基于车载自组织网络的车辆自适应巡航控制-国家自然科学青年基金申请报告.doc

1、 国家自然科学基金申请书 2016版国家自然科学基金申 请 书资助类别： 面上青年基金项目 亚类说明： 附注说明： 项目名称： 基于车载自组织网络的车辆自适应巡航控制 申 请 人： 吴利刚 电 话： 18735283190 依托单位： 山西大同大学 通讯地址： 山西省大同市兴云街1号 邮政编码： 037003 单位电话： 0382-7563236 电子邮箱： 申报日期： 2017年01月09日 国家自然科学基金委员会国家自然科学基金申请书 2016版基本信息姓 名 吴利刚 性别 男 出生年月 1986/04 民族 汉族学 位 博士 职称 讲师 每年工作时间（月）10电 话 187352831

2、90 电子邮箱 传 真 0352-6091559 国别或地区 中国个人通讯地址 山西省大同市兴云街1号工作单位 山西大同大学申请人信息主要研究领域 基于物联网的车辆编队控制、交通控制系统名 称 山西大同大学联系人 乔亮 电子邮箱 依托单位信息 电 话 0352-7563236 网站地址 http:/单位名称合作研究单位信息项目名称 基于车载自组织网络的车辆自适应巡航控制英文名称 资助类别 面上青年基金项目 亚类说明附注说明申请代码 基地类别研究期限 2018年01月 2020年12月项目基本信息申请经费 20万元中文关键词 车载自组织网络；网络受限；事件驱动英文关键词 国家自然科学基金申请书

3、2016版中文摘要基于车载自组织网络的车辆自适应巡航控制系统是交通系统最重要的子系统之一，旨在通过基于自组织网络的车辆自动控制技术，实现复杂交通环境下的车辆自动行驶，从而提高公路系统的安全性和运行速率。本项目研究内容如下：1）分析车辆动态模型的非线性、燃油和制动延时等现象对车队性能的影响，继而探明非线性车队系统稳定性与延时之间相互作用机理，并建立相应的准确关系，深化研究车队非线性控制方法，提高其鲁棒性能；2）在所建模型基础上分析传感器、执行器随机故障问题，探索新的基于多事件驱动系统控制方法，得到保证车队指数稳定的反馈控制器存在的条件，继而得出系统采样周期、指数衰减率及传感器、执行器故障率之间的

4、定量关系。3）进一步分析车载自组织通信信道受限等因素，深入研究基于平均驻留时间的有信道调度和控制协同设计理论，推动基于车载自组织网络的车辆自适应巡航控制理论的革新。英文摘要国家自然科学基金申请书 2016版项目组主要参与者（注: 项目组主要参与者不包括项目申请人）编号 姓名 出生年月 性别 职 称 学 位 单位名称 电话 电子邮箱 证件号码每年工作时间（月） 1 张楠 1981/04 男 副教授 硕士 山西大同大学 102 柴常 1967/08 男 副教授 硕士山西大同大学 14020319670803001X 103 盛彬 1986/09 女 助教 硕士 山西大同大学 14020219860

5、9123029 104 宫殿强 1982/04 男 讲师 硕士 山西大同大学 140622198204044215 105 郭计云 1978/09 女 讲师 硕士 山西大同大学 142202197809142125106 贾权 1979/08 男 讲师 硕士 山西大同大学 14021219790808185910总人数 高级 中级 初级 博士后 博士生 硕士生 7 2 4 1 2 5国家自然科学基金申请书 2016版国家自然科学基金项目资金预算表( 单位：万元)序号 科目名称 金额1 一、 项目资金 202 (一) 直接费用 203 1、 设备费 44 (1)设备购置费 35 (2)设备试制费

6、 16 (3)设备改造与租赁费 07 2、 材料费 2.58 3、 测试化验加工费 09 4、 燃料动力费 010 5、 差旅费 3.511 6、 会议费 212 7、 国际合作与交流费 013 8、 出版/文献/信息传播/知识产权事务费 314 9、 劳务费 415 10、 专家咨询费 116 11、 其他支出 17 (二) 间接费用 18 其中：绩效支出 19 二、 自筹资金 国家自然科学基金申请书 2016版预算说明书(定额补助)（请按国家自然科学基金项目资金预算表编制说明中的要求，对各项支出的主要用途和测算理由及合作研究外拨资金、单价10 万元的设备费等内容进行详细说明，可根据需要另加

