基于任意车头时距切换的网联自动驾驶车队协同控制与稳定性研究

本文提出了一种基于最优控制理论和任意车头时距（ATH）策略的网联自动驾驶车辆（CAV）车队协同控制方法。通过构建线性二次调节器（LQR）和切换系统，实现了车队在任意期望车头时距间的稳定过渡，并设计了自抗扰控制器（ADRC）以提升底层控制精度。仿真结果表明，该模型能有效提升车队的安全性、效率和稳定性。

　　

章节摘要

车队建模

如图1所示，假设一个CAV车队由1辆领头车和n辆跟随车组成。本文采用任意车头时距（ATH）策略，定义了期望车头时距T_k ∈ R⁺, k ∈ N₁。与传统策略不同，ATH策略允许车头时距根据需求灵活切换。

局部稳定性与弦稳定性

局部稳定性和弦稳定性是确保车队在扰动下保持稳定的关键指标。局部稳定性关注单车跟驰行为，可采用特征方程法分析。弦稳定性反映了扰动在车队中的传播，对于多输入多输出（MIMO）控制系统，常用传递函数法分析弦稳定性。

底层控制器设计

基于本文提出的模型结构，控制模型的最终输出是每辆车的期望加速度。但在实际场景中，车辆对加速度指令的响应往往不完美。由于通信延迟、响应延迟和外部扰动等因素，实际加速度与指令加速度间总存在误差。本文设计了自抗扰控制器（ADRC）来校正控制输入，抑制跟踪误差。

结论

基于多车信息流拓扑（IFT）和可变车头时距（VTH）策略的CAV车队控制受到广泛关注。当前的VTH策略常带有诸多约束，限制了车队在不同运动状态间转换的自由度。本文提出了一种利用最优控制和切换系统理论的CAV车队协同控制方法，使车队能够在任意期望车头时距下实现转换。为了提高控制命令执行的准确性，设计了ADRC控制器。