一种具有预设瞬稳态性能的有限时间车辆编队控制方法技术

本发明专利技术提供一种具有预设瞬稳态性能的有限时间车辆编队控制方法，针对车辆模型内部和外部不确定性构造有限时间扰动观测器，在控制中有效补偿扰动所造成的影响，考虑车载传感器的局限性，预设车辆相对距离和相对方向角的瞬稳态性能，基于扰动观测器、预设性能指标及有限时间控制理论设计与初始误差为零与否无关的纵横向一体化有限时间车辆编队控制器，使得跟踪误差在预设区域内变化并在有限时间内收敛，保证车辆连通性且避免碰撞；本发明专利技术中的控制方法可同时解决对称和非对称性能约束问题，当性能指标无限制时，该控制方法也可推广到无性能约束的车辆协作控制系统。性能约束的车辆协作控制系统。性能约束的车辆协作控制系统。

【技术实现步骤摘要】
一种具有预设瞬稳态性能的有限时间车辆编队控制方法


[0001]本专利技术涉及车辆协同控制
，具体涉及一种具有预设瞬稳态性能的有限时间车辆 编队控制方法。

技术介绍

[0002]车辆协同控制是指车辆通过车载传感器等通信设备，获取周围车辆信息，并与之配合完 成所规定的任务。与车辆单独控制相比，车辆协同控制可增强道路安全、提高公路效用、提 升交通效率、减少燃油消耗，具有重要意义。车辆编队跟踪控制作为车辆协同控制领域的重 要分支，近年来备受关注。Cai等人(文献：Cai X,Queiroz M D.Adaptive rigidity
‑
based formationcontrol for multirobotic vehicles with dynamics[J].IEEE Transactions on Control SystemsTechnology,2014,23(1):389
‑
396.)明确车辆动力学，设计基于刚性图论的纵横向一体化的车 辆编队控制器以实现所需要的车辆编队构型。Sawant等人(文献：Sawant J,Chaskar U,GinoyaD.Robust control of cooperative adaptive cruise control in the absence of information aboutpreceding vehicle acceleration[J].IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2020.) 考虑车辆执行机构动力学和前车加速度中的不确定性，设计扰动观测器以补偿不确定性所造 成的影响。Dai等人(文献：Dai S L,He S,Chen X,et al.Adaptive leader
‑
follower formationcontrol of nonholonomic mobile robots with prescribed transient and steady
‑
state performance[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics,2019,16(6):3662
‑
3671.)考虑车载传感器感知能力 的局限性，引入避障李雅普诺夫函数以控制编队误差在预定义的区域内变化并渐进收敛到零。 Li等人(文献：Li D,Guo G.Prescribed performance concurrent control of connected vehicles withnonlinear third
‑
order dynamics[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2020.)提出一种针 对纵向车队的不受初始跟踪误差符号限制的预设性能控制方法；该方法可保证输出跟踪误差 始终停留在由期望性能函数所限定的区域内。但上述研究内容皆为渐进稳定，即当时间趋于 无穷大时，编队误差收敛到零。然而在实际应用中对系统的控制精度的收敛速度要求较高， 若响应速率过慢，则无法保证有效的控制性能。为提高响应速率，Wang等人(文献：Wang F, Chen B,Lin C,et al.Adaptive neural network finite
‑
time output feedback control of quantizednonlinear systems[J].IEEE Transactions on Cybernetics,2018,48(6):1839
‑
1848.)研究有限时间跟 踪控制问题，并提出一种新的有限时间稳定判据。
[0003]目前，车辆编队跟踪控制的研究多集中于单一的纵向或横向控制，纵横向综合控制的研 究较少。且现有文献多为渐进稳定或最终一致有界，无法控制收敛时间，限制了适应性。Yu 等人(文献：Yu J,Shi P,Zhao L.Finite
‑
time command filtered backstepping control for a class ofnonlinear systems[J].Automatica,2018,92:173
‑
180.)基于有限时间理论研究跟踪控制问题，但 未考虑实际性能约束及模型不确定性和外部扰动的
影响。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提出一种具有预设瞬稳态性能的有限时间车辆编队控制方 法，包括：
[0005]步骤1：建立含模型不确定和外部扰动的车辆模型，所述车辆模型包括车辆运动学模型 和车辆动力学模型；
[0006]步骤2：采用领导与跟随编队策略，并用存在有向生成树的有向图来描述车辆间的通信 关系；将N+1辆车构成的车队分解为N个由领导车跟随车两辆车构成的子系统，其中，车队 中的头车跟随设定好的理想轨迹运动，且其为有向图的有向生成树的根；
