智能车辆队列横纵向有限时间滑模控制

针对智能车辆队列横纵向控制及误差快速收敛问题,本文提出一种分布式横纵向有限时间滑模控制策略.首先,考虑跟踪误差的连锁反应及横纵向耦合效应,利用投影变换建立车辆队列横纵向误差模型,提出一种车辆队列横纵向控制框架.而后,针对误差快速收敛问题,设计非奇异积分终端滑模面(NITSM)与自适应幂次积分趋近律(APIRL),通过构造Lyapunov函数分析系统的有限时间稳定性与队列稳定性.最后,基于Trucksim/Simulink联合仿真以及实车实验进一步验证了本文方法的有效性.结果表明,本文所提方法能保证队列稳定性,并实现误差快速收敛,规避跟踪误差的连锁反应及车辆横向运动对纵向车间距误差的影响.     

通信延时环境下异质网联车辆队列非线性纵向控制

针对通信延时环境下的异质车辆队列控制问题, 本文提出了一种基于三阶模型的分布式非线性车辆队列纵向控制器. 首先, 基于三阶动力学模型描述了车辆的异质特性. 考虑车辆跟驰行为以及异质通信延时, 提出一种通信延时环境下的异质车辆队列非线性控制器. 所提控制器不仅可以在通信延时以及车辆异质特性的影响下实现队列中车辆的位置、速度以及加速度的一致性, 而且可以有效避免负的车辆间距和不合理的加/减速度, 保证车辆的运动行为符合交通流理论. 然后, 利用Lyapunov-Krasovskii定理对车辆队列的稳定性进行分析, 得出车辆队列的稳定性条件和通信延时上界. 最后, 所提控制器的有效性和稳定性通过数值仿真得到验证.     

空气流动阻力下非线性车辆队列最优能耗控制方法

为了优化车辆队列在长距离行驶过程中的能源消耗,对空气流动阻力下车辆队列能耗优化间距策略以及相应的队列控制方法进行了研究;首先根据车辆队列在行驶过程中受到的空气流动阻力,建立基于异构风阻系数的车辆动力学模型;其次,设计基于滑模控制的非线性车辆队列控制方法,使其能够在不同风阻系数下稳定地收敛到期望的车辆队列;在此基础上,构建稳态下车辆队列能量消耗评价模型,并通过优化分析,计算能量消耗最优下的车辆队列期望车间距;最后通过数值仿真的手段验证所提控制方法的有效性与可行性;该结果表明:所设计的控制器能够使整个车辆队列达到期望的控制效果;得到的最优车间距能够使得特定条件下车辆队列稳态能量消耗降低。     

传感器测量误差下的非线性车辆队列控制

传感器测量误差对车辆队列的有效控制与稳定性造成了较大的影响;通常情况下,大多研究成果将传感器测量误差设定为分布规律已知的随机数列(如高斯分布,泊松分布等),以便采用特定的数理方法消除误差影响;然而对于控制系统中仅满足有界条件的测量误差,仍需开展进一步的深入研究;针对此类现状,以非线性车辆队列控制为研究对象,综合考虑车载传感器的有界测量误差与车辆之间的有向通信拓扑,设计一种基于滑模的车辆队列控制方法;该方法能有效解决有界传感器测量误差下的车辆队列控制问题;此外,在控制过程中利用预设性能控制(PPC,prescribed performance control)理论,进一步约束车辆队列跟踪误差,确保车辆队列的队列稳定性;最后,通过数值仿真的方式验证本文所提出控制算法的有效性和可行性。     

联合通信资源分配的网联车协同自适应巡航 时滞反馈控制

考虑网联车辆队列在路段通信资源受限下的协同自适应巡航控制(CACC)问题,提出一种联合通信资源分配的网联车辆协同自适应巡航时滞反馈控制方法.首先,在头车-前车跟随的通信拓扑结构下,通过网联车辆队列中各车辆间的通信链路数量、该路段可使用的通信资源和当前时刻车辆间的间距误差建立二分图,根据车辆间的间距误差来调度有限的通信资源,将通信资源合理分配给有较大间距误差的跟随车辆;其次,利用非对称PD控制协议和网联车辆队列时滞纵向模型,应用线性矩阵不等式技术计算网联车CACC控制器,进一步得到车辆队列弦稳定性的充分条件;最后,通过Matlab/CarSim联合仿真验证该方法的有效性.     

基于模型预测的自动导引车区间轨迹跟踪控制

针对自动导引车(AGV)轨迹跟踪问题,在确定其可行驶区域的基础上,考虑自动导引车的大小和形状,本文设计了一种基于模型预测控制理论的轨迹跟踪控制方法.首先,将车辆运动学模型进行线性化处理,得到车辆动力学线性模型;其次,运用模型预测控制方法,利用预测路径与期望路径之间的误差,通过优化得到使性能指标最优的控制序列;最后,在MATLAB软件上对轨迹跟踪控制器进行仿真.实验结果表明,AGV可以稳定地跟踪参考轨迹,且距离偏差和角度偏差都在给定的可行范围内,证明了提出的基于模型预测控制的轨迹跟踪算法具有良好的跟踪性能.     

