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智能網聯汽車隊列控制:理論,技術與應用 版權信息
- ISBN：9787030708809
- 條形碼：9787030708809 ; 978-7-03-070880-9
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
智能網聯汽車隊列控制:理論,技術與應用 內容簡介
本書圍繞智能網聯汽車隊列控制在控制理論、傳感技術、通信技術、定位技術和實際應用等方面做了深刻探討和總結，系統地闡述了智能網聯汽車隊列控制在模型建立、通信拓撲描述、間距策略選取、控制器設計、穩定性分析、驗證平臺的構建和技術應用示范等方面的理論研究方法和實際應用成果。針對單隊列控制（包含縱向控制與橫向控制）、匯入-匯出控制和多隊列控制等科學問題，通過建立車輛運動學/動力學模型，描述關鍵通信拓撲結構，設計隊列控制器以及進一步的分析驗證，較好地解決了隊列控制中的縱/橫向行駛、匯入-匯出和多隊列行駛的實際問題。
智能網聯汽車隊列控制:理論,技術與應用 目錄
目錄
**篇 理論基礎部分
第1章 車輛模型 3
1.1 車輛縱向運動學模型 3
1.2 車輛縱向動力學模型 4
1.2.1 車輛縱向動力學特性 5
1.2.2 面向車輛隊列控制的車輛縱向動力學模型 7
1.3 車輛多自由度模型 8
1.3.1 車輛二自由度模型 9
1.3.2 車輛三自由度模型 10
1.3.3 車輛平面五自由度模型 12
1.3.4 車輛七自由度模型 13
1.3.5 車輛十四自由度模型 14
參考文獻 32
第2章 通信拓撲 35
2.1 圖論 35
2.1.1 圖的定義 35
2.1.2 頂點的度 35
2.1.3 圖解表示法 36
2.1.4 圖論相關的矩陣 36
2.2 通信拓撲結構建模 37
2.2.1 基于圖論的通信拓撲建模 38
2.2.2 考慮V2V通信環境的通信拓撲結構表征方法 39
2.3 固定拓撲結構與切換通信拓撲結構 41
2.3.1 固定拓撲結構 41
2.3.2 切換拓撲結構 42
參考文獻 42
第3章 間距策略 44
3.1 恒定間距策略 44
3.1.1 恒定間距策略定義 44
3.1.2 恒定間距策略的特點 45
3.2 恒定時距策略 46
3.2.1 恒定時距策略定義 46
3.2.2 恒定時距策略的特點 46
3.3 延時距離策略 47
3.3.1 延時距離策略定義 47
3.3.2 延時距離策略的特點 47
3.4 可變時距策略 48
3.4.1 可變時距策略定義 48
3.4.2 可變時距策略的特點 49
3.5 非線性距離策略 49
參考文獻 50
第4章 穩定性分析 51
4.1 車輛隊列系統穩定性分類 51
4.1.1 個體穩定性 51
4.1.2 串穩定性 52
4.1.3 兩種穩定性的關聯 52
4.2 車輛隊列系統串穩定性的分類定義 52
4.2.1 串穩定性的原始定義 52
4.2.2 頻域串穩定性的定義 53
4.2.3 時域串穩定性的定義 53
4.2.4 Lp串穩定性 54
4.3 各類串穩定性定義的等價關系 54
4.3.1 李雅普諾夫串穩定性 55
4.3.2 輸入-輸出串穩定性 55
4.3.3 輸入-狀態串穩定性 55
4.3.4 等價關系 56
4.4 隊列穩定性的分析方法 56
4.4.1 頻域分析 56
4.4.2 時域分析 58
4.5 分析方法的比較 58
參考文獻 59
第5章 隊列控制器設計與分析方法 61
5.1 單隊列控制 61
5.1.1 結構化道路場景下的車輛隊列縱向控制 61
5.1.2 基于積分滑模的車輛隊列制動控制研究 73
5.1.3 非結構化道路場景下的車輛隊列控制 85
5.2 匯入-匯出控制 98
5.2.1 車輛隊列控制場景設計 98
5.2.2 縱向車輛隊列控制算法 99
5.2.3 橫向車輛隊列控制算法 101
5.2.4 車輛隊列控制算法的串穩定性分析 103
5.2.5 小結 104
5.3 多隊列控制 104
5.3.1 問題描述 104
5.3.2 基于群一致性的多個車輛隊列協同控制算法設計 106
5.3.3 一致性和穩定性分析 107
5.3.4 群側向一致性和穩定性分析 110
5.3.5 數值仿真 111
