一种有限时间收敛车辆编队控制器及设计方法

摘要

本发明公开了一种有限时间收敛车辆编队控制器及设计方法，通过给出领队车辆当前位姿和跟随车辆所要追踪的虚拟目标车辆的参考位姿为，经过控制问题转化模块得到误差系统得到误差位姿，将转化得到的误差系统结合反步递推技术得到带有分数幂参数的中间控制律和，转化后的误差系统再通过结合中间控制律得到带有分数幂的有限时间实际控制律，最后将实际控制律返回给转化后的误差系统，从而使得误差系统在有限时间内稳定，使得跟随车辆与领航车辆同步运动，实现对车辆编队系统的有效控制。

说明书

技术领域

本发明涉及车辆编队控制技术领域，尤其涉及一种有限时间收敛车辆编队控制器及设计方法。

背景技术

车辆编队控制可以通过提高车辆队列的柔韧性与灵活性，从而提高车辆在道路上所行驶的效率。同时车辆编队还可以通过提高道路上车辆的密度以增加道路上的容量，从而在一定程度上提高交通的安全性以及道路的通畅性。除此之外，从能耗角度出发，经过编队的车辆能够减少行驶过程中遇到的空气的阻力，使得车辆的耗油量得到有效的降低。

目前，对于车辆编队控制的研究有以下几种常见方法：跟随领航者法、基于行为法、虚拟结构法和人工势场法等。基于行为的编队方法实现简单,适用于不确定环境,但编队精度差且很难进行精确的数学分析；虚拟结构法和领航跟随法都分别需要虚拟结构和领航机器人全状态信息；人工势场法是将复杂环境信息转化为斥力场和引力场模型，并通过此模型从而找出一条从初始点到目标点的路径的方法。跟随领航者法存在以下问题：

一是在现有的车辆编队控制方法中，基本没有考虑系统的收敛速度问题。而从实际角度来看，人们希望尽快能够达到控制目标，但由于技术等原因的限制，以往车辆编队控制方案在预期的时间内实现期望的编队效果是不可实现的。

二是现有的编队控制方法虽然可以实现对车辆的控制，但是在面对复杂道路状况，如限制行驶时间等情况时，无法保证车辆系统在较大速度范围行驶下的安全可靠性。

发明内容

本发明提供一种有限时间收敛车辆编队控制器及设计方法，以克服上述技术问题。

本发明一种有限时间收敛车辆编队控制器的设计方法，包括：

建立编队车辆运动模型；通过所述编队车辆运动模型得到车辆位姿信息；所述车辆位姿信息，包括：领航车辆、跟随车辆及虚拟目标车辆位姿信息；

根据所述虚拟目标车辆与所述领航车辆的位姿信息得到所述虚拟目标车辆位姿；计算所述虚拟目标车辆位姿与领航车辆位姿的误差，并结合所述跟随车辆的坐标系得到转化后的误差系统；

根据所述虚拟目标车辆位姿设计虚拟误差面；通过所述误差系统和虚拟误差面来计算中间控制变量；

根据虚拟目标车辆位姿和所述中间控制量得到有限时间收敛的控制律；

将所述控制律代入所述误差系统中，使得所述误差系统在有限时间内稳定，从而使得所述跟随车辆与所述领航车辆同步运动。

进一步地，建立编队车辆运动模型，包括：

所述编队任一车辆的运动模型表示为：

将任一车辆的重心设定为x,y，所述车辆的后轮重心x

X＝b

式中，X＝[x

通过对式(2)计算，得到车辆约束关系：

式中，车辆的位姿由向量

进一步地，所述根据所述虚拟目标车辆与所述领航车辆的位姿信息得到所述虚拟目标车辆位姿；计算所述虚拟目标车辆位姿与领航车辆位姿的误差，并结合所述跟随车辆的坐标系得到转化后的误差系统，包括：

建立车辆编队位姿误差方程为：

式中，所述领队车辆当前位姿为

所述转化后的误差系统描述为：

式中，u

进一步地，所述根据所述虚拟目标车辆位姿设计虚拟误差面，包括：

根据所述车辆后轮在坐标系中的位姿误差坐标x

其中，α为引入的中间控制变量；

所述通过所述误差系统和虚拟误差面来计算中间控制变量，包括：

通过二次李雅普诺夫方程对所述虚拟误差面求导，中间控制变量α的形式为：

式中，k

通过所述误差系统和所述虚拟误差面来获取虚拟误差面的导数，表示为：

式中，

令

其中，k

进一步地，所述根据虚拟目标车辆位姿和所述中间控制量得到有限时间收敛的控制律，包括：

根据式(5)、式(7)及式(9)，得到所述误差系统在有限时间收敛的控制律u

式中，k

一种有限时间收敛车辆编队控制器，包括：控制问题转化模块、虚拟控制输入求解模块及实际控制输入求解模块；

所述控制问题转化模块，用于根据虚拟目标车辆与领航车辆的位姿信息得到虚拟目标车辆位姿；计算所述虚拟目标车辆位姿与领航车辆位姿的误差，并结合所述跟随车辆的坐标系得到转化后的误差系统；

