智能网联车队协同控制方法及队列稳定性研究

Intelligent connected vehicle platoon can simplify the complex traffic control system and improve the traffic capacity. But meanwhile vehicle platoon unstable problems are caused by abnormal communication, including packet dropout, time delay and invalid. The proposal focuses on intelligent connected vehicle platoon, aims at enhancing the road capacity and achieving string stability, establishes a universal cooperative intelligent connected vehicle platoon control theory and analyses string stability under wireless communication. The proposal includes the following: Firstly, the cooperative platoon control model is designed based on the sliding model control theory considering the typical communication topologies. String stability that affected by the time delay is analyzed. The scope of desired speed and spacing that satisfies the stability condition is calculated. Secondly, as vehicle platoon with abnormal communication is unstable, a new switching control strategy is proposed, then the vehicle platoon is restructured according to the new control strategy, and the controller structure and the scope of spacing between groups that satisfies the stability condition is established. Thirdly, a platoon size optimization method to improve road capacity is proposed, considering the constraints of various environmental coupling factors. Finally, the control model is verified on a new designed hardware in-the-loop platform. The study provides theoretical basis and key technical support for designing of the intelligent connected vehicle platoon system.

智能网联车队技术使复杂的交通控制得以简化，交通可组织性也同时增强，有效的提高道路通行能力。但是无线通信系统本身的时延传输特性和丢包、中断等通信异常问题，限制了这一技术的发展。本项目以提到路段通行能力，保持队列稳定性为控制目标，研究具有通用性的智能网联车队协同控制理论，并建立队列稳定性分析方法。研究内容包括：根据典型通信拓扑结构建立理想车间距偏差方程，设计基于滑模控制理论的车队协同控制模型，分析通信时延对车辆队列稳定性的影响，确定满足队列稳定性条件的理想车速和车间时距范围；针对通信异常造成系统随机性扰动的问题，建立同构/异构车队切换控制策略，保证队列稳定性不受影响；提出基于路段通信能力最大的车队规模优化方法，考虑多种环境耦合因素约束下的车队结构；最后搭建多仿真软件联合应用的智能网联车队硬件在环实验平台，对研究结论进行实验验证。该研究为智能网联车队技术应用提供了理论基础和关键技术支撑。

智能网联车队控制技术的优势在于使得复杂的交通控制系统得以简化，将动态交通流调整到最佳状态，起到了缓解交通拥堵，提高道路通行能力的作用；同时车队依靠协同控制机制调整所有车辆单体性能保持一致，有效地减少了由于个别人为驾驶行为因素所造成的交通事故，保证了车辆行驶安全性。本项目以提高车辆行驶安全性和公路通行能力为目标，研究智能网联车队协同控制方法，并建立队列稳定性条件，主要研究内容包括：根据典型通信拓扑结构下理想车间距偏差方程，建立基于滑模控制理论的智能网联车队协同控制模型，分析通信异常（延迟、丢包、中断等）对队列稳定性的影响，确定满足行驶安全性和队列稳定性条件的环境约束条件；针对通信异常造成系统随机性扰动的问题，建立基于控制参数动态辨识的智能网联车队切换控制方法，保证队列稳定性不受影响；考虑交通环境耦合因素，基于多级模糊综合评价法建立实时交通状态评价模型，对智能网联车队规模进行动态优化，实现道路通行能力最大；最后搭建智能网联车队硬件在环仿真平台，对研究成果进行实验验证。通过本项目研究，形成了可应对复杂车车/车路通信环境下智能网联车队协同控制理论体系，建立了智能网联车队主动安全及队列稳定性分析方法，并搭建了智能网联车队硬件在环仿真实验平台。通过仿真平台验证，总结分析出了通信异常时智能网联车队协同控制效果及安全性验证数据，同时结合交通仿真软件得出智能网联车队控制对道路通行能力影响效果验证数据。通过这些关键性验证数据及分析结果，可对本项目的理论成果进一步完善，为实际技术应用提供有力可行性支持。本项目研究成果未来投入实际应用后，可有效合理分配城市路网交通流，为提高城市道路通行能力，有效缓解交通拥堵提供有效技术手段，同时为驾驶员出行提供更安全高效的服务。因此，本项目研究成果对实现交通系统的可持续性发展，改善交通环境以及有效地减少交通拥堵方面具有广阔的应用前景。