在倡导节能减排和碳中和理念的今天,卡车因其自身较高的燃油消耗量和排放量越来越受到人们的关注。为了降低高速公路上卡车运输时的燃油消耗量,卡车队列行驶的方法便应运而生。卡车队列行驶不但能够改善队列整体的燃油经济性,还能增加道路的利用率,提升道路的吞吐量。因此,本文在对卡车队列进行系统建模之后,基于模型预测控制的思想,分别建立了上、下两层控制器。该分层控制策略,在保证队列运行的安全性与平稳性基础之上,提升了队列行驶的燃油经济性。本文的主要研究工作如下:首先,在考虑道路坡度的情况下,本文对车辆进行力学分析并建立车辆纵向动力学模型。其中,空气阻力系数被表示为车间距的函数,便于后续开展对燃油经济性的研究。此外,本文还建立了车辆逆纵向动力学模型、燃油消耗速率模型以及驱动与制动模式的切换策略。其中,逆纵向动力学模型包含逆发动机模型和逆制动系统模型。其次,在模型预测控制思想的指导下,本文基于发动机燃油消耗模型建立了上层经济车速控制器;基于队列纵向运动学模型,建立了下层队列跟随控制器。上层控制器可以结合当前道路坡度信息和车辆当前的运动状态,在满足约束的条件下决策出当前的经济车速。下层控制器则以追随该经济车速为目标,在满足约束条件的前提下决策出期望加速度。该期望加速度可以通过逆纵向动力学模型转化为发动机油门开度或者制动轮缸压力。通过控制该油门开度或制动轮缸压力的大小,可以使车辆达到期望的运动状态。然后,在Truck Sim与MATLAB/Simulink的联合仿真环境中,本文验证了卡车队列模型和控制器模型。先通过对上层经济车速控制器的仿真对比,验证了该经济车速控制算法的有效性。继而在多种典型工况下,对整个队列模型进行仿真实验,验证了分层控制策略下的上、下两层控制算法的有效性。离线仿真结果表明本文设计的上、下两层控制器均取得了一定的效果。最后,搭建了智能小车队列进行实物验证。通过分析智能小车队列在典型工况下的仿真结果,说明了下层队列跟随控制器在实物小车上仍具有一定的控制效果。其进一步证明了该下层控制器的有效性。