基于层级约束的多无人车编队包含控制

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.08.004

摘要/Abstract

摘要：

针对多无人系统的编队包含控制问题，本文提出一种自适应鲁棒控制方法。针对系统中的领航者层和跟随者层分别设计对应的编队、包含以及避撞行为约束，并由Udwadia-Kalaba方程求得满足约束所需的理想驱动力。通过渐亏型自适应律估计系统的不确定参数，从而补偿不确定性影响。然后，采用李雅普诺夫函数方法验证了所设计控制的稳定性。最后，数值仿真结果显示：含时变不确定性的受控系统在完成编队包含行为的同时无任何碰撞发生。

关键词: 约束, 编队包含控制, 自适应鲁棒控制, 不确定性

Abstract:

An adaptive robust control method is proposed for the formation containment control of multiple unmanned ground vehicle system. The behavior constraints including formation， containment and collision avoidance are designed for the leader layer and the follower layer of the system， and the ideal driving force required to meet the constraints is obtained by the Udwadia-Kalaba equation. An adaptive robust control method based on fading adaptive law is proposed to estimate the uncertain parameters of the system so as to compensate for the influence of uncertainty. The Lyapunov function method is used to verify the stability of the designed control. Finally， the numerical simulation results show that the controlled system with time-varying uncertainty completes the formation containment task without any collision.

Key words: constraints, formation containment control, adaptive robust control, uncertainty

吴其林,林育明,崔峥嵘,赵晓敏. 基于层级约束的多无人车编队包含控制[J]. 汽车工程, 2023, 45(8): 1333-1342.

Qilin Wu,Yuming Lin,Zhengrong Cui,Xiaomin Zhao. Formation Containment Control for Multiple Unmanned Ground Vehicles Based on Hierarchical Constraints[J]. Automotive Engineering, 2023, 45(8): 1333-1342.

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参考文献 26

1	KADA B， KHALID M， SHAIKH M S. Distributed cooperative control of autonomous multi-agent UAV systems using smooth control［J］. Journal of Systems Engineering and Electronics， 2020， 31（6）： 1297-1307.
2	韩光松. 多智能体系统的多一致性与多跟踪性研究［D］. 武汉：华中科技大学， 2015.
	HAN G. On multi-consensus and multi-tracking of mulit-agent systems［D］. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology， 2015.
3	韩小楠. 具有干扰的多智能体系统一致性和输出跟踪控制［D］. 西安：西安电子科技大学， 2021.
	HAN X. Consensus and output tracking control of multi-agent systems with disturbance［D］. Xi’an： Xidian University， 2021.
4	WANG D， WANG W. Necessary and sufficient conditions for containment control of multi-agent systems with time delay［J］. Automatica， 2019， 103： 418-423.
5	赖云晖，李瑞，史莹晶，等. 基于图论法的四旋翼三角形结构编队控制［J］. 控制理论与应用， 2018， 35（10）： 1530-1537.
	LAI Y， LI R， SHI Y， et al. On the study of a multi-quadrotor formation control with triangular structure based on Graph theory［J］. Control Theory & Applications， 2018， 35（10）： 1530-1537.
6	FERRARI-TRECATE G， EGERSTEDT M， BUFFA A. Laplacian sheep： a hybrid， stop-go policy for leader-based containment control［J］. International Workshop on Hybrid Systems： Computation & Control， 2006.
7	OUYANG Y， XUE L， DONG L， et al. Neural network-based finite-time distributed formation-containment control of two-layer quadrotor UAVs［J］. IEEE Transactions on Systems， Man， and Cybernetics： Systems， 2022， 52（8）： 4836-4848.
8	WANG Y， SONG Y， REN W. Distributed adaptive finite-time approach for formation-containment control of networked nonlinear systems under directed topology［J］. IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems， 2018， 29（7）： 3164-3175.
9	ZHOU P， CHEN B M. Formation-containment control of euler–lagrange systems of leaders with bounded unknown inputs［J］. IEEE Transactions on Cybernetics， 2022， 52（7）： 6342-6353.
10	HAN T， CHI M， GUAN Z H. Distributed three‐dimensional formation containment control of multiple unmanned aerial vehicle systems［J］. Asian Journal of Control， 2017， 19（3）： 1103-1113.
11	CHEN L， DUAN H. Collision-free formation-containment control for a group of UAVs with unknown disturbances［J］. Aerospace Science and Technology， 2022， 126： 107618.
12	WANG Y W， LIU X K， XIAO J W. Output formation-containment of interacted heterogeneous linear systems by distributed hybrid active control［J］. Automatica， 2018， 93： 26-32.
13	GONG X， CUI Y， SHEN J， et al. Necessary and sufficient conditions of formation-containment control of high-order multiagent systems with observer-type protocols［J］. IEEE Transactions on Cybernetics， 2022， 52（7）： 7002-7016.
14	赵学远，周绍磊，王帅磊. 基于多无人机系统的编队包含控制［J］. 计算机工程， 2020， 46（8）： 284-289.
	ZHAO X， ZHOU S， WANG S. Formation containment control based on multiple unmanned aerial vehicle system［J］. Computer Engineering， 2020， 46（8）： 284-289.
15	HUA M， DING H， YAO X Y. Distributed fixed-time formation-containment control for multiple Euler-Lagrange systems with directed graphs［J］. International Journal of Control， Automation and Systems， 2021， 19（2）： 837-849.
16	JIANG W， WEN G， PENG Z， et al. Fully distributed formation-containment control of heterogeneous linear multiagent systems［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2019， 64（9）： 3889-3896.
17	HU J， BHOWMICK P， LANZON A. Two‐layer distributed formation‐containment control strategy for linear swarm systems： algorithm and experiments［J］. International Journal of Robust and Nonlinear Control， 2020， 30（16）： 6433-6453.
18	SILVA T C， SOUZA F O， PIMENTA L C A. Distributed formation‐containment control with Euler‐Lagrange systems subject to input saturation and communication delays［J］. International Journal of Robust and Nonlinear Control， 2020， 30（7）： 2999-3022.
19	LI S E， QIN X， LI K， et al. Robustness analysis and controller synthesis of homogeneous vehicular platoons with bounded parameter uncertainty［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2017， 22（2）： 1014-1025.
20	GE X， HAN Q L， WANG J， et al. Scalable and resilient platooning control of cooperative automated vehicles［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2022， 71： 3595-3608.
21	LI S E， GAO F， CAO D， et al. Multiple-model switching control of vehicle longitudinal dynamics for platoon-level automation［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2016， 65（6）： 4480-4492.
22	MAITY A， HÖCHT L， HEISE C， et al. Adaptive optimal control using frequency selective information of the system uncertainty with application to unmanned aircraft［J］. IEEE Transactions on Cybernetics， 2018， 48（1）： 165-177.
23	WANG C， QUAN L， JIAO Z， et al. Nonlinear adaptive control of hydraulic system with observing and compensating mismatching uncertainties［J］. IEEE Transactions on Control Systems Technology， 2018， 26（3）： 927-938.
24	ZHAO X， CHEN Y H， DONG F， et al. Controlling uncertain swarm mechanical systems： a β-measure-based approach［J］. IEEE Trans. Fuzzy Systems，2019，27（6）.
25	DONG F， ZHAO X， CHEN Y H. Optimal longitudinal control for vehicular platoon systems： adaptiveness， determinacy， and fuzzy［J］. IEEE Transactions on Fuzzy Systems，2020，29（4）.
26	UDWADIA F E， KALABA R E. Analytical dynamics ： a new approach［M］.Cambridge University Press， Cambridge， UK， 1996.

