【正文】 車(chē)輛的速度，以達(dá)到跟隨車(chē)輛與領(lǐng)隊(duì)車(chē)輛之間的距離 和相對(duì)角度。 為獲得穩(wěn)定的隊(duì)形控制動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，并使其保持期望的相對(duì)距離和角度，本節(jié)利用Lyapunov控制算法設(shè)計(jì)跟隨車(chē)輛的速度控制輸入量。以此類(lèi)推，控制器2將車(chē)輛1的速度，加速度，位置坐標(biāo)，跟隨車(chē)輛2的當(dāng)前速度 ，當(dāng)前加速度 ，當(dāng)前速度 作為輸入，根據(jù)控制規(guī)律計(jì)算出經(jīng)控制后的加速度，從而控制車(chē)輛2的速度，位置，使車(chē)輛1和車(chē)輛2保持一定的相對(duì)距離和相對(duì)角度。 ，領(lǐng)隊(duì)車(chē)輛的速度 為已知，通過(guò)積分得到領(lǐng)隊(duì)車(chē)輛的位置橫坐標(biāo) ，通過(guò)求導(dǎo)得到領(lǐng)隊(duì)車(chē)輛的加速度 ，并將三者將作為第一個(gè)控制器的輸入，控制器1將從跟隨車(chē)輛1處采集到的速度 和加速度與 進(jìn)行運(yùn)算，得到第一個(gè)控制器的輸出 。假設(shè)6:車(chē)輛本身動(dòng)力系統(tǒng)能夠提供與所設(shè)計(jì)的期望速度控制量相同的速度即：。假設(shè)4:跟隨車(chē)輛和領(lǐng)隊(duì)車(chē)輛均可測(cè)量出其自身的線速度及角速度，以及航向角 。假設(shè)2:跟隨車(chē)輛對(duì)其領(lǐng)隊(duì)車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全可知。第三章 車(chē)輛控制器設(shè)計(jì) 在第二章中采用跟隨領(lǐng)航者的方法建立了車(chē)隊(duì)的跟隨領(lǐng)航者結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型 及位置誤差模型，本章首先將結(jié)合第二章求得的模型采用Lyapunov分析方法和反饋線性化分析方法設(shè)計(jì)跟隨車(chē)輛控制輸入量 和 使車(chē)隊(duì)誤差系統(tǒng)穩(wěn)定，保持車(chē)隊(duì)穩(wěn)定，使車(chē)隊(duì)按預(yù)期的隊(duì)形前進(jìn)。下一章將介紹和設(shè)計(jì)適合的控制器。這為控制器設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的方便。首先針對(duì)四輪車(chē)輛根據(jù)其本身存在的約束關(guān)系，并著重考慮其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，建立了單個(gè)車(chē)輛的數(shù)學(xué)運(yùn)動(dòng)模型，然后選取車(chē)隊(duì)中某一對(duì)領(lǐng)隊(duì)車(chē)輛和跟隨車(chē)輛作為研究對(duì)象，根據(jù)領(lǐng)航者跟隨者方法的主要思想，對(duì)這兩輛車(chē)建立了基本的數(shù)學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，得到了更加完善的領(lǐng)航者跟隨模型。 為領(lǐng)隊(duì)車(chē)輛的橫向速度。因而使跟隨車(chē)輛與領(lǐng)隊(duì)車(chē)輛保持穩(wěn)定的期望位置關(guān)系，需要控制L和甲漸進(jìn)穩(wěn)定于期望值，即可表示為: 。 則對(duì)于跟隨車(chē)輛其期望的位置和角度也唯一確定。d為車(chē)輛前半軸和后半軸長(zhǎng)度；和分別為領(lǐng)隊(duì)車(chē)輛和跟隨車(chē)輛的前輪轉(zhuǎn)向角； 領(lǐng)航者跟隨者隊(duì)形結(jié)構(gòu)G表示車(chē)輛的中心，其坐標(biāo)為，分別為領(lǐng)隊(duì)車(chē)輛和跟隨車(chē)輛的中心坐標(biāo)。 首先設(shè)定車(chē)隊(duì)中的第i輛車(chē)為領(lǐng)隊(duì)車(chē)輛，第j輛車(chē)為其跟隨車(chē)輛。