汽車自適應(yīng)巡航控制及相應(yīng)宏觀交通流模型研究.pdf

1、汽車自適應(yīng)巡航控制(ACC：Adaptive Cruise Control)系統(tǒng)作為一種先進(jìn)的駕駛輔助系統(tǒng)，旨在減輕駕駛員的精神負(fù)擔(dān)，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(jì)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(jī)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(shí)現(xiàn)ACC系統(tǒng)的功能及其實(shí)用化的關(guān)鍵所在，其設(shè)計(jì)的好壞直接決定了ACC系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。而

2、對(duì)由ACC汽車構(gòu)成的交通流建立對(duì)應(yīng)的宏觀模型，不僅有利于分析ACC車流的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律、揭示ACC系統(tǒng)對(duì)交通流的改善作用，而且為交通管理者進(jìn)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(duì)象，分別對(duì)間距策略、針對(duì)車間相互縱向動(dòng)力學(xué)特性的上層控制、結(jié)合車間縱向動(dòng)力學(xué)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(jìn)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(shì)的可變跟車時(shí)距策略，并對(duì)其間

3、距誤差的收斂穩(wěn)定性進(jìn)行了理論證明。該間距策略通過引入對(duì)前車未來速度擾動(dòng)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(shí)距更為合理的同時(shí)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(yīng)復(fù)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(dòng)態(tài)性能。
　　 (2)在模型預(yù)測控制(MPC：Model Predictive Control)的框架下提出了一個(gè)兼顧安全性、跟車性

4、、舒適性和燃油經(jīng)濟(jì)性的多目標(biāo)ACC上層控制策略。首先建立了表征車間相互縱向動(dòng)力學(xué)特性的高階ACC上層控制模型；接著在該模型的基礎(chǔ)上深入分析了車輛行駛的多個(gè)控制目的，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的性能指標(biāo)和系統(tǒng)約束，在MPC的框架下設(shè)計(jì)了一個(gè)多目標(biāo)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(jì)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(biāo)ACC上層控制策略。該策略以對(duì)NGSIM實(shí)測微觀駕駛數(shù)據(jù)的分析為基礎(chǔ)，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(dāng)兩車間距處于期望值附近時(shí)，該雙模式ACC策略采用平穩(wěn)跟車模式，利用上述第二點(diǎn)提出的算法，安全、平穩(wěn)地跟蹤前車；一旦車間距遠(yuǎn)大于期望值時(shí)，該策略切換到快速接近模式，設(shè)計(jì)了一個(gè)時(shí)間最優(yōu)的多目標(biāo)MPC算法，將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)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(duì)其進(jìn)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(gè)行駛目的的同時(shí)，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(duì)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(dòng)力學(xué)特性和油門剎車機(jī)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(shè)計(jì)了油門剎車優(yōu)化切換的多目標(biāo)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(jī)械特性統(tǒng)一在一個(gè)模型框架內(nèi)，繼而結(jié)合車間縱向動(dòng)力學(xué)特性得到了ACC的綜合模型；接著在該模型基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了油門剎車優(yōu)化切換的一體化多目標(biāo)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(gè)目標(biāo)的同時(shí)，對(duì)車輛自身的油門剎車切換性能(切換序

8、列、對(duì)應(yīng)執(zhí)行器輸入量)進(jìn)行優(yōu)化，從而在MPC的框架下轉(zhuǎn)化為一個(gè)MINLP命題，并采用上述第三點(diǎn)提出的基于PSO的雙層嵌套算法對(duì)其進(jìn)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(gè)目的的同時(shí)，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(jī)構(gòu)頻繁切換而帶來的機(jī)械磨損，改善了執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
　　 (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(shí)地反映了宏觀A