[1]	高锋,冯德福,胡秋霞. 面向NMPC运动规划系统的数值优化加速技术[J]. 汽车工程, 2023, 45(8): 1438-1447.
[2]	查云飞,吕小龙,陈慧勤,易迎春,王燕燕. 基于路面附着系数估计的车辆轨迹跟踪控制[J]. 汽车工程, 2023, 45(6): 1010-1021.
[3]	张琳,张源盛,魏超,严运兵. 湿式离合器欠约束摩擦副临界碰摩转速及带排转矩分析[J]. 汽车工程, 2023, 45(6): 1073-1080.
[4]	吕辉,钟顺江,李振聪,曹懿莎,上官文斌,赵克刚. 基于多维子平行六面体模型的可靠性分析方法及应用[J]. 汽车工程, 2023, 45(6): 1090-1098.
[5]	张钰,徐明帆,白光宇,董明明,高利,秦也辰. 考虑稳定性约束的智能车辆切换控制方法[J]. 汽车工程, 2023, 45(5): 709-718.
[6]	吕辉,姜帅,魏政君,曹懿莎. 考虑参数不确定性的驱动电机振动特性分析[J]. 汽车工程, 2023, 45(5): 845-853.
[7]	兰凤崇,潘威,陈吉清. 基于Aseq2seq-PF的实车锂离子动力电池剩余使用寿命预测[J]. 汽车工程, 2023, 45(12): 2348-2356.
[8]	张硕,蔡旭,张春梅,兰利波,张溆祺,陈轶嵩. 氢燃料电池重型商用车全生命周期评价研究及不确定性分析[J]. 汽车工程, 2023, 45(12): 2366-2386.
[9]	苏永雷,张志飞. 副车架静刚度修正方法及多层级拓扑优化[J]. 汽车工程, 2023, 45(11): 2157-2164.
[10]	吴其林,沐笑宇,邱明明,赵雅婷. 前车目标丢失弯道自适应巡航控制策略研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(10): 1824-1832.
[11]	阮世捷,苏航杰,李海岩,崔世海,贺丽娟,吕文乐. 正面100%重叠刚性壁障碰撞试验仿真中三岁儿童乘员的损伤评价[J]. 汽车工程, 2022, 44(3): 403-411.
[12]	陈潇凯,李超,白影春,杨子发. 汽车多材料控制臂拓扑优化方法[J]. 汽车工程, 2021, 43(7): 1088-1095.
[13]	谷先广,高梦琳,王笑乐,黄岳竹. 基于GWO⁃KRG近似模型的乘员约束系统可靠性优化设计[J]. 汽车工程, 2021, 43(6): 870-876.
[14]	葛如海,黄可鑫,蔡朝阳,顾瑶芝,陈宇航. 校车连体型主动式安全气囊保护效果的研究优化[J]. 汽车工程, 2021, 43(12): 1800-1805.
[15]	潘作峰,邓玉伟,郝耀东,苏丽俐,邓江华. 动态密封状态下汽车风噪性能不确定性研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(11): 1645-1652.