5.3.6 小結 116
參考文獻 116
**篇 理論基礎部分
第1章 車輛模型 3
1.1 車輛縱向運動學模型 3
1.2 車輛縱向動力學模型 4
1.2.1 車輛縱向動力學特性 5
1.2.2 面向車輛隊列控制的車輛縱向動力學模型 7
1.3 車輛多自由度模型 8
1.3.1 車輛二自由度模型 9
1.3.2 車輛三自由度模型 10
1.3.3 車輛平面五自由度模型 12
1.3.4 車輛七自由度模型 13
1.3.5 車輛十四自由度模型 14
參考文獻 32
第2章 通信拓撲 35
2.1 圖論 35
2.1.1 圖的定義 35
2.1.2 頂點的度 35
2.1.3 圖解表示法 36
2.1.4 圖論相關的矩陣 36
2.2 通信拓撲結構建模 37
2.2.1 基于圖論的通信拓撲建模 38
2.2.2 考慮V2V通信環境的通信拓撲結構表征方法 39
2.3 固定拓撲結構與切換通信拓撲結構 41
2.3.1 固定拓撲結構 41
2.3.2 切換拓撲結構 42
參考文獻 42
第3章 間距策略 44
3.1 恒定間距策略 44
3.1.1 恒定間距策略定義 44
3.1.2 恒定間距策略的特點 45
3.2 恒定時距策略 46
3.2.1 恒定時距策略定義 46
3.2.2 恒定時距策略的特點 46
3.3 延時距離策略 47
3.3.1 延時距離策略定義 47
3.3.2 延時距離策略的特點 47
3.4 可變時距策略 48
3.4.1 可變時距策略定義 48
3.4.2 可變時距策略的特點 49
3.5 非線性距離策略 49
參考文獻 50
第4章 穩定性分析 51
4.1 車輛隊列系統穩定性分類 51
4.1.1 個體穩定性 51
4.1.2 串穩定性 52
4.1.3 兩種穩定性的關聯 52
4.2 車輛隊列系統串穩定性的分類定義 52
4.2.1 串穩定性的原始定義 52
4.2.2 頻域串穩定性的定義 53
4.2.3 時域串穩定性的定義 53
4.2.4 Lp串穩定性 54
4.3 各類串穩定性定義的等價關系 54
4.3.1 李雅普諾夫串穩定性 55
4.3.2 輸入-輸出串穩定性 55
4.3.3 輸入-狀態串穩定性 55
4.3.4 等價關系 56
4.4 隊列穩定性的分析方法 56
4.4.1 頻域分析 56
4.4.2 時域分析 58
4.5 分析方法的比較 58
參考文獻 59
第5章 隊列控制器設計與分析方法 61
5.1 單隊列控制 61
5.1.1 結構化道路場景下的車輛隊列縱向控制 61
5.1.2 基于積分滑模的車輛隊列制動控制研究 73
5.1.3 非結構化道路場景下的車輛隊列控制 85
5.2 匯入-匯出控制 98
5.2.1 車輛隊列控制場景設計 98
5.2.2 縱向車輛隊列控制算法 99
5.2.3 橫向車輛隊列控制算法 101
5.2.4 車輛隊列控制算法的串穩定性分析 103
5.2.5 小結 104
5.3 多隊列控制 104
5.3.1 問題描述 104
5.3.2 基于群一致性的多個車輛隊列協同控制算法設計 106
5.3.3 一致性和穩定性分析 107
5.3.4 群側向一致性和穩定性分析 110
5.3.5 數值仿真 111
5.3.6 小結 116
參考文獻 116
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智能網聯汽車隊列控制:理論,技術與應用 節選
**篇 理論基礎部分 第1章 車輛模型 在過去的幾十年中，不同學者建立了多種類型的整車動力學模型以對車輛不同方面的性能（操縱穩定性、行駛平順性等）進行分析。根據研究的具體情況，車輛動力學模型應結合車輛的預期行駛工況與控制目標選取合適的控制變量，通過約束簡化與近似，在盡可能降低算法數學求解復雜性的同時，準確表征車輛的動力學特性，并保證控制器的實時性與穩定性需求。本章將介紹不同自由度下車輛的動力學模型、面向車輛隊列的車輛縱向動力學模型和面向車輛隊列的車輛縱向運動學模型。 1.1 車輛縱向運動學模型 一些研究直接使用非線性模型進行排控制[1-3]。控制參數的選擇可以保證系統的漸近穩定性和串穩定性，但在給定的空間策略和通信拓撲條件下，顯式的性能限制很難分析。實際上，線性模型更多地用于可處理的問題。