段,因此可以更好地利用道路基础设施。在研究车辆队列系统时,必不可少的任务是通过变道的方法加入新车辆来有效地扩展车辆队列。安全、舒适、节省油耗是车辆队列行驶追求的目标,本文以扩展车辆队列为切入点,在追求上述目标的基础上研究了车辆队列的最优变道问题,全文的主要工作概括如下:本文将所研究问题在纵向和横向上进行了解耦:纵向上基于队列误差模型设计了实现车辆队列链稳定的控制器,以实现车辆队列纵向上的稳定行驶;横向上基于方向盘控制模型采用了模型预测控制（Model Predictive Control,MPC）确保变道的流畅完成。研究了变道因素对队列系统速度波动的影响,设计了一个波动评价指标来评估变道引起的波动。在两种行驶场景（单辆车请求变道加入队列和队列中的车请求加入队列）里,采用控制变量法探究了变道位置和变道速度对队列系统速度波动的影响,并用设计的算法找到了最小波动评价指标对应的最优变道速度和变...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
本文组织架构
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第2章理论准备2.1引言本章从确定车辆队列模型和变道所用模型出发，推导了队列误差模型和变道所用的方向盘控制模型，并介绍了级联系统需满足的链稳定定义。然后基于队列误差模型设计了满足链稳定的纵向控制器，基于方向盘控制模型设计了MPC控制器。最后在特定场景里用Matlab仿真验证了控制效果。2.2车辆队列误差模型考虑一个如图2-1所示的n+1辆车组成的级联系统,箭头表示汽车行进方向，虚线代表车辆间无线传输交流，第i1辆车可以通过无线传输发送它的状态信息给它的后车即第i辆车。图2-1汽车队列队列中第i辆车和第i1辆车组成第i个子系统，n+1辆车组成n个子系统，di为第i个子系统前后车之间的距离,vi表示第i辆车的速度，ai表示第i辆车的加速度。dr,i表示第i1和第i辆车之间行驶需要保持的安全距离，被称为车头时距。当前对车头时距的研究有很多，常用的车头时距策略有恒定间距策略（ConstantSpacing,CS）、固定车头时距策略（ConstantTimeHeadway,CTH）和速度差相关车头时距（VelocityDifferenceRelated,VDR）。车头时距的选取关系到车辆队列的内稳定、链稳定，而且对队列性能有着显著的影响。因为固定车头时距策略对保证车间安全距离具有更好的效果，因此本文选用文献[38]中固定车头时距策略作为队列中车间需要保持的距离。第i个子系统前后车需要保持的安全距离即固定车头时距，形式见式（2-1），dr,i=ri+hvi,2≤i≤n(2-1)-8-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文L2范数定义见式（2-13）：‖x‖L2=2√∫∞0xT(t)x(t)dt(2-13)定义2.1[37]对于公式（2-12）所描述的级联系统，x=(xT0xT1···xTn)T代表级联系统的状态集合，x=(xT0xT1···xTn)T表示ur=0时公式（2-12）的恒定平衡解。当且仅当对任意的初始状态x0∈R(m+1)n和任意的ur∈L2，存在H函数α和β满足公式（2-14）时，则级联系统满足随机L2链稳定。E{‖yi(k)h(x0)‖L2}≤α(E{‖ur(k)‖L2})+β‖x0x0‖1≤i≤n(2-14)特别的当零初始状态满足x(0)=x时，下式成立则满足严格随机L2链稳定，见式（2-15），E{‖yi(k)h(x0)‖L2}≤α(E{‖ur(k)‖L2})1≤i≤n(2-15)车辆级联系统如图2-2所示，前一个误差系统的输出作为后一个误差系统的输入。图2-2汽车队列级联系统定理2.1[37]具体到车辆队列级联系统，当且仅当公式（2-16）成立时，由公式（2-9）组成的级联系统满足随机L2链稳定E{‖P1(s)‖H∞}<∞E{‖Pi(s)‖H∞}≤11≤i≤n(2-16)式中各具体定义见式（2-17）、式（2-18），‖P1(s)‖H∞=supur0‖y1(k)‖L2‖ur(k)‖L2(2-17)‖Pi(s)‖H∞=supur0‖yi(k)‖L2‖yi1(k)‖L2(2-18)-11-