研究由N輛車(chē)組成的自主車(chē)隊(duì)隊(duì)形控制問(wèn)題，首先應(yīng)選取車(chē)隊(duì)中的領(lǐng)隊(duì)車(chē)輛，以及其跟隨車(chē)輛，既而可將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)跟隨車(chē)輛的速度控制器，使其能與領(lǐng)隊(duì)車(chē)輛保持期望的距離和角度，只要保證車(chē)隊(duì)中的每輛跟隨車(chē)輛都可保持和其領(lǐng)隊(duì)車(chē)輛之間期望的距離和角度穩(wěn)定行駛，整個(gè)車(chē)隊(duì)的隊(duì)形就可保持穩(wěn)定。上一節(jié)中分析了車(chē)輛的約束關(guān)系，建立了單個(gè)車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。對(duì)于車(chē)輛的不完全約束條件可通過(guò)下列式子給定： （） 令為車(chē)輛水平方向速度，為豎直方向的速度。為前輪與縱軸之間的行駛角，即車(chē)輛轉(zhuǎn)向角。 首先對(duì)于本文中所研究的車(chē)輛做以下假設(shè)； 假設(shè)1:所研究的車(chē)輛均由后輪驅(qū)動(dòng)，前輪負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向； 假設(shè)2:車(chē)輛的前軸與后軸等長(zhǎng)，且車(chē)輛各部分幾何對(duì)稱(chēng)且質(zhì)量均勻，因此車(chē)輛中個(gè)部分的幾何中心也為其質(zhì)量的重心； 以車(chē)輛的前后兩輪為例，圖中各坐標(biāo)均存在于水平坐標(biāo)系中。文獻(xiàn)[1]把跟隨領(lǐng)航者隊(duì)形控制方法應(yīng)用于車(chē)隊(duì)控制中設(shè)計(jì)控制器，然而其在建模過(guò)程中只考慮了車(chē)隊(duì)中車(chē)輛的幾何位置關(guān)系，沒(méi)有考慮車(chē)輛本身的約束問(wèn)題。然后考慮隊(duì)形控制要求，對(duì)車(chē)隊(duì)系統(tǒng)建立新的完整的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。在對(duì)車(chē)隊(duì)中車(chē)輛進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)之前，本章首先采用跟隨領(lǐng)航者的方法對(duì)自主車(chē)隊(duì)建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。本文的大體結(jié)構(gòu)為：第一章為緒論，大體介紹本文所研究的問(wèn)題；第二章主要介紹單個(gè)車(chē)輛和領(lǐng)航者跟隨者的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；第三章主要進(jìn)行兩種控制器的設(shè)計(jì)；第四章進(jìn)行仿真研究；最后第五章對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)并得出結(jié)論。然后根據(jù)所得到的模型設(shè)計(jì)控制器。根據(jù)所建立的跟隨者領(lǐng)航者車(chē)隊(duì)運(yùn)動(dòng)模型采用Lyapunov控制算法，設(shè)計(jì)跟隨車(chē)輛的跟蹤控制器，保證跟隨車(chē)輛能夠與領(lǐng)隊(duì)車(chē)輛保持期望的相對(duì)距離和角度行駛。 早期的車(chē)輛編隊(duì)主要采用集中控制的方式，這種方法雖然有較好的控制品質(zhì),但需要把所有車(chē)輛的狀態(tài)都反饋到中央控制單元,會(huì)帶來(lái)大量的數(shù)據(jù)交互和復(fù)雜計(jì)算,對(duì)中央處理器的要求非常高,一旦中央處理器出現(xiàn)故障,則整個(gè)系統(tǒng)癱瘓,而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)缺乏靈活性和縮放性. 本文研究的主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)本文主要針對(duì)自主車(chē)輛本身存在的約束關(guān)系，結(jié)合跟隨者領(lǐng)航者的編隊(duì)控制方法，建立車(chē)輛編隊(duì)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。