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考虑通信时延的协同自适应巡航控制策略研究

王佳伟  
【摘要】:协同自适应巡航控制是传统自适应巡航控制在车联网环境下的拓展技术,其根据车联网通信技术获取的周围车辆状态信息以做出更加准确、快速的响应,进而实现较小跟车时距下的车辆编队纵向跟随,可有效提高交通效率、降低能源消耗、保证出行安全、优化乘坐体验等。在协同自适应巡航控制研究中,通信时延对车辆编队的跟随精度和稳定性存在较大影响,特别是通信时延、跟车时距与弦稳定性之间存在的耦合关系,使系统弦稳定性裕度降低,并导致苛刻的最小允许跟车时距限制,进而很难保证小跟车时距下车辆编队的弦稳定性,明显削弱了CACC控制策略在降低跟车时距、提高交通效率方面的优势。而且传统基于时间触发的CACC控制策略存在对有限通信资源的无效过度消耗问题,易导致通信信道拥堵、加剧通信时延。此外,如何针对人-车系统中的车辆动力学参数摄动和差异化跟车时距进行控制器鲁棒性设计,亦是协同自适应巡航控制中需解决的一个关键问题。本研究在深入分析车辆编队纵向跟随的设计要求和技术难点基础上,首先利用参数空间法设计了协同自适应巡航鲁棒控制策略,解决了多性能指标要求和多参数不确定下的控制器鲁棒性设计问题;进一步针对通信时延影响,设计了基于时延预估补偿的优化策略,以提高弦稳定性裕度、降低最小允许跟车时距限制,并设计了事件触发机制来降低通信资源占用率,以避免出现信道拥堵,降低通信时延。具体研究内容如下:首先,搭建了基于四元素架构的车辆编队模型,并提出了基于参数空间法的CACC控制器鲁棒性设计方法。运用四元素架构,搭建了包含节点动力学、队列几何拓扑、通信拓扑结构、CACC控制器四部分的车辆编队模型,并设计了基于分层控制模式的车辆动力学控制策略,基于固定跟车时距的间距保持策略,基于PF拓扑结构的信息交互模式和前馈、反馈相协同的控制器结构;提出了可同时考虑系统时域和频域内性能要求(内稳定性、弦稳定性和跟随精度)的CACC控制器鲁棒性设计方法,并给出了存在参数不确定情况下基于参数空间法的控制器增益可行域推导方法。其次,为保证通信时延、动力学参数摄动及差异化跟车时距共同影响下的车辆编队跟随效果,设计了基于参数空间法的协同自适应巡航鲁棒控制策略。将通信时延等效成系统的外界扰动,以最大通信时延表征其对系统造成的最大扰动,进而分析了通信时延对CACC控制策略内稳定性、跟随精度和弦稳定性三项性能的影响;针对通信扰动量、动力学参数摄动及差异化跟车时距的影响,从-稳定性、(?)-稳定性和(?)弦稳定性三方面,运用参数空间法进行了CACC控制器鲁棒性设计,推导了满足设计要求的控制器增益可行域;根据不同跟车时距下的控制器增益可行域变化规律,设计了增益调度策略来满足差异化跟车时距需求,并有效降低系统保守性。再次,为进一步提高弦稳定性裕度、降低最小允许跟车时距限制,设计了基于时延预估补偿的协同自适应巡航控制策略,实现存在动力学参数摄动下通信时延、跟车时距与弦稳定性之间的解耦。提出了随从模式和Smith预估器相结合的时延预估补偿策略,将通信时延转移至系统反馈环节并进行预估补偿,有效实现精准预估时,零跟车时距、任意通信时延下的稳定跟随效果;以最小允许跟车时距为评价指标,分析了时延预估补偿策略所实现解耦效果对通信时延、动力学参数预估误差的敏感程度;设计了干扰观测器对车辆动力学参数摄动进行反馈补偿,进而减小Smith预估误差,提高存在动力学参数摄动影响时,小跟车时距下的跟随性能。然后,为实现通信资源利用率与控制性能的均衡协调,设计了基于事件触发机制的协同自适应巡航控制策略和针对通信丢包的自适应控制策略。构建了以加速度变化幅度为触发条件的事件触发机制,利用扰动建模方式构建CACC控制模型;推导了事件触发机制所导致的扰动边界,提出了事件触发机制下的满足跟随性能要求的CACC控制器增益可行域求解方法;针对事件触发机制对通信丢包的高度敏感性,建立了事件触发机制下的随机丢包模型,分析了扰动边界变化趋势及其对控制器增益可行域影响规律;提出了存在丢包情况下的自适应跟车时距策略与自适应事件触发阈值策略,实现通信资源利用率、交通效率与存在通信丢包情况下跟随性能、安全性之间的协调。最后,建立了联合仿真—硬件在环—实车试验的协同自适应巡航控制策略验证体系。进行了Car Sim/Simulink联合仿真和基于d SPACE的硬件在环测试,并开发了搭载LTE-V通信设备的智能线控车辆以进行实车试验。UDDS、EUDC仿真工况和实车变速行驶工况下的试验结果充分验证了本研究提出的CACC控制策略可以有效应对通信时延、动力学参数摄动和差异化跟车时距的影响,保证车辆编队的跟随精度、行驶平顺性与通信资源利用率。


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