基于模型预测控制的电动车辆队列控制研究

针对车辆队列建模时参数不确定导致控制存在误差的问题,以及队列中跟随车辆稳定性问题,分析车辆纵向动力学,设计一个鲁棒MPC控制器和滑移率控制器来提高队列车辆的控制精度和稳定性.首先对纵向MPC控制器进行改进,提高车辆队列控制精度；同时为防止跟随车辆的轮胎打滑,设计一个MPC滑移率控制器对跟随车辆的轮胎滑移率进行控制约束,保证了跟随车辆的纵向稳定性.最后,进行仿真实验验证其有效性.仿真实验结果表明,与传统的LQR、MPC控制器相比,改进的鲁棒MPC纵向控制器控制精度更高,同时MPC滑移率控制器可防止跟随车辆的轮胎打滑,保证了跟随车辆的纵向稳定性.     

基于自适应MPC算法的轨迹跟踪控制研究

为了保证智能车辆在低附着且变速条件下跟踪控制的精确性和稳定性,提出一种基于自适应模型预测控制（MPC）的轨迹跟踪控制算法。针对低附着条件下轨迹跟踪存在行驶稳定性较差的问题,对车辆动力学模型添加侧偏角软约束,分别设计有无添加侧偏角约束的MPC控制器。仿真结果表明,添加侧偏角约束后MPC控制器性能更优,车辆行驶稳定性得到有效提高。在此基础上,又提出了一种自适应的轨迹跟踪控制策略,能够根据车辆速度的变化,实时产生预测时域[(Hp)],分别设计自适应的MPC控制器与4组定值[Hp]的MPC控制器。仿真结果表明,基于自适应模型预测控制的轨迹跟踪控制算法在提高低附着且变速条件下智能车辆轨迹跟踪控制的精度和稳定性方面具有一定的有效性和先进性。     

基于扩张状态观测器的车辆横摆稳定模型预测控制器设计

针对车辆横摆稳定性控制问题,本文提出一种基于扩张状态观测器的线性模型预测控制器设计方法.首先,将非线性车辆模型线性化,建立带有模型误差干扰项的线性模型,其中线性化导致的模型误差采用扩张状态观测器估计得到,并证明了观测器的稳定性.然后基于此模型设计线性预测控制器,近似实现了非线性预测控制器的控制效果,同时降低了计算量.最后,通过不同路况下的仿真实验结果,验证了所提方法的计算性能和控制效果.     

通信延时环境下基于观测器的智能网联车辆队列分层协同纵向控制

考虑通信延时影响的车辆队列控制问题,提出一种基于观测器的分布式车辆队列纵向控制器.首先,基于分层控制策略分别设计上下层控制器,通过上层控制器优化期望加速度、下层控制器克服车辆模型非线性实现期望加速度和实际加速度的一致.上层控制器设计过程中,基于三阶线性化车辆模型,考虑观测器、车辆动态耦合特性和通信延时,提出一种通信延时环境下基于观测器的车辆队列控制器,利用观测器估计领导车辆加速度信息从而减轻通信负担.然后,利用Lyapunov-Krasovskii方法分析车辆队列的稳定性,并得出通信延时上界,同时利用传递函数方法分析了串稳定性.最后,通过数值仿真验证上层控制器的有效性和稳定性.在此基础上,利用PreScan软件中高保真车辆动态模型,验证了该分层控制策略的有效性.     

Cooperative control and communication of connected vehicles considering packet dropping rate

This paper investigates cooperative control and communication scheduling of a platoon of connected vehicles. Considering the effect of packet dropout and the network access limitation, the vehicular platoon is modelled as a discrete-time switching system. We obtain a set of sufficient conditions (where the rate of different platoon control modes is factored in) for string stability and schedulability of the vehicular platoon. A unified framework of network access scheduling and platoon control is proposed, which can guarantee string stability of the platoon of vehicles and resolve network access conflicts among them. Both numerical simulations and experimental studies with laboratory-scale cars have demonstrated the effectiveness of the presented co-design algorithm.     

自主车辆队列控制系统的稳定性分析

针对含通信时延的车辆队列系统,开展内部稳定性和队列稳定性分析研究;首先,利用矩阵相似变换,将高维车辆队列闭环控制系统降维拆分为若干等价的低维子系统,极大地降低了内部稳定性分析的解析难度和运算量;在此基础上,利用直接法求解了车辆队列子系统特征方程的临界虚根,从而推导了准确的时延边界,获得了车辆队列系统内部稳定的充要条件;然后,为了保证干扰沿车辆队列向后传播时不扩散,通过频域分析车辆间误差传递函数,给出了系统的队列稳定性条件,以及时延和控制器参数的指导原则;最后,通过仿真验证了所提稳定性分析方法的有效性。     

车队速度滚动时域动态规划及非线性控制

考虑自主车辆队列的节能安全问题，本文提出一种车辆队列协同控制方法，该方法可保证车队低能耗安全行驶.首先，充分考虑道路坡度以及车队异质性建立车队非线性模型，利用基于油耗模型的优化指标构建车队速度优化问题，提出一种滚动时域动态规划算法（Receding horizon dynamic programming，RHDP），获得车队的参考速度.然后，基于非线性车辆模型，运用反步法设计车辆跟踪控制器，并进行车队队列稳定性分析.这种协同控制方法的有效性已通过数值仿真和智能交通实验平台的验证.     