7、附页。 ）国家自然科学基金申请书 2016版正文：参照以下提纲撰写，要求内容翔实、清晰，层次分明，标题突出。请勿删除或改动下述提纲标题及括号中的文字。（一）立项依据与研究内容（4000-8000 字）： 1项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录） ；立项目的、意义：汽车被誉为“改变世界的机器 ”，在近几十年里，汽车工业得到飞速发展。它不仅仅推动了 世界经济的发展和科技的进步，而且也逐渐成为人类工业文明的标志。汽车作为一类交通工具 ，给我们的生活带来了便

8、利，提高了人类出行的便捷性、舒适性和自由性。可以说，汽车已成为 人类生活的必备工具。然而随着当今社会车流量的不断增加，也给道路交通系统带来一系列的恶 劣后果：(1). 交通堵塞，尤其是大城市，特别是北京，已经成为急需解决的城市病之一；(2). 环 境污染，汽车尾气已然成为自然环境的主要污染源，酸雨、温室效应和雾霾等现象严重危害到人 类的健康；(3). 交通事故，严重的危害到人类的生命和造成世界经济的损失，已然成为世界的第 五大死因，而因此造成的经济损失，仅仅是在美国就高达 2300亿美元之多。面对严峻的道路安全需求，仅仅通过增加交通道路的通行面积或者仅仅从车辆方面考虑，并不能解决日益严重的道路

9、 交通问题，而且都是治标不治本。因此，通过车辆系统与道路系统的协同式控制，采用先进的高 科技手段，成为解决上述道路交通问题的新思路。智能交通系统（Intelligent Transportation System, ITS）指的是将信息通讯技术、现代 化电子设备、系统工程等新兴的高科技技术综合的应用到交通运输系统，从而改善其控制性能，使得车辆能够智能化的行驶在道路上，而且能够高效的通过道路交通设施，来提升公路系统的 机动性和安全性。国家自然科学基金申请书 2016版自主车队控制系统作为智能交通系统的一个分支，是指将公路系统中的车辆组成车队，而且 能够按照期望的队形自动行驶。传统的自主车队控制系

10、统是通过在车辆上装配雷达传感器、摄像头、超声波等车载装置来提升驾驶舒适度和安全性，但是容易受到天气等外界环境的影响，如大 雨、雾霾和沙尘暴等。 近几年来，网络通信技术飞速发展，车辆与车辆之间的通信(V2V)和车辆与路边基础设施之间 的通信 (V2I)等新兴技术，能够有效的解决上述问题。将无线通讯技术应用到自主车队控制系统中，成为必然的趋势。但是，通讯网络的介入，必然会带来网络所固有的缺陷，例如通信时延、丢 包、乱序、介质访问约束等等，如何解决网络因素对自主车队控制系统的影响，受到越来越多研 究人员广泛的关注。而且，车辆的快速移动性，导致车辆具有接入网络时间短、信道衰减严重等 特性，使得对网络化

11、自主车队的控制研究，有别于传统的网络控制系统，具有非常大的挑战。 我国的交通情况层次不齐、错综复杂，而且在该领域的研究起步较晚，对于网络化自主车队 控制系统的研究很少，特别是近些年我国的汽车保有量急速的增加，作为世界第二大汽车消费国，交通拥堵、环境污染和频发的交通事故等现象，成为当务之急必须解决的问题。通过采用国内 外先进的科学技术，提升道路的通行能力、降低环境污染和有效的减少交通事故，进行网络化自 主车队控制系统的研究是非常必要的。基于车载自组织网络（Vehicle ad-hoc network, 简称VANET）的车队控制系统集先进的自动 控制技术、网络通信技术及计算机控制技术于一体，可实

12、现车辆以较小的车间距离自动行驶，从 而提高交通系统的运输容量、安全性及驾驶的舒适性，减少环境污染、降低能耗。因此，对车辆 自适应巡航控制系统的研究不仅具有重要的理论意义同时还有实际的应用价值。 国内外研究概况、水平： 在过去的四十年里，国内外研究人员从不同的角度利用不同的国家自然科学基金申请书 2016版控制方法对车辆自适应巡航控 制进行研究，取得了一系列的研究成果，如，Shldover1提出将车辆跟踪控制和点跟踪控制看作 是车队控制的两个基本策略；Ferrara 和 Pisu2提出将滑模控制引入客车的车队控制中并且使得 所需的传感器数量最少。Spoor3针对车队控制提出了不同的距离控制策略。