所述虚拟控制输入求解模块，用于根据所述虚拟目标车辆位姿设计虚拟误差面；通过所述误差系统和虚拟误差面来计算中间控制变量；

所述实际控制输入求解模块，用于根据虚拟目标车辆位姿和所述中间控制量得到有限时间收敛的控制律；将所述控制律代入所述误差系统中，使得所述误差系统在有限时间内稳定，从而使得所述跟随车辆与所述领航车辆同步运动。

本发明首先通过通过将编队控制问题转为跟随车辆对领队车辆的轨迹跟踪的问题结合有限时间控制，即可实现一种动态的复杂道路状况车辆编队控制方法，有效提高了车辆编队控制的可靠性和抗干扰性。同时，在考虑收敛速度的情况下，通过对控制律引入基于分数幂参数的控制输入，仍能对系统进行控制，具有更好的鲁棒性和更快的收敛性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种有限时间收敛车辆编队控制器的设计方法的流程图；

图2为一种有限时间收敛车辆编队控制器的结构示意图；

图3为本发明的仿真实验中车辆后轮前进速度控制效果图；

图4为本发明的仿真实验中车辆前轮的转向角速度控制效果图；

图5为本发明的仿真实验中车辆前轮对车体的转向角控制效果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例提供了一种有限时间收敛车辆编队控制器的设计方法，包括：

101、建立编队车辆运动模型；通过编队车辆运动模型得到车辆位姿信息；车辆位姿信息，包括：领航车辆、跟随车辆及虚拟目标车辆位姿信息；

具体而言，编队任一车辆的运动模型表示为：

将任一车辆的重心设定为x,y，所述车辆的后轮重心x

X＝b

式中，X＝[x

通过对式(2)计算，得到车辆约束关系：

式中，车辆的位姿由向量

102、根据虚拟目标车辆与领航车辆的位姿信息得到虚拟目标车辆位姿；计算虚拟目标车辆位姿与领航车辆位姿的误差，并结合跟随车辆的坐标系得到转化后的误差系统；

具体而言，建立车辆编队位姿误差方程为：

式中，领队车辆当前位姿为

对于一个领航跟随编队系统，编队的主轨迹通常由领航车辆人决定，跟随车辆的参考轨迹由领航车辆和结构参数生成的虚拟车辆轨迹决定。

转化后的误差系统描述为：

式中，u

该步骤主要是通过领航车辆的位姿首先确定虚拟目标车辆与其希望的距离和角度，从而确得到虚拟目标车辆的参考位姿

103、根据虚拟目标车辆位姿设计虚拟误差面；通过误差系统和虚拟误差面来计算中间控制变量；

具体而言，根据车辆后轮在坐标系中的位姿误差坐标x

其中，α为引入的中间控制变量；

通过二次李雅普诺夫方程对虚拟误差面求导，中间控制变量α的形式为：

式中，k

通过误差系统和虚拟误差面来获取虚拟误差面的导数，表示为：

式中，

令

其中，k

104、根据虚拟目标车辆位姿和中间控制量得到有限时间收敛的控制律；

具体而言，根据式(5)、式(7)及式(9)，得到误差系统在有限时间收敛的控制律u

式中，k

105、将控制律代入误差系统中，使得误差系统在有限时间内稳定，从而使得跟随车辆与领航车辆同步运动。

具体而言，将控制律代入误差系统中，使得误差系统在有限时间内稳定，在有限时间内稳定了就说明转换的误差系统稳定了，误差系统稳定了就表明车辆跟随上领航车了，跟随上后就能保持车辆编队的队形。

如图2所示，本实施例提供一种有限时间收敛车辆编队控制器，包括：控制问题转化模块、虚拟控制输入求解模块及实际控制输入求解模块；

控制问题转化模块，用于根据虚拟目标车辆与领航车辆的位姿信息得到虚拟目标车辆位姿；计算虚拟目标车辆位姿与领航车辆位姿的误差，并结合跟随车辆的坐标系得到转化后的误差系统；控制问题转化模块的输入端与车辆位姿信息(领队车辆、跟随车辆及虚拟目标车辆位姿信息)和实际控制求解模块的输出端相连。

虚拟控制输入求解模块，用于根据虚拟目标车辆位姿设计虚拟误差面；通过误差系统和虚拟误差面来计算中间控制变量；虚拟控制输入求解模块的输入端与控制问题转换模块的输出端和车辆运动模型计算输出的虚拟目标车辆位姿相连。

实际控制输入求解模块，用于根据虚拟目标车辆位姿和中间控制量得到有限时间收敛的控制律；将控制律代入误差系统中，使得误差系统在有限时间内稳定，从而使得跟随车辆与领航车辆同步运动。实际控制输入求解模块的输入端与虚拟控制输入求解模块的输出端和车辆运动模型计算输出的虚拟目标车辆位姿相连。

在仿真实验中，通过图3、图4、图5，可见跟随车辆可以在有限时间内追踪上领航车辆。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。