自动化公路系统车辆纵横向控制

论文摘要

自动化公路系统(Automated Highway System)是智能交通系统(IntelligentTransport System)最主要的子系统之一,该系统旨在实现车辆自动导航和控制、交通管理以及事故处理等的自动化,提高整个公路系统的安全性和运行效率。自动化公路系统中一项重要内容是研究和设计车辆纵向、横向控制规律,实现车辆无人驾驶。本文从车辆动力学模型的建立入手,在对几类非线性关联系统稳定性分析的基础上,对车辆纵向跟随、车道保持、车辆换道等自动化公路系统车辆自动控制的有关内容进行了研究。对影响汽车运动的主要因素及汽车纵向运动和侧向运动的相互影响进行了分析。基于汽车受力分析和动力学定律,以车辆纵向速度、横向速度及横摆角速度为状态变量,分别建立了汽车纵向运动、侧向运动以及纵横向耦合运动的动力学模型。对两类具有时间滞后的无限维非线性关联系统的群指数稳定性进行了研究。以系统的孤立子系统稳定性条件为基础,应用向量李雅普诺夫函数方法和比较原理,在假定系统满足全局Lipschitz条件的情况下,得到了关联系统指数稳定的充分判据。对自动化公路系统车辆纵向跟随控制进行了研究。就“顾前”型和“顾前顾后”型两种控制思路,基于车辆纵向动力学模型和固定车间距跟随策略建立了车辆跟随误差的动态方程;假定车队中每个跟随车辆依靠车间通信接收领头车辆以及该车相邻车辆的位移、速度信息,以车辆作动/制动作用力为控制变量,设计了变结构控制规律;基于非线性关联系统指数稳定性判据,对控制系统的稳定性进行了分析。对具有参数不确定性的车辆纵向控制系统,针对参数有界和参数慢变这两种情况分别进行了研究,设计了变结构鲁棒控制规律和参数自适应律。对自动化公路系统车道保持控制进行了研究。基于车辆横向动力学模型和车辆预瞄机制,建立了车辆侧滑位置误差和横摆角误差的动态方程;假定利用车载传感器获得车辆重心相对于车道中心线的横摆角及侧向位置偏差,采用非线性滑模和有限时间滑模趋近律,以车辆前轮转向角为控制变量,设计了车道保持变结构控制规律;在系统具有不确定参数和外界干扰的情况下,基于李雅普诺夫函数方法,设计了变结构自适应控制规律和参数自适应规律。对自动化公路系统车辆换道控制进行了研究。假设期望的侧向加速度满足正反梯形的约束条件,考虑起始车道和目的车道曲率的不同,对弯道上的车辆换道轨迹进行了规划;根据期望换道轨迹计算车辆换道时的期望横摆角和横摆角速度;假定依靠速度传感器获得横摆角速度信息,基于车辆横向动力学模型,采用有限时间滑模趋近律,设计了车辆换道变结构控制规律;基于李雅普诺夫函数方法,对车辆侧滑速度进行了估计。对自动化公路系统车辆纵横向耦合控制进行了研究。基于车辆纵横向耦合动态模型和车辆队列,采用有限时间滑模趋近律,设计了车道保持、车辆换道与纵向跟随的耦合控制规律;基于李雅普诺夫函数方法,对控制系统的稳定性进行了分析。对基于车间通信的车辆出入队控制进行了研究。综合利用车辆纵向跟随、车道保持、车辆换道等控制方法,设计了自动化公路系统车辆出队、入队的控制算法和规律。对取得的理论研究结果,利用Matlab工具进行了计算机仿真实验。仿真结果验证了文中设计的车辆纵向、横向控制规律的有效性以及车辆出入队控制算法的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 自动化公路系统研究情况介绍
• 1.2.2 自动化公路系统分层结构
• 1.2.3 车辆纵横向自动控制研究现状
• 1.3 论文研究内容和主要结果
• 1.3.1 论文研究内容
• 1.3.2 论文主要结果与创新
• 第2章 车辆动力学模型
• 2.1 引言