在文獻中，常用的模型有單積分模型、二階模型、三階模型、單輸入單輸出（single input single output，SISO）模型。 單積分模型是*簡單的模型，它以車速為控制輸入，以位置為單獨狀態，即 （1.1） 式中，控制輸入是每一輛車的速度。 單積分器模型[式（1.1）]可以大大簡化控制器設計的理論分析。例如，在單積分器假設下，車輛隊列的結構*優控制問題可以轉化為突出的問題，但這個問題對其他模型具有挑戰性[4]。然而，除在很大程度上偏離實際的車輛動力學之外，單積分模型也不能再現串不穩定性[5]。 假設節點運動學為點集合，從而產生雙積分模型[4-5]： （1.2） 許多重要的理論結果，如分散*優控制[4]、穩定裕度分析[6]和通信延時影響[7]，都依賴于二階動力學的假設。這種假設仍然沒有抓住真實車輛動力學的許多特征，如系統動力學中的慣性延遲。 一種建模趨勢是進一步增加一種狀態并產生三階模型。附加狀態通常是近似于動力系統的輸入/輸出性能，這相當于將控制輸入退化為發動機轉矩和/或制動轉矩，大多數近似使用反饋線性化技術[8]或底層控制技術[9-10]，推導過程如下。 車輛動力學模型如下： （1.3） 式中，為輪胎半徑；為齒輪比；為引擎轉速；為引擎轉矩；為空氣阻尼系數；為摩擦阻力；為引擎轉動慣量。 考慮車輛傳動系統的遲滯特性，建立一階模型： （1.4） 式中，為車輛動力傳動系統的時間常數；為期望輸出力矩。 為了簡化計算，設計線性反饋控制律： （1.5） 式中，為車輛的控制輸入。 由上述反饋線性化策略，可得到三階車輛動力學模型： （1.6） 式中，為狀態；為每輛車的期望加速度；為近似動力系統的動力學時間常數，刻畫了動力傳動系統的慣性時間，不同類型的車輛具有不同的慣性時間，其刻畫了車輛動力學的異質特性。 上述模型的另一種選擇是傳遞函數模型，該模型常用于分析弦在頻域的穩定性。 （1.7） 式中，和分別為車輛位置、速度和加速度的拉普拉斯變換；為控制輸入；為一個SISO嚴格合適的傳遞函數。 傳遞函數模型具有兩個積分器和一個較低階的延遲，導致了車輛隊列的一些基本限制[11]。該模型的先驅工作始于Seiler等[11]，后來廣泛應用于許多其他研究，見文獻[12-13]。 1.2 車輛縱向動力學模型 以往對車輛隊列控制的研究多集中在縱向動力學行為上。只有少數研究討論了縱向和橫向綜合控制[14]。1.1節提及的車輛二自由度模型通常用于描述橫向動力學的控制設計。在本節，我們將著重討論車輛縱向動力學的特性以及常見的面向車輛隊列控制的車輛縱向動力學模型。 1.2.1 車輛縱向動力學特性 車輛縱向動力學總成包括發動機、液力變矩器、自動變速器、車輛傳動行駛及整車運動系統。各總成的特性參數及相互間的力矩及轉速傳遞關系如圖1.1所示。圖中粗實線表示力矩傳遞路線，虛線表示轉速傳遞路線，細實線表示信號量。 圖1.1 車輛縱向動力學模型 進行如下的假設：①忽略進氣歧管的動力學和燃燒室的燃燒，整體動力總成的動力學歸為縱向慣性傳遞函數；②該車與輪胎摩擦較大的干燥路面上行駛，忽略了輪胎的縱向滑移；③車身只考慮剛性和對稱，沒有垂直運動、偏航運動、俯仰運動；④將液壓制動系統簡化為無純時滯的一階慣性傳遞函數。 基于上述假設，發動機輸出的靜態扭矩表示如下： （1.8） 式中，為非線性函數，表示發動機扭矩特性，如圖1.2所示；為發動機轉速；為節氣門開度。 圖1.2 發動機扭矩特性 發動機扭矩特性函數是在節氣門開度和發動機轉速穩定在某一固定值時測得的，為表示節氣門開度及發動機轉速變化時發動機輸出扭矩的動態特性，根據前述假設，將發動機扭矩特性函數與一個一階惰性環節相結合，以表征發動機輸出扭矩的動態特性[15]。 （1.9） 式中，為真實發動機扭矩；為發動機時間常數。 根據圖1.1，可以得到如下描述方程： （1.10） 式中，為變矩器的泵轉矩；為飛輪的轉矩。 （1.11） （1.12） （1.13） （1.14） （1.15） 式（1.11）～式（1.15）中，為變矩器容量系數；為變矩器轉矩比；為傳動比；為*終齒輪比；為渦輪轉矩；為作用在車輪上的驅動力；為傳動效率的機械效率；為車輪的滾動半徑；為渦輪角速度；為作用在車輪上的剎車力；為4個車輪的總的剎車系數；為剎車系統的時間常數。變矩器的特性曲線及自動變速器的開關邏輯分別如圖1.3和圖1.4所示[15]。
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