汽車自適應巡航控制及相應宏觀交通流模型研究.pdf

1、汽車自適應巡航控制(ACC：Adaptive Cruise Control)系統(tǒng)作為一種先進的駕駛輔助系統(tǒng)，旨在減輕駕駛員的精神負擔，減少因駕駛員失誤而造成的交通事故、提高汽車乘坐舒適性和燃油經(jīng)濟性、并改善交通流等，因而近年來已得到了政府、企業(yè)以及高校研究機構(gòu)的廣泛關(guān)注。
　　 在汽車ACC系統(tǒng)的控制單元中，安全車間距策略以及系統(tǒng)的控制算法是實現(xiàn)ACC系統(tǒng)的功能及其實用化的關(guān)鍵所在，其設計的好壞直接決定了ACC系統(tǒng)的動態(tài)響應。而

2、對由ACC汽車構(gòu)成的交通流建立對應的宏觀模型，不僅有利于分析ACC車流的動態(tài)演化規(guī)律、揭示ACC系統(tǒng)對交通流的改善作用，而且為交通管理者進行決策和控制提供理論依據(jù)。本文以汽車ACC系統(tǒng)為研究對象，分別對間距策略、針對車間相互縱向動力學特性的上層控制、結(jié)合車間縱向動力學和油門剎車切換特性的一體化控制、ACC車流的宏觀交通流模型進行了研究。全文主要研究成果總結(jié)如下：
　　 (1)提出了一種考慮前車速度趨勢的可變跟車時距策略，并對其間

3、距誤差的收斂穩(wěn)定性進行了理論證明。該間距策略通過引入對前車未來速度擾動的考慮提高了間距控制的前瞻性以及抗干擾能力，并通過飽和函數(shù)的處理，使車頭時距更為合理的同時改善交通流的通行能力。與現(xiàn)有車間距策略相比，該間距策略能夠適應復雜多變的行駛環(huán)境，有效地平衡了行駛過程中的安全性和跟車性，改善了間距控制的動態(tài)性能。
　　 (2)在模型預測控制(MPC：Model Predictive Control)的框架下提出了一個兼顧安全性、跟車性

4、、舒適性和燃油經(jīng)濟性的多目標ACC上層控制策略。首先建立了表征車間相互縱向動力學特性的高階ACC上層控制模型；接著在該模型的基礎上深入分析了車輛行駛的多個控制目的，并將其轉(zhuǎn)化為相應的性能指標和系統(tǒng)約束，在MPC的框架下設計了一個多目標ACC上層控制策略。相比于現(xiàn)有的上層控制策略，該策略不僅保證了ACC車輛在行駛過程中的安全性和跟車性，而且顯著改善了乘坐舒適性和燃油經(jīng)濟性。
　　 (3)在MPC的框架下提出了一種考慮駕駛員行駛特性

5、的雙模式多目標ACC上層控制策略。該策略以對NGSIM實測微觀駕駛數(shù)據(jù)的分析為基礎，由平穩(wěn)跟車模式、快速接近模式、以及模糊切換策略組成。當兩車間距處于期望值附近時，該雙模式ACC策略采用平穩(wěn)跟車模式，利用上述第二點提出的算法，安全、平穩(wěn)地跟蹤前車；一旦車間距遠大于期望值時，該策略切換到快速接近模式，設計了一個時間最優(yōu)的多目標MPC算法，將其轉(zhuǎn)化為一個混合整數(shù)非線性規(guī)劃(MINLP：Mixed Integer Nonlinear Prog

6、ramming)命題，并提出了一種基于粒子群(PSO：Particle Swarm Optimization)算法的雙層嵌套算法對其進行有效求解。為了模擬了駕駛員的決策過程，基于模糊推理建立了不同模式間的切換邏輯。仿真結(jié)果表明：該雙模式ACC上層控制策略在滿足多個行駛目的的同時，有效地模擬了駕駛員的行駛特性，根據(jù)行駛環(huán)境選擇不同的行車策略，避免了換道亂插隊現(xiàn)象的發(fā)生，因而有利于提高ACC系統(tǒng)的使用率。
　　 (4)提出了一種結(jié)合

7、車間相互縱向動力學特性和油門剎車機械特性的ACC一體化控制結(jié)構(gòu)，并在該控制結(jié)構(gòu)下利用MPC的框架設計了油門剎車優(yōu)化切換的多目標控制策略。首先通過引入邏輯變量并加入邏輯不等式約束將油門、剎車的機械特性統(tǒng)一在一個模型框架內(nèi)，繼而結(jié)合車間縱向動力學特性得到了ACC的綜合模型；接著在該模型基礎上設計了油門剎車優(yōu)化切換的一體化多目標控制算法，在滿足道路行駛過程中的安全性、跟車性、舒適性、節(jié)油性等多個目標的同時，對車輛自身的油門剎車切換性能(切換序

8、列、對應執(zhí)行器輸入量)進行優(yōu)化，從而在MPC的框架下轉(zhuǎn)化為一個MINLP命題，并采用上述第三點提出的基于PSO的雙層嵌套算法對其進行有效求解。與經(jīng)典的閾值切換策略相比，該策略在保證行駛過程中的多個目的的同時，有效減少了油門、剎車間的切換次數(shù)，避免了因不同執(zhí)行機構(gòu)頻繁切換而帶來的機械磨損，改善了執(zhí)行器的動態(tài)響應。
　　 (5)建立了ACC汽車的宏觀交通流模型。該模型結(jié)合了ACC車輛的控制模型以及交通流的基本特性，真實地反映了宏觀A