【参考文献】：
博士论文
[1]网络化多智能体系统的时变编队跟踪控制[D]. 赵俊.哈尔滨工业大学 2017
硕士论文
[1]基于领航跟随法的无人车跟随控制方法研究[D]. 张立威.北京交通大学 2018
[2]基于单目视觉的自平衡车编队行进控制设计与实现[D]. 谢彦昆.重庆大学 2018
本文编号：3404508
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
本文组织架构
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第2章理论准备2.1引言本章从确定车辆队列模型和变道所用模型出发，推导了队列误差模型和变道所用的方向盘控制模型，并介绍了级联系统需满足的链稳定定义。然后基于队列误差模型设计了满足链稳定的纵向控制器，基于方向盘控制模型设计了MPC控制器。最后在特定场景里用Matlab仿真验证了控制效果。2.2车辆队列误差模型考虑一个如图2-1所示的n+1辆车组成的级联系统,箭头表示汽车行进方向，虚线代表车辆间无线传输交流，第i1辆车可以通过无线传输发送它的状态信息给它的后车即第i辆车。图2-1汽车队列队列中第i辆车和第i1辆车组成第i个子系统，n+1辆车组成n个子系统，di为第i个子系统前后车之间的距离,vi表示第i辆车的速度，ai表示第i辆车的加速度。dr,i表示第i1和第i辆车之间行驶需要保持的安全距离，被称为车头时距。当前对车头时距的研究有很多，常用的车头时距策略有恒定间距策略（ConstantSpacing,CS）、固定车头时距策略（ConstantTimeHeadway,CTH）和速度差相关车头时距（VelocityDifferenceRelated,VDR）。车头时距的选取关系到车辆队列的内稳定、链稳定，而且对队列性能有着显著的影响。因为固定车头时距策略对保证车间安全距离具有更好的效果，因此本文选用文献[38]中固定车头时距策略作为队列中车间需要保持的距离。第i个子系统前后车需要保持的安全距离即固定车头时距，形式见式（2-1），dr,i=ri+hvi,2≤i≤n(2-1)-8-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文L2范数定义见式（2-13）：‖x‖L2=2√∫∞0xT(t)x(t)dt(2-13)定义2.1[37]对于公式（2-12）所描述的级联系统，x=(xT0xT1···xTn)T代表级联系统的状态集合，x=(xT0xT1···xTn)T表示ur=0时公式（2-12）的恒定平衡解。当且仅当对任意的初始状态x0∈R(m+1)n和任意的ur∈L2，存在H函数α和β满足公式（2-14）时，则级联系统满足随机L2链稳定。E{‖yi(k)h(x0)‖L2}≤α(E{‖ur(k)‖L2})+β‖x0x0‖1≤i≤n(2-14)特别的当零初始状态满足x(0)=x时，下式成立则满足严格随机L2链稳定，见式（2-15），E{‖yi(k)h(x0)‖L2}≤α(E{‖ur(k)‖L2})1≤i≤n(2-15)车辆级联系统如图2-2所示，前一个误差系统的输出作为后一个误差系统的输入。图2-2汽车队列级联系统定理2.1[37]具体到车辆队列级联系统，当且仅当公式（2-16）成立时，由公式（2-9）组成的级联系统满足随机L2链稳定E{‖P1(s)‖H∞}<∞E{‖Pi(s)‖H∞}≤11≤i≤n(2-16)式中各具体定义见式（2-17）、式（2-18），‖P1(s)‖H∞=supur0‖y1(k)‖L2‖ur(k)‖L2(2-17)‖Pi(s)‖H∞=supur0‖yi(k)‖L2‖yi1(k)‖L2(2-18)-11-
【参考文献】：
博士论文
[1]网络化多智能体系统的时变编队跟踪控制[D]. 赵俊.哈尔滨工业大学 2017
硕士论文
[1]基于领航跟随法的无人车跟随控制方法研究[D]. 张立威.北京交通大学 2018
[2]基于单目视觉的自平衡车编队行进控制设计与实现[D]. 谢彦昆.重庆大学 2018
本文编号：3404508
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