关于汽车纵向队列的研究,较多的文献将重点放在对队列控制策略的研究上,而车辆系统本身就是一个变量较多且结构复杂的系统,极易受到外界因素变化的干扰。为降低系统的开发难度,多数研究采用上、下两层控制器的分层式控制结构,但路面附着条件的变化对车辆队列行驶有很大的影响,因此本文首先针对传统的车辆自适应巡航控制(Adaptive Cruise Control,ACC)系统在采用分层控制结构时,行驶在路面附着较低的情况下,下层控制器可能无法达到上层控制器输出期望量要求问题,设计了基于路面附着系数估计的车辆ACC系统,并从车辆行驶安全性的角度进行了讨论和分析。在此基础上,本文进一步设计了基于非线性模型预测控制(Nonlinear Model Predictive Control,NMPC)的车辆纵向队列协调控制系统,协调队列中车辆间运动跟驰特性与个体车辆动力学的关系,分析了在不同行驶工况下车辆对不同路面附着条件的自适应能力,有效防止车辆在湿滑路面下制动抱死或加速打滑现象的出现。为分析复杂工况下特别是低附着路面工况下对采用分层控制结构的车辆ACC系统的影响,本文首先基于模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)方法设计了ACC系统,通过实时滚动优化计算得到期望的加减速度值,基于递推最小二乘法设计路面附着系数实时估计策略,根据实时估计的路面附着情况确定MPC控制器中的加减速度极限约束条件。基于Lagrangian方法建立了四自由度(4-DOF)的非线性纵向车辆动力学模型,作为ACC控制系统的车辆仿真模型,得到了车辆在高、中、低不同附着路面上行驶的安全情况。仿真结果表明基于路面附着系数实时估计的ACC控制方案在各种路面条件下都能确保前、后两车之间保持期望的车间距离安全行驶。在此基础上,考虑到对路面附着系数的估计存在一定的误差,本文进一步提出基于NMPC方法的车辆纵向队列协调控制,即将传统的分层控制结构变为一体式控制结构,协调队列中车辆间的跟驰误差、速度差、单辆车的车速和轮速差都能最终为零的目标与每辆车的滑移率能保持在安全的区间范围内的关系,首先建立车辆纵向运动模型,其次以相邻两车间的跟驰间距误差、速度差,以及单辆车的车速与轮速之差作为队列间协调控制的目标函数,同时将车辆车轮的滑移率作为系统约束,基于序列二次规划(SQP)方法求解在每一个采样时刻车辆的前轴和后轴的最优的制动或驱动力矩从而控制车辆行驶,最后基于Matlab/Simulink仿真平台对文中提出的车辆队列纵向协调控制方法在不同的行驶工况下进行仿真分析。结果表明,车辆即使行驶在低附着路面工况下也具有良好的稳态跟踪性和自适应性。