摘要：半自动自适应巡航控制（SAACC）的概念已经被提出。该系统与目前的自适应巡航控制（ACC）系统相比，在公路安全和交通流容量方面具有显著的优势。半自主系统结合了自主车辆的部署优势和全自动公路系统（AHS）的性能优势，在该系统中，车辆作为一个排合作运行。与排队系统不同，半自动系统 系统将可立即部署在目前的高速公路上。手动驾驶和自适应巡航控制的车辆可以共存。本文的理论结果表明所提议的系统将能够安全地保持较小的时间间隔隙，并将保证有比标准自主ACC系统更小的执行器输入。与标准的自主ACC系统相比，执行器的输入更小。本文的仿真结果表明，更准确和更平滑的跟踪，更小的时间间隔，以及更小的执行器输入。平稳的跟踪，更小的时间间隔，更小的控制努力，以及对车辆动态的更强的鲁棒性。半自主控制实现了对车辆动态的稳健性的提高。

关键词：自适应巡航控制，车辆间通信，车辆控制

1  引言 

      适应性巡航控制（ACC）系统目前正在由几家汽车制造商开发，它将通过增加保持与前车的理想间隔的能力来加强巡航控制。这些ACC系统将是"自主的"。它们将只使用车载传感器，例如用雷达测距和测距率传感器来完成保持所需间距的任务。车辆自动化的一个更长期的方法是通过开发自动公路系统（AHSs）。完全AHSs假定存在专用的高速公路车道，所有的汽车都是全自动的，包括转向、刹车和油门。本文所建议的新的半自主系统将结合最先进的ACC系统的优点和完全自动化的AHS排系统的优点。在今天的高速公路上，手动驾驶汽车和自动驾驶汽车可以共存，因此可立即部署， SAACC系统将恢复AHS的许多性能和交通流优势。

2  自动驾驶系统的性能限制 

       纵向车辆控制系统通常被设计为是分层次的，由一个上层控制器和一个下层控制器组成。一个低级控制器。上层控制器为排中的每辆车确定所需的或 "合成 "的加速度。在本文中，我们将专门处理 上层控制器的设计，并假定存在一个合理的下层控制器，使其对下层控制器的性能具有鲁棒性。上层控制器通常根据每辆汽车自身的速度和它所处的位置来确定所需的加速度。上层控制器的设计的一个重要考虑因素是需要确保 稳定性。一串车辆的稳定性是指一种的属性，间隔误差在向车串尾部传播时保证不会放大，当它们向串的尾部传播时。例如，稳定性确保了第二和第三辆车之间的任何间隔误差不会放大为极大的误差。让连续车辆的间距误差和通过传递函数联系起来。

      在车辆完全自动化的高速公路系统的情况下，目标是保持排内车辆之间的间距。在这种情况下，第一辆车的间距误差定义为

      其中L是一个排中车辆之间的理想恒定间距（通常为2-10米）。另一方面，装有ACC的车辆是为在今天的高速公路上运行而设计的，没有车辆间的通信。他们的操作是自主的。如果在一串自主车辆中，如果没有恒定间隔策略，不可能在一串自主车辆中保持串的稳定性。如果所需的间距随速度变化而变化，则自主控制系统可以设计成字符串稳定。

      如果能使时间间隔变小，用上述自主控制器就能实现高流量吞吐量。然而，字符串稳定条件意味着时间间隔必须保持在临界值以上。由于执行器的滞后，跟踪所需加速度的低级控制器的带宽和雷达的过滤等原因。分析和实验研究表明 通常有一个0.5秒的值。

       典型的商业ACC系统设计有时间间隔这意味着在高速公路上汽车之间有30-60米的间距。除了对交通流的整体不利影响外，如此大的车距也会导致汽车 "插队"，这样ACC汽车的司机可能会质疑 ACC系统的价值。从中可以看出，上述控制器的另一个局限性。是控制力度与时间间隔成反比,因此，时间间隔不能太小。典型的ACC系统也存在着明显的噪声。频率调制的连续波在ACC系统中雷达传感器通常会产生良好的测距结果，但其测距率信号非常嘈杂。

3  SAAC系统操作

      本文所开发的半自主系统结合了自主ACC系统的优势和排队系统的性能和交通流优势。在第四节中，我们展示了如何利用与高速公路上的前车的通信来恢复排队系统大部分的性能、稳健性和交通流的优势。在本节中，我们提出了一个非常简单的通信系统，可用于后续车辆之间的通信。 在随后的车辆之间，不需要任何车辆有地址。