• 2.2 车辆纵向动力学模型
• 2.2.1 汽车纵向受力分析
• 2.2.2 汽车纵向动力学模型
• 2.2.3 简化的纵向动力学模型
• 2.3 车辆横向动力学模型
• 2.3.1 汽车横向受力分析
• 2.3.2 汽车横向动力学模型
• 2.3.3 简化的横向动力学模型
• 2.4 车辆纵横向动力学耦合模型
• 2.4.1 车辆纵横向运动的耦合分析
• 2.4.2 车辆纵横向动力学耦合模型
• 2.4.3 简化的车辆纵横向动力学耦合模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 车辆纵向跟随控制
• 3.1 引言
• 3.2 基于向量Lyapunov函数法的关联系统稳定性分析
• 3.2.1 一类顾前型关联系统的指数稳定性
• 3.2.2 一类顾前顾后型关联系统的指数稳定性
• 3.3 基于向量Lyapunov函数法的车辆纵向跟随控制
• 3.3.1 控制系统模型
• 3.3.2 控制律设计
• 3.3.3 稳定性分析
• 3.3.4 仿真实验
• 3.4 具有参数不确定性的车辆纵向跟随控制
• 3.4.1 有界变参数车辆纵向跟随控制
• 3.4.2 具有慢变未知参数的车辆纵向跟随自适应控制
• 3.5 顾前顾后型车辆纵向跟随控制
• 3.5.1 基于向量Lyapunov函数法的顾前顾后型车辆跟随控制
• 3.5.2 具有参数不确定性的顾前顾后型车辆跟随控制
• 3.6 本章小结
• 第4章 车道保持控制
• 4.1 引言
• 4.2 基于预瞄机制的车道保持控制动态模型
• 4.2.1 预瞄机制
• 4.2.2 基于预瞄机制的跟踪误差
• 4.2.3 车道保持控制系统动态模型
• 4.2.4 侧偏角动态方程
• 4.3 基于预瞄机制的车道保持控制
• 4.3.1 稳态误差分析
• 4.3.2 控制律设计
• 4.3.3 仿真实验
• 4.4 具有不确定参数的车道保持控制
• 4.4.1 有界变参数车道保持控制
• 4.4.2 具有慢变未知参数的车道保持控制
• 4.5 本章小节
• 第5章 车辆换道控制
• 5.1 引言
• 5.2 直线道路上的车辆换道
• 5.2.1 换道轨迹规划
• 5.2.2 控制律设计
• 5.2.3 侧滑速度观测器设计
• 5.2.4 稳定性分析
• 5.2.5 仿真实验
• 5.3 弯曲道路上的车辆换道
• 5.3.1 换道轨迹规划
• 5.3.2 控制律设计
• 5.3.3 仿真实验
• 5.4 本章小节
• 第6章 车辆纵横向耦合控制
• 6.1 引言
• 6.2 车辆跟随与车道保持纵横向耦合控制
• 6.2.1 车辆纵横向耦合模型
• 6.2.2 控制律设计
• 6.2.3 稳定性分析
• 6.2.4 仿真实验
• 6.3 车辆跟随与换道纵横向耦合控制
• 6.3.1 车辆纵横向耦合模型
• 6.3.2 控制律设计
• 6.3.3 稳定性分析
• 6.3.4 仿真实验
• 6.4 车队换道纵横向耦合控制
• 6.4.1 控制律设计
• 6.4.2 仿真实验
• 6.5 本章小结
• 第7章 车辆出入队控制
• 7.1 引言
• 7.2 车辆出队控制
• 7.2.1 车辆出队步骤及算法描述
• 7.2.2 车辆出队控制律设计
• 7.3 车辆入队控制
• 7.3.1 车辆入队步骤及算法描述
• 7.3.2 车辆入队控制律设计
• 7.4 仿真实验
• 7.5 本章小节
• 结论
• 一、论文工作总结
• 二、论文不足与工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文与参加的科研项目