级联触发策略下非结构化道路的自主卡车队列控制

本文针对非结构化道路上自主卡车队列系统的控制问题进行研究, 设计一种基于级联触发的控制器,有效提高复杂工况下的卡车队列系统性能. 首先, 建立不依赖于道路结构的纵–横耦合卡车队列系统模型, 该模型涉及复杂环境下车辆存在故障(包括执行器、传感器的失效故障以及随机网络故障)影响. 其次, 为降低燃油消耗, 设计了基于自触发和事件触发的级联触发控制器, 并利用李雅普诺夫方法证明了系统的闭环稳定性. 此外, 通过对系统Zeno行为的分析量化, 得到了触发时间间隔的下界值, 保证了算法的实际应用性. 本文为了实现卡车系统队列稳定性控制目标, 进一步给出了控制器设计限制条件. 最后, 仿真结果表明, 所提出的控制方法不但能保证单车渐近稳定以及队列稳定, 还能有效减少执行器更新频率, 提高燃油经济性.     

Adaptive fixed-time prescribed performance control of vehicular platoons with unknown dead-zone and actuator saturation

This article focuses on the problem of fixed-time prescribed performance platoon control for heterogeneous vehicles with unknown dead-zone and actuator saturation. First, an equivalent transformation is developed to approximate the actuator nonlinearity (i.e., dead-zone and saturation), which reduces the complexity of controller design. Then, to guarantee the tracking errors converge to the predetermined region in the given time, a modified prescribed performance function is presented. Based on this, a novel adaptive sliding mode control scheme is developed in the context of fixed-time theory, which is proved to be capable of ensuring individual vehicle stability and string stability in fixed time. In addition, under the proposed control scheme, the convergence time is independent of initial conditions of the system. Finally, numerical simulations are carried out to demonstrate the effectiveness of the proposed control scheme.     

Fuel efficiency‐oriented platooning control of connected nonlinear vehicles: A distributed economic MPC approach

This paper considers the fuel efficiency‐oriented platooning control problem of connected vehicles. We present a novel distributed economic model predictive control (EMPC) approach to solve the problem of the vehicle platoon subject to nonlinear dynamics and safety constraints. In order to improve fuel economy of the whole vehicle platoon, the fuel consumption criterion is used to design the distributed EMPC strategy for the platoon. Meanwhile, the car‐tracking performance is exploited to guarantee stability and string stability of the platoon. Then the fuel efficiency control problem of the platoon is formulated as a distributed dual‐layer economic optimal control problem, which is solved in a fashion of receding horizon. It is proved that the proposed strategy guarantees asymptotic stability and predecessor‐follower string stability as well as fuel economy of the whole platoon by minimizing the fuel consumption cost. Finally, the effectiveness of the proposed strategy is highlighted by comparing its performance with that of the traditional distributed MPC strategy in numerical simulations.     

荷载不确定移动机器人视觉伺服系统鲁棒预测控制

考虑具有可见性约束和执行器约束的载荷不确定移动机器人视觉伺服系统,提出一种鲁棒视觉伺服预测控制策略.首先将该移动机器人视觉伺服系统建模为关于视觉伺服误差和驱动的不确定系统.其次,对约束的视觉伺服误差子系统,设计基于半正定规划的速度规划预测控制算法.该算法分为离线计算和在线调度两个部分,降低预测控制算法的在线计算量.而对约束的视觉伺服驱动子系统,采用极小极大鲁棒预测控制算法,实现对视觉伺服误差子系统的规划速度的渐近跟踪.进一步,建立了载荷不确定移动机器人视觉伺服误差和驱动系统的鲁棒渐近稳定性结果.最后,对比仿真结果验证了本文策略的有效性和优越性.     

Predefined-time control for Euler–Lagrange systems with model uncertainties and actuator faults

A novel adaptive predefined-time tracking control algorithm is proposed for the Euler–Lagrange systems (ELSs) with model uncertainties and actuator faults. Compared with traditional finite-time and fixed-time studies, the system output tracking error under the proposed predefined-time controller converges to a small neighborhood of zero in finite time, whose upper bound is exactly a design parameter in the control algorithm. For the uncertain model, radial-based function neural network (RBFNN) is utilized to approximate the continuous uncertain dynamics. To deal with the actuator faults, an adaptive control law is involved in the fault-tolerant controller. In order to achieve the predefined-time bounded, a novel predefined-time sliding mode surface is designed. It is proved that the tracking error vector trajectory of closed-loop system is semi-globally uniformly ultimately predefined-time bounded, and the upper bounds of both the system settling time and the corresponding output tracking error can be adjusted with a simple parameter. Simulation examples finally demonstrate the effectiveness of the proposed control algorithm.