13、Stankovic4 通过 利用多项优化及包含原理提出了一种分散式交迭控制方法。Arem5分析了车辆自适应巡航控制对 交通流的影响；Guven6介绍了在 Grand Cooperative Driving Challenge 项目中，车辆协作控 制已成功在TeamMekar 车队中实现。当前，对于车辆自适应巡航控制问题的研究主要集中在以下几个方面。 1).存在外部扰动、模型参数不确定情况下的车辆协作控制问题 车辆协作控制性能易受前车的加速或减速、路面坡度、风力等扰动以及发动机时间常数、空 气动力阻力、车辆的质量变化等模型参数不确定的影响，从而导致车队队列的不稳定性。 Yue7 建立了包含路面坡

14、度和风力因素的非线性车辆动力学模型，基于 Back-stepping 方法提出一种对坡 度和风速变化具有一定适应能力的非线性控制算法，保证了车队的队列稳定性。 Swaroop8研究 了车辆模型参数(空气阻力、轮胎阻力以及车辆的质量) 不确定对车队的队列稳定性影响，基于 Lyapunov 方法所提出的分布式自适应控制算法能够有效补偿参数的变化。 Kwon9利用滑模控制方 法为车队系统设计了自适应控制律，有效解决了扰动以及车队模型参数不确定问题。2).传感器、执行器随机故障情况下的车辆协作控制问题 车辆控制系统中，一方面，车辆的发动机系统、制动系统以及传动系统会存在不可避免的时延 ， Rajama

15、ni10最先指出车辆控制中的传感器延时问题，并通过实验得到车辆的执行器、和燃油 等纯延时的数值； Swaroop11和 Hedrick12 在不同的环境下研究了车辆的发动机系统、制动 系统以及传动系统中存在的延时问题。另一方面，车辆安装的传感器装置本身存在测量范围有限 问题(如，声纳传感器、红外传感器、雷达、数字传感器等)，同时，也极易受恶国家自然科学基金申请书 2016版劣天气(雨、雪、 沙尘暴) 、电池供电不足以及雷达信号干扰，从而导致其失效， Caravani13首先对此类问题进行 了研究，设计了一种分布式的通讯和监测系统，当行驶在高速公路上的车队遭遇严重交通拥堵和能见度极低的情况，可从

16、视觉和听觉上为驾驶员提供辅助帮助。但其所用到的方法和技术对于自 动化程度要求极高的车队控制来说并不适用。为此， Guo14考虑了在传感器测量范围受限以及执 行器存在延时(燃油、制动延时) 下车辆协作的队列稳定性，为车队建立了新的混合模型并设计了 保性能控制器，从而保证了整个车队的队列稳定性以及零稳态误差响应。 Guo15将车队在传感器 失效情况下建模成一个切换系统，利用切换系统分析的方法，量化了传感器失效率、系统衰减率以及车队采样周期之间的关系。同时，所设计的采样控制器能够保证整个车队的队列稳定性以零 稳态误差响应。3).VANET 通讯受限条件下的车辆协作控制问题虽然 VANET 能够便于车

17、辆之间的信息交换，提高车队控制系统的控制效率、鲁棒性，降低成本，但 是车载网络的介入不可避免的会引入通讯延时、数据丢包及量化误差等问题，从而导致车队出现 队列不稳定。 Hedrick12分析了通信延时对车队队列稳定性的影响； Desjardins16考虑了传感 器以及通信单元存在的延时对车队队列稳定性的影响； Seiler17, 18 考虑了通信信道存在数据丢包情况下的车队控制与状态估计问题； Lei 19 考虑了数据传送速率和数据丢包对于车辆协作队列稳定的影响，并且对信号传输速率以及数据丢包率给出了严格的上界。 Middleton20考虑 了通信信道存在连接受限时，基于固定时间间隔策略下的车辆协作的队列稳定性问题。 Guo21将 外部干扰、模型参数不确定性及车载网络存在的通讯延时、数据丢包及量化误差建立于统一车队 模型中，所提出的控制器能够保证车队的队列稳定性以及零稳态误差响应。发展趋势： VANET 的介入使得车辆协作控制系统的分析与控制面临着一些新的具有挑战性的难题。第一，由于 车辆移动速度快以及公路上