[發明專利]一種欠驅動無人車的編隊控制方法及系統

有效

• 申請號: 201710445450.5
• 申請日: 2017-06-13
• 公開（公告）號: CN107168369B
• 公開（公告）日: 2019-07-09
• 發明（設計）人: 王銳
• 申請（專利權）人: 中國科學院聲學研究所
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京方安思達知識產權代理有限公司 11472
• 代理人: 陳琳琳;楊青

本發明公開了一種欠驅動無人車的編隊控制方法，所述方法包括：步驟1)利用無向圖建立編隊中各無人車之間的加權鄰接矩陣，所述編隊的無人車的個數為n；步驟2)根據無人車編隊的隊形要求計算每兩個無人車的理想相對位置、實際相對位置和相對距離誤差；步驟3)根據步驟1)和步驟2)設計第j個無人車的中間控制律u_j，j＝1…n；步驟4)根據中間控制率u_j計算每個無人車的理想角度θ_jd和理想速度α_jd；步驟5)設計控制力矩τ_j，使第j個無人車的偏航角θ_j跟蹤理想角度θ_jd；步驟6)設計控制力F_j，使第j個無人車的速度v_j跟蹤理想速度α_jd。本發明的方法實現了多輛欠驅動無人車的編隊控制，利用終端滑模技術使得無人車的姿態有限時間收斂，保證了跟蹤的快速性。

技術領域

本發明涉及欠驅動無人車控制領域，具體地，涉及一種欠驅動無人車的編隊控制方法及系統。

背景技術

多機器人的編隊控制，即多個機器人以按照指定的隊形以一個同樣的速度向一個共同的目標運動。在道路交通領域，多輛車的編隊行駛也得到了廣泛的研究。相比于單個車輛獨自執行任務，多輛車的編隊行駛具有更強大的功能。首先，多輛車編隊行駛，可以攜帶更多的設備，尤其是在檢測任務中，能夠提供更全面的監控對象的實時信息；此外，車輛的編隊行駛提高了道路單位時間的車輛通行數量，可以使得車輛更高速的行駛，一定程度上可以緩解交通壓力；最后，由于多個車輛的協同編隊行駛，可以減小以及避免變道、剎車等行為，減少了燃料的消耗，可以緩解能源的問題，而且也能夠減小交通事故的發生。

但是，目前的欠驅動無人車的編隊控制方法存在下述的兩個問題：

首先，現有的欠驅動無人車編隊控制僅僅能夠單獨證明位置子系統以及姿態子系統的穩定性，由于兩個子系統之間具有強耦合、非線性，導致了閉環系統的整體穩定性無法得到證明；常規的方法中，通過調整控制增益系數，來保證姿態子系統的收斂速度遠大于位置子系統的收斂速度，閉環系統穩定性是在忽略姿態角度誤差前提下實現的。然而，由于實際角度與理想角度的差異會造成位置控制律無法精確實現，從而造成閉環系統的不穩定。

此外，在常規的滑模控制技術中，所設計的控制器可以使得系統漸進穩定，然而此時系統的收斂時間是無窮的，而實際的工程應用中，通常要求在某個特定時間之內系統要收斂，而目前的控制器大多不能滿足該要求。

發明內容

本發明的目的在于，克服目前欠驅動無人車的編隊控制方法存在的上述缺陷，提出了一種欠驅動無人車的編隊控制方法；首先利用圖論知識對無人車之間的信息交互進行描述，進而設計一個有界平滑的中間控制變量，使小車能夠追蹤給定的速度信息以及形成指定的行駛隊形，同時可以提取出理想的位置跟蹤信號以及姿態信息；利用終端滑模控制技術，設計滑模面時引入了一個非線性函數，確保無人車的姿態在有限時間內可以收斂，保證了姿態跟蹤的快速性。最后，利用lyapunov理論分析閉環系統的整體穩定性，并進行仿真驗證。

為了實現上述目的，本發明提出了一種欠驅動無人車的編隊控制方法，所述方法包括：

步驟1)利用無向圖建立編隊中各無人車之間的加權鄰接矩陣，所述編隊的無人車的個數為n；

步驟2)根據無人車編隊的隊形要求計算每兩個無人車的理想相對位置、實際相對位置和相對距離誤差；

步驟3)根據步驟1)和步驟2)設計第j個無人車的中間控制律u_j，j＝1…n；

步驟4)根據中間控制率u_j計算每個無人車的理想角度θ_jd和理想速度α_jd；