面向智能网联车辆安全协同队列控制方法研究

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智能网联车辆队列通过引入无线通信技术扩展了车辆对周围环境的感知能力,在保证安全性的前提上以期望的间距和速度协同高效地运行,从而提高了交通容量和效率,减少能源消耗与环境污染。然而,车辆与车辆之间通信受带宽和信道拥塞等因素的影响,难免产生通信时延或中断,造成车辆队列系统的不稳定。针对这些问题,本文研究了通信时延与通信中断下智能网联车辆队列的稳定性,提出了分布式控制器设计方法,实现了智能网联车辆安全协同队列控制。首先,对车辆纵向受力分析构建了整个智能网联车辆队列的非线性动力学模型。采用代数图论对车辆队列的通信拓扑结构进行了表征,以拉普拉斯矩阵刻画了车辆之间的信息交互关系。针对队列中车辆间的间距跟随策略,建立了一般性数学描述,为后续车辆队列的算法设计与理论分析奠定了基础。然后,针对定常时延下智能网联车辆安全协同队列控制问题,提出了具有定常时延的分布式控制器设计方法,在此基础上,分析了车辆队列的稳定性。利用矩阵因子分析将车辆队列转化为低维度的子规模稳定性问题,并根据Routh-Hurwitz稳定性判据,解析地给出了分布式控制器增益的稳定范围。为了获取具有正定特性通信拓扑结构下车辆队列的时延上界,设计了一种Lyapunov-Razumikhin函数,给出了车辆队列稳定的时延上界,所设计的控制器保证不大于该上界的定常通信时延下车辆队列的内稳定性。其次,针对时变时延下智能网联车辆安全协同队列控制问题,提出了具有时变时延的分布式控制器设计方法,分析了车辆队列的内稳定性和弦稳定性。构造了一种候选的Lyapunov-Krasovskii泛函,给出了车辆队列稳定的时延上界。针对领航前车跟随式通信拓扑,利用拉普拉斯变换方法,结合弦稳定性的定义,给出了车辆队列弦稳定性的条件。将控制器增益取值范围、时变时延上界和弦稳定性条件结合,给出了使得车辆队列稳定时三者之间的定量关系。最后,针对通信中断下非线性异构车辆队列,提出了一种切换通信拓扑下基于分布式模型预测控制器设计方法。该控制器中采用邻接车辆的状态轨迹信息构造目标代价函数,能够适用于不同的通信拓扑结构。利用MATLAB对所设计的控制器进行了多工况下智能网联车辆安全协同队列控制仿真实验。
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