[0007]步骤3：在有限感知和通信约束下，对于任意一对领导、跟随车辆，构建车辆协同控制 的控制目标；
[0008]步骤4：设计第i辆车的有限时间扰动观测器；
[0009]步骤5：变换跟踪误差，设计自适应有限时间编队控制律；
[0010]步骤6：令i＝1,2,
…
,N，重复步骤3～步骤5，设计第i辆车的基于有限时间扰动观测器的 编队控制律，进而实现保证预设性能的有限时间多车编队控制。
[0011]所述步骤1包括：
[0012]步骤1.1：构建如下车辆运动学和动力学模型：
[0013][0014][0015]其中，p
ci
＝(x
i y
i θ
i
)
T
，r
i
(t)表示外部扰动，r
i
(t)＝(r
1i
(t) r
2i
(t))
T
，S(θ
i
)表示旋转矩阵，表示第i辆车的常数阻尼矩 阵，
△
D
li
表示车辆模型的不确定性；
[0016]步骤1.2：考虑由一辆头车和N辆跟随车构成的共N+1车的多车编队系统，对于车队中的 第i辆车，i∈{1,...,N}，建立车辆运动学模型为：
[0017][0018]建立车辆动力学模型为：
[0019][0020]其中，
[0021]式中，(x
i y
i
)
T
表示第i辆车所在的坐标，θ
i
表示第i辆车相对于水平方向的偏转角度值， v
i
表示第i辆车的线速度，w
i
表示第i辆车的角速度，η
i
表示第i辆车在θ
i
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有预设瞬稳态性能的有限时间车辆编队控制方法，其特征在于，包括：步骤1：建立含模型不确定和外部扰动的车辆模型，所述车辆模型包括车辆运动学模型和车辆动力学模型；步骤2：采用领导与跟随编队策略，并用存在有向生成树的有向图来描述车辆间的通信关系；将N+1辆车构成的车队分解为N个由领导车跟随车两辆车构成的子系统，其中，车队中的头车跟随设定好的理想轨迹运动且其为有向图的有向生成树的根；步骤3：在有限感知和通信约束下，对于任意一对领导、跟随车辆，构建车辆协同控制的控制目标；步骤4：设计第i辆车的有限时间扰动观测器；步骤5：变换跟踪误差，设计自适应有限时间编队控制律；步骤6：令i＝1,2,
…
,N，重复步骤3～步骤5，设计第i辆车的基于有限时间扰动观测器的编队控制律，进而实现保证预设性能的有限时间多车编队控制。2.根据权利要求1所述的一种具有预设瞬稳态性能的有限时间车辆编队控制方法，其特征在于，所述步骤1包括：步骤1.1：构建如下车辆运动学和动力学模型：车辆运动学和动力学模型：其中，p
ci
＝(x
i y
i θ
i
)
T
，r
i
(t)表示外部扰动，r
i
(t)＝(r
1i
(t) r
2i
(t))
T
，S(θ
i
)表示旋转矩阵，
△
D
li
表示车辆模型的不确定性；步骤1.2：考虑由一辆头车和N辆跟随车构成的共N+1车的多车编队系统，对于车队中的第i辆车，i∈{1,...,N}，建立车辆运动学模型为：建立车辆动力学模型为：其中，式中，(x
i y
i
)
T
表示第i辆车所在的坐标，θ
i
表示第i辆车相对于水平方向的偏转角度值，v
i
表示第i辆车的线速度，w
i
表示第i辆车的角速度，η
i
表示第i辆车在θ
i
方向的线速度和角
速度的集合，表示第i辆车的质量矩阵，表示的逆矩阵，D
0i
＝diag(D
01i
,D
02i
)，D
0i
表示第i辆车的常数阻尼矩阵中的标称矩阵，τ
i
＝(τ
1i τ
2i
)
T
，τ
i
表示第i辆车的驱动系统提供的输入量集合，τ
1i
、τ
2i
表示第i辆车的油门或刹车输入量，m
i
表示第i辆车的质量，I
i
表示第i辆车的绕垂直轴转动惯量，
△
D
i
＝diag(
△
D
1i
,
△
D
2i
)表示第i辆车的模型不确定性，r
1i
(t)、r
2i
(t)表示第i辆车在线速度、角速度变化方向上所受到的外部扰动，f
i
(t)表示第i辆车的由模型不确定和外部扰动相结合构成的复合扰动，f
1i
、f
2i
分别表示第i辆车在其线速度、角速度变化方向上所受到的复合扰动，且由车辆运行速度、携带能源及外界扰动能量的有限性可知f
1i
、f
2i
均为有界的时变函数，f
1,max
表示车辆线速度变化方向上的复合扰动的一阶导的上界，f
2,max
表示车辆角速度变化方向上的复合扰动的一阶导的上界，f
1,max
、f
2,max
均为正的常数。3.根据权利要求1所述的一种具有预设瞬稳态性能的有限时间车辆编队控制方法，其特征在于，所述步骤3包括：步骤3.1：定义任意一对领导、跟随车，其中第j辆车为领导车，第i辆车为跟随车，i∈{1,...,N},j∈{0,1,...,N},i≠j，领导车和跟随车之间的相对距离d
i
(t)和相对方向角为：为：其中，式中，(x
i y
i
)
T
表示第i辆车所在的坐标，(x
j y
j
)
T
表示第j辆车所在的坐标；步骤3.2：为避免邻近两辆车发生碰撞，设置约束条件：根据第i辆车的感知能力，定义第i辆车所在子系统中两辆车的相对距离满足：定义第i辆车所在子系统中两辆车的相对方向角满足：步骤3.3：定义子系统中两辆车间的跟踪误差：e
di
(t)＝d
i
(t)
‑
d
des,i
其中，车队中的车辆初始状态满足：d
col,i
‑
d
des,i
<e
di
(t0)<d
con,i
‑
d
des,i
，为了保障连通性且避免碰撞，设置跟踪误差的约束条件为：d
col,i
‑
d
des,i
<e
di
(t)<d
con,i
‑
d
des,i
步骤3.4：为保证跟踪误差的瞬态和稳态性能，设定边界函数为指数衰减函数，表示为：e
m,di
(t)＝(e

【专利技术属性】
技术研发人员：郭戈，张茜，高振宇，
申请(专利权)人：东北大学秦皇岛分校，
类型：发明
国别省市：