考虑通信时延与采样控制的自主车辆队列稳定性分析

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自主车辆队列通过无线通信实现车间信息交互,能够减缓交通拥堵、增加道路容量和道路安全。由于无线通信技术受带宽限制和信道拥堵等因素的制约,必然产生通信时延,对自主车辆队列的稳定性造成不利影响。因此,为了提高带宽利用率,减缓通信负载,考虑对车间传递的状态数据进行采样。然而,这种采样控制不能彻底避免信道拥堵现象,当传输数据量过大时,仍存在通信延迟。针对上述问题,本文考虑通信时延与采样控制,给出自主车辆队列的内部稳定性与队列稳定性分析方法,并开展实时仿真验证,主要研究工作和成果包括:(1)针对通信时延下自主车辆队列的内部稳定和队列稳定问题,利用系统稳定性与特征根之间的关系,求解系统临界稳定的纯虚根,分析了自主车辆队列的内部稳定性,给出了内部稳定的充要条件;此外,采用固定时距间距策略和r辆前车跟随式拓扑,通过在频域上分析控制器增益的可行域,对自主车辆队列的队列稳定性进行了分析,给出了车头时距的取值范围。最后,仿真验证了所提出稳定性分析方法的有效性。(2)针对采样控制下含时延自主车辆队列的内部稳定和队列稳定问题,提出了一种适用于任意拓扑的状态反馈控制算法,构建Lyapunov-Krasovskii函数分析了自主车辆队列的内部稳定性;此外,考虑固定时距策略和r辆前车跟随式拓扑,将误差传递函数的无穷范数作为判定准则,分析了自主车辆队列的队列稳定性,给出了含采样周期的队列稳定判据。最后,仿真验证了所提出稳定性分析方法的准确性。(3)利用PLEXE仿真实验平台,开展更贴近实际通信网络和道路环境的自主车辆队列仿真测试。考虑通信时延与采样控制,对PLEXE进行二次开发,通过设置车辆动力学模型、分布式控制器和通信拓扑等必要参量,完成自主车辆队列的PLEXE实时仿真验证。其仿真结果与数值仿真基本一致,进一步验证了所提出的内部稳定性和队列稳定性分析方法的有效性。
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