节能型车辆队列的动力学建模及其周期控制

The platooning of autonomous vehicles has the potential of significantly improving fuel economy. The existing platoons mainly rely on the wild-goose-queue (WGQ) effect to reduce aerodynamic drags of downstream followers. Although this effect can achieve fuel benefit to some extent, it carries severe shortcomings such as excessively strict control demands, increased risk of rear-end collision, and limited applicability to only a few types of vehicles. Departing from the WGQ effect, this proposal aims to develop a new periodicity-based fuel-saving theory and controller synthesis method for economy-oriented platoon management. The theory incorporates layered dynamical relationships among engine, vehicle and platoon and addresses two fundamental issues: modeling of multi-agent systems and synthesis of distributed controllers. The study will accomplish the following objectives: (1) Understand the impact of engine S-shaped nonlinearity on multi-vehicle periodicity, the interconnection between communication topologies and feasibility of decoupling, and intertwined objectives of fuel economy, driving safety and string stability of a platoon; (2) Build mixed models of heterogeneous node dynamics, formulate the unified framework for platoon closed-loop dynamics, and develop the designing criteria and associated bounded-input-bounded-output stability theory for platoon periodic controllers; (3) Propose a novel fuel-saving technology for economy-oriented platoons that is applicable to ICE (internal combustion engine) based ground vehicles in mid-long distance and middle speed following, with fuel benefits over 10%. The proposed study is highly promising to revolutionize today’s platooning techniques for sustainable road transportations.

车辆的队列化行驶具有显著的节能潜力。目前采用的高速近距跟车方案，依赖雁阵效应降低后车风阻，虽具有一定的节油能力，但是存在控制要求苛刻、安全度低、适用车型有限等缺陷。与这一方案不同，本课题拟从发动机、车辆和队列的分层动力学关系出发，提出一种全新的队列周期型节能理论及控制器综合方法。课题围绕多智能体建模和分布式控制器设计两个关键问题开展研究，以期探明发动机S型油耗特性对多车运动周期性的影响，通信拓扑结构与解耦可行性之间的关联性，燃油经济性与行车安全性、队列稳定性的制约关系；在此基础上，建立非匀质节点动力学的混合不确定模型，发展队列闭环系统的统一分析构架，提出周期切换型控制器的设计准则及其有界稳定性理论；最终形成一类适用于内燃机型车辆，符合中长车距和中速工况需求，且节能效果不低于10%的新型队列节能技术。研究结果将为队列节能技术的全新变革奠定基础。

车辆的队列化行驶具有显著的节能潜力。围绕这一主题，项目探索并建立了车辆队列系统的四元素统一分析架构、非匀质节点动力学的混合模型，以及周期型分布式队列控制方法及其有界稳定性理论，为汽车队列系统的设计提供了新的理论支撑与技术手段。.1）针对现有队列研究缺乏统一分析框架的问题，提出了网联多车队列的四元素建模方法，可定量刻画信息流拓扑结构、车辆动力学、控制器参数对队列性能的影响，该建模方案被欧洲地平线Horizon2020项目所采用。.2）针对队列节点动力学的非线性和异质性特点，提出了适用于单向信息流拓扑结构的非线性车辆队列的分布式预测控制方法，所开发的智能汽车运动控制技术通过北京智行者实现产业化，被央视、人民日报等媒体专门报道，产品用于2019年春晚、世界互联网大会、雄安新区、北京植物园、澳门渔人码头等。.3）针对异质车辆队列的节油控制问题，基于相平面分区法提出了节能型异质队列的分布式周期型控制策略及其有界稳定性判据，该节油控制策略与线性二次型控制法相比，燃油经济性提升可达18%。.受本基金项目支持，共发表学术论文30篇（SCI检索论文22篇，第一或通讯作者25篇），IEEE高关注度论文2篇，ESI高引论文2篇，学术会议及研究机构的最佳论文奖2篇，授权发明专利5项（含国际PCT专利2项），参编英文专著3项（Springer 2部，IET 1部），中文译著1部（机械工业出版社）。所获得的科技奖励包括：2018年国家科技进步奖（二等奖），2016年中国汽车工业科学技术奖（一等奖），2017年中国汽车工业科技进步奖（一等奖）。申请者所获得的人才奖励包括：2018年北京市自然科学基金委杰出青年基金项目，2016年教育部青年长江学者，2016年国家自然科学基金委优秀青年项目，2019年交通运输行业中青年科技创新领军人才，2018年中国汽车工业优秀青年科技人才奖，2017年清华大学青年教师学术新人奖。