本文關(guān)鍵詞：用于互聯(lián)車輛的基于模型預(yù)測控制的縱向控制器的設(shè)計和實驗驗證

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【摘要】：隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展,汽車保有量持續(xù)攀升,越來越多的人將駕車作為首選的出行方式。然而隨之而來的,卻是逐年上升的交通事故率,而其中人為因素造成的交通事故量不容忽視,因此除了培養(yǎng)駕駛習(xí)慣和安全意識等手段,人們已經(jīng)開始將目光轉(zhuǎn)向了更加安全、高效和便捷的無人駕駛。目前,駕駛輔助功能已經(jīng)非常廣泛地應(yīng)用在乘用車上,例如自動巡航系統(tǒng)、車道偏離預(yù)警系統(tǒng)、盲區(qū)監(jiān)測功能等等。但是,由于車輛互聯(lián)技術(shù)的不成熟,目前距離實現(xiàn)真正的無人駕駛還有相當一段差距,因此車輛互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展顯得至關(guān)重要。本文主要基于車輛互聯(lián)的概念,以具備車車通信功能的車輛為基礎(chǔ),設(shè)計了專門用于車輛自動跟隨的控制系統(tǒng),控制方法為模型預(yù)測控制,其控制系統(tǒng)可以很好地維持前后車輛之間的相對動態(tài)關(guān)系。相較于傳統(tǒng)模型預(yù)測控制,本設(shè)計使用拉蓋爾多項式對傳統(tǒng)的模型預(yù)測控制進行參數(shù)化,從而通過調(diào)節(jié)拉蓋爾多項式的參數(shù)來實現(xiàn)對控制系統(tǒng)表現(xiàn)的調(diào)節(jié)。本設(shè)計的控制器在美國高速公路管理局提供的實驗平臺上完成了實驗驗證,證明了這種控制方法的可行性。首先描述了車輛自動跟隨系統(tǒng)中前車與后車之間的動態(tài)關(guān)系,在自動跟隨系統(tǒng)中,后車的主要目的就是以特定的安全距離和相同的速度跟隨前車。基于自動跟隨模型,結(jié)合增量模型的基本原理,得到用于模型預(yù)測控制的增量模型,在增量模型中始終有一個積分器,從而保證消除狀態(tài)誤差。在得到了增量模型的前提下,介紹了模型預(yù)測的基本原理,相較于傳統(tǒng)的模型預(yù)測控制,引入了拉蓋爾多項式來描述控制變量,不同的拉蓋爾參數(shù)對系統(tǒng)階躍反應(yīng)的近似效果不同,通過比較這些近似效果,得到了最佳的參數(shù)組合。由于拉蓋爾多項式的正交性和指數(shù)衰減特性,使得最優(yōu)解的求解過程更加簡單,并且可以通過選擇不同的拉蓋爾參數(shù)來調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的表現(xiàn)。在確定了拉蓋爾多項式的參數(shù)和相關(guān)權(quán)重矩陣參數(shù)后,控制系統(tǒng)在Matlab中進行仿真,仿真結(jié)果驗證了控制器設(shè)計的可行性。最后,該設(shè)計的控制器在美國高速公路管理局的實驗平臺上得到了驗證。實驗平臺主要包括定位系統(tǒng)PinPoint,通信系統(tǒng)DSRC(專用短距離通信技術(shù)),TORC速度控制器和MicroAutobox。PinPoint主要負責(zé)提供車輛的位置信息和速度信息,DSRC負責(zé)車輛之間的相互通信,TORC作為下層控制器,主要用于實現(xiàn)上層控制器得到的理想速度,MicroAutobox主要用于負責(zé)實時運行整個控制系統(tǒng)。在一些程序的輔助下,將各個系統(tǒng)進行了數(shù)據(jù)融合,使得車輛可以成功地進行數(shù)據(jù)分享。同時,該設(shè)計的控制系統(tǒng)在MicroAutobox中得以實時運行。實驗結(jié)果表明,在控制器的作用下,后車可以以設(shè)定的安全距離跟隨前車,并保持相同的速度。于此同時,也通過實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)表現(xiàn)的不足之處,并提出了改進的方法。仿真結(jié)果表明,這些改進方法可以在未來的實驗中改善系統(tǒng)的整體表現(xiàn)。
【關(guān)鍵詞】：互聯(lián)車輛 拉蓋爾多項式 車車通信 自動跟隨 專用短距離通信技術(shù) 模型預(yù)測控制 MicroAutobox
【學(xué)位授予單位】：上海海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U463.6
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 引言10-18
• 1.1 研究的目的和意義10-12
• 1.2 研究現(xiàn)狀12-16
• 1.3 本設(shè)計的特點及主要研究內(nèi)容16-18
• 第二章 車輛跟隨模型18-22
• 2.1 問題描述18
• 2.2 系統(tǒng)建模18-21
• 2.2.1 用于模型預(yù)測控制的增強模型18-20
• 2.2.2 車輛跟隨模型20-21
• 2.3 結(jié)論21-22
• 第三章 基于模型預(yù)測控制的控制器設(shè)計22-36
• 3.1 模型預(yù)測控制的基本原理22-24
• 3.2 基于拉蓋爾多項式的最優(yōu)化解24-30
• 3.2.1 離散的拉蓋爾多項式24-27
• 3.2.2 成本函數(shù)的最小化27-30
• 3.3 約束30-32
• 3.3.1 TORC速度控制器的測試30-32
• 3.4 基于拉蓋爾多項式參數(shù)的系統(tǒng)調(diào)節(jié)32-34
• 3.5 結(jié)論34-36
• 第四章 實驗驗證36-52
• 4.1 簡介36
• 4.2 系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)36-37
• 4.3 硬件介紹37-41
• 4.3.1 PinPoint37-39
• 4.3.2 DSRC39-40
• 4.3.3 MicroAutobox Ⅱ40-41
• 4.3.4 TORC Speed Controller41
• 4.4 軟件設(shè)置41-42
• 4.5 實驗結(jié)果42-45
• 4.6 數(shù)據(jù)分析45-51
• 4.6.1 前車加速度數(shù)據(jù)的缺失46
• 4.6.2 控制變量變化率的約束46-51
• 4.7 結(jié)論51-52
• 第五章 結(jié)論和展望52-54
• 5.1 結(jié)論52-53
• 5.2 后續(xù)研究和展望53-54
• 參考文獻54-59
• 致謝59-60
• 研究生期間研究成果與獎勵60

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