关键词：异质车辆队列;;分布式模型预测控制;;缩微智能车平台;;V2X通信;;ROS编程框架
摘 要：作为智能网联汽车的核心技术,智能车辆队列协同控制技术能够提高交通系统安全性,提升道路通行率,改善燃油经济性,具有深入研究的价值。现有研究往往具体问题具体分析,主要着眼于队列的纵向跟车行为,缺乏针对车辆队列协同控制方法的一般研究思路,难以对多种信息拓扑结构、不同控制目标的异质车辆队列进行分析。受限于实际车辆实验的成本、安全性等因素,针对车辆队列的研究往往侧重于软件仿真,缺乏试验分析。为此,本文以智能车辆队列为研究对象,提出车辆队列协同控制通用型系统架构,设计智能车辆队列分布式模型预测控制器(Distributed Model Predictive Controller,DMPC),搭建缩微仿真车辆队列硬件试验平台,完成协同控制场景的试验研究。本文主要研究内容如下:(1)建立智能车辆队列控制通用型系统架构,该架构将智能车辆队列控制系统分为队列系统层和车辆节点层两个层面,实现了对智能车辆队列V2X通信拓扑形式、相邻车辆几何位置关系、车辆节点动力学特性的一般性数学表述。该架构面对多样化的信息流拓扑结构、不断变化的队列构型和车辆队列的异质特性具有普适性。(2)设计基于模型预测控制理论的车辆队列分布式模型预测控制器。该控制器仅利用邻域车辆节点的运动状态构造当前车辆节点的子优化问题,作为整体的队列系统在每一采样时刻求解多个开环优化问题,每个子问题面对的是局部预测模型、局部优化目标及局部约束条件。仿真结果显示,本文设计的分布式模型预测控制器能够在仅获得邻域信息的情况下实现车辆节点的控制目标以及保持队列的全局稳定性。(3)搭建基于缩微智能车的车辆队列协同控制实验平台。该平台由两辆1:5的缩微智能车构成。每辆缩微智能车采用了与实际智能车相似的机械、控制系统,搭载具有通用性和可移植性的控制平台和传感设备,完成了硬件实验的基础开发。(4)基于缩微智能车实验平台,对车载控制、传感和通信设备进行软件系统开发。通过电机驱动和编码器实现了仿真车辆速度的精确控制,设计了基于WAVE(Wireless Access in Vehicular Environment)协议栈的V2X通信系统。基于机器人操作系统(Robot Operating System,ROS)的发布-订阅式通信框架,构建多传感器分布式通信计算机系统,完成典型协同控制场景下的多车协作试验研究。
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