基于车路协同的高速公路半挂罐车速度控制

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液体危险货物的主要运输方式是半挂罐车运输,欧美等发达国家80%以上的液体有害物质是由半挂罐车承担,近年来我国半挂罐车在公路运输中也呈现持续增长的趋势。液体半挂罐车在弯道行驶时易发生侧翻、失稳等事故,虽然发生概率低,但具有群死群伤、影响恶劣、环境污染等特征。因此,基于现阶段较为成熟的车路协同系统及先进驾驶辅助技术,以提高半挂罐车行驶稳定性、降低事故发生率为目的,研究车路协同环境下的弯道车辆速度控制方法具有重要意义。本文基于车辆跟驰理论与动态系统最优控制理论,以弯道路段行驶的半挂罐车为研究对象,以“传统有人驾驶车辆弯道运动状态预测→半挂罐车弯道横向稳定性模型建模→弯道车速最优控制方法研究→车速最优控制方法仿真分析”为主线,针对智能网联车辆与普通车辆混行环境下的弯道车速优化控制展开研究。针对传统有人驾驶车辆弯道运动状态预测,基于智能驾驶员微观车辆跟驰模型(IDM),对经典模型进行了弯道适应性改进,综合考虑弯道曲率半径、道路纵向坡度及驾驶员反映时间对跟驰行为的影响,最终标定了预测算法模型的参数,构建的传统有人驾驶车辆弯道运动状态预测算法能较为准确的预测车辆弯道运动状态,为后续章节开展弯道车速最优控制仿真分析打下基础。针对半挂罐车在高速公路弯道行驶时易发生横向失稳的问题,进行了车辆弯道动力学稳定性影响分析,重点分析了车辆质心高度、轮距及悬架刚度对车辆侧倾稳定性的影响。对于车辆横摆运动,建立了3自由度车辆动力学模型,并推导了稳态横摆角速度的计算公式。针对车辆的横遥运动分析,在防侧翻研究中,选取横向荷载转移率作为车辆横摇运动安全区域的性能指标,并且推导了车辆横向载荷转移率计算公式。针对半挂罐车的弯道车速最优控制问题,借助动态系统最优控制方法,对车速最优控制问题进行建模分析,基于搭建的车速系统架构,首先明确了车辆初始状态及终端状态,并构建了成本函数,考虑了终端成本及运行成本的影响,明确提出了成本函数应满足的约束条件。研究中基于庞特里亚金最小值原理求解上述车速最优控制问题。为了保证速度控制的时效性,采用数值化的PMP算法来解决这个问题,大幅降低计算负担。为验证评价所提出的半挂罐车弯道车速最优控制方法,搭建基于MATLAB/Simulink、VISSIM和Truck Sim的联合仿真平台。仿真试验的场景划分为受控场景与基准场景,并选取车辆的横摆角速度、横向载荷转移率、车辆的燃油消耗率及道路通行能力作为评价指标,采用了双尾配对t检验法对指标进行检验。通过分析可知,所提出的半挂罐车弯道车速最优控制方法能有效保障车辆安全行驶、并在保证交通机动性的前提下提高车辆燃油效率。
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