      装有SAACC系统的每辆车都将配备前保险杠上的一个无线电接收器，后保险杠上还有一个无线电发射器。它将能够接收来自其紧接在前的类似装备的的目标车辆的信息。因此，该系统的功能与视线范围内的雷达或红外传感器相同。所有SAACC汽车都可以配备类似的设备，并可以在一个单一的无线电频率上接收和发送。一辆SAACC车辆将以用户定义的速度巡航，直到它识别出其车道上的目标车辆。如果该目标车辆是也是装有SAACC无线电设备的车辆，它将把差距缩小到几米并稳定形式。

4  理论结果

4.1 控制算法的推导

      我们的控制设计的目的是恢复排队系统的性能，同时使用来自高速公路上只有前车的通信。因此，我们假设控制器的结构为

       该控制器的线性反馈结构与的 "排 "控制器和自主控制器具有相同的线性反馈结构。在与前车通信的情况下，控制法中使用了与前车通信的所有可用反馈变量。设计方法是使用恒定的时间间隔，但要设计控制法，以使用来自前车的额外的沟通的信息来克服第二节所述的自主控制器的缺点。

      如果我们在增益之间施加以下关系k1,k2,k3,k4和k5,

       由于作动器的动态是未知的，所以不可能根据（18）来选择。闭环动力学和弦的稳定性将在第四节第二部分中讨论。

4.2  车流稳定性和内部车辆稳定性的证明

       我们研究了在半自主控制算法下运行的无限多车辆的弦稳定性。从定义中，我们得到

      将（27）和（28）代入（14），经过大量的代数简化后，我们得到

      再代入，计算绝对值，结合上式，我们需要

      请注意，如果按照k1，它将是一个负常数。由于k5将是一个正常数，我们有(1-k1k5h)>0 。因此，（34）是唯一需要满足的条件。要求 k1为负数和k5正数的要求已经在第四节中的(21)的闭环稳定性条件中已经很清楚了。   请注意，满足(34)并不要求准确了解常数常数的准确知识，而只是对常数的估计。这一点很重要，因为它代表了较低层次的车辆动力学，并可能随着操作的变化而变化。有了上述控制法，即使在非常小的情况下，甚至在下级控制器存在滞后的情况下，也能保持车辆串的稳定性。

5 仿真研究

      本文的模拟研究表明，半自主控制器为各种操作机动提供了卓越的乘坐和间隔精度。此外，它是通过始终使用较小的执行器控制。

5.1  对初始间距误差的瞬态响应 

      考虑到五辆汽车一起行驶，初始间距误差为1.0米的四辆跟车，SAACC系统对初始间距误差的反应。此外，在初始瞬态之后。领头车执行加速机动，如图所示。这两个系统都假定有0.1秒的间隔时间。

      间隔误差的阶跃变化导致自主的ACC系统有很大的震荡瞬态，在车串的尾部不断增加。另一方面，半自主系统有一个良好的阻尼反应，即汽车很快达到正确的稳定状态。

5.2  在车流不稳定频率下的机动性

      自主和SAACC系统的弦稳定传递函数的Bode幅度。

      我们看到自主系统不具有弦稳定性。并且超过了幅度图中发生在rad/s处的共振峰。假设主导车辆有一个频率为7rad/s的加速度。一串车辆中的第一辆、第三辆和第五辆车的加速度。在自主ACC系统的情况下，加速度不断增加，向车串的尾部发展。第五辆汽车的峰值加速度是第一辆汽车的两倍。半自主系统的情况下，车辆的加速度向排尾部不断减少。领头车的正弦振荡机动导致振荡向尾部传播时振荡不断减少。

5.3  紧急硬刹车

      车辆的急刹车是一种预期的紧急情况在高速公路上，一连串车辆中的领头车以米/秒的速度连续刹车5秒（图中10秒到15秒之间）。跟在领头车后面的四辆车被允许以最大减速率为4.5米/秒（之后制动推杆就会饱和）。为了响应阶梯式的的输入，我们看到以下车辆在自主ACC的情况下有一个振荡反应，谐振峰所预测的那样。此外，琴弦的不稳定性导致共振频率的振荡在向车串尾部传播时被放大。另一方面，在半自动驾驶车辆的情况下，对阶梯输入的响应是过度阻尼的，没有看到振荡。

6 结果

     本文提出了SAACC系统的概念，该系统利用了一个可以 "自主 "实施的车辆间通信系统。这些半自动系统将可立即部署在今天的高速公路上。在今天的高速公路上，手动驾驶和自适应巡航控制车辆可以共存。解释了当今自主ACC系统的局限性，并在高速公路安全和在公路安全和交通流量方面，半自主系统克服了这些限制，并提供了比当今ACC系统更多的优势。    

      本文通过分析表明，拟议的系统将能够安全地保持较小的时间间隔，将是稳定的，与标准的自主ACC系统相比，执行器的输入更小。本文的模拟结果证实了理论结果并指出，一般来说，通过使用较小的控制力度，可以实现更安全和更平稳的瞬态性能。