(3)在編隊(duì)控制設(shè)計(jì)中，大多研究或是將群體作為一個(gè)整體系統(tǒng)出發(fā)，直接考慮對(duì)整體的控制，或是從群體中的個(gè)體出發(fā)，考慮個(gè)體之間的隊(duì)形關(guān)系，但是，很多情況下沒(méi)有將整體隊(duì)形和個(gè)體運(yùn)動(dòng)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。 (2)在編隊(duì)控制方面，各種控制方法主要應(yīng)用在自主機(jī)器人群體控制中，因此，在建模過(guò)程中主要根據(jù)群體中個(gè)體之間的幾何位置建立模型，對(duì)于個(gè)體的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)控制因素考慮的很少。但是這三種對(duì)車(chē)隊(duì)的控制方式，都是控制車(chē)隊(duì)的某種特定單項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)隊(duì)行駛過(guò)程中可能出現(xiàn)的隊(duì)形情況整體控制效果。 車(chē)輛編隊(duì)控制研究中的不足 雖然目前對(duì)車(chē)隊(duì)控制及編隊(duì)控制方面的研究引起廣泛的關(guān)注，在這些領(lǐng)域也出現(xiàn)了大量的科研成果，但其中仍存在一些的問(wèn)題和不足之處。文獻(xiàn)[3][4]中利用了相似的理論，建立圖形坐標(biāo)，完成一定圖形的隊(duì)形控制。廣義坐標(biāo)考慮隊(duì)列中的隊(duì)形參考點(diǎn)，刻畫(huà)出隊(duì)形中個(gè)體的位置L、方向口以及外形S，群體的運(yùn)行軌跡可直接用位置L、方向o以及外形s表示。這種方法具有較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)，但計(jì)算量較大，在實(shí)時(shí)計(jì)算、可擴(kuò)展以及分布實(shí)現(xiàn)等方面還有待進(jìn)一步的研究。跟隨領(lǐng)航者的隊(duì)形控制方法主要是在確定領(lǐng)航者的軌跡的情況下，針對(duì)跟隨者設(shè)計(jì)控制器，控制相對(duì)簡(jiǎn)單，但是，由于領(lǐng)航者和跟隨者之間相對(duì)獨(dú)立，不容易得到跟隨者的誤差反饋。以及他們之間期望相對(duì)角度，通過(guò)控制器設(shè)計(jì)使跟隨者與領(lǐng)航者之間實(shí)際的相對(duì)距離和角度達(dá)到期望值，從而實(shí)現(xiàn)編隊(duì)的隊(duì)形保持。跟隨領(lǐng)航者的隊(duì)形控制設(shè)計(jì)方法可分為兩類(lèi)，分別為控制和控制。但是多采用集中式實(shí)現(xiàn)，要求隊(duì)形按一定的虛擬結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，限制了其應(yīng)用的范圍，缺乏靈活性和適應(yīng)性。最后為每個(gè)航天器個(gè)體設(shè)計(jì)路徑跟蹤控制器。基于虛擬結(jié)構(gòu)方法的控制器設(shè)計(jì)分為三個(gè)階段，首先建立基于虛擬結(jié)構(gòu)的整體編隊(duì)模型。它具有并行性、分布性和實(shí)時(shí)性好，但是難以明確設(shè)計(jì)出能合成指定隊(duì)形的局部基本行為和局部控制規(guī)劃，隊(duì)形控制的穩(wěn)定性得不到保證，另外，設(shè)計(jì)能夠合成指定隊(duì)形的局部基本行為也是比較困難的?；谛袨榈目刂品椒ㄖ饕峭ㄟ^(guò)對(duì)個(gè)體基本行為設(shè)定，以及局部控制規(guī)則的設(shè)計(jì)使得隊(duì)列群體產(chǎn)生所需的整體行為。它是由Balch和Arkin在隊(duì)形保持方面中提出的一種基于行為的控制方法，該方法采用自下而上構(gòu)造系統(tǒng)的方式，其主要思想是將隊(duì)形控制任務(wù)分解為一系列的基本行為，通過(guò)行為的綜合來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。本節(jié)將針對(duì)隊(duì)形控制中各種方法，對(duì)其研究成果進(jìn)行詳細(xì)的闡述。所謂編隊(duì)控制即是指通過(guò)選取合適的控制策略對(duì)群體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，使一組由多個(gè)同類(lèi)或相似個(gè)體組成的系統(tǒng)保持期望的相對(duì)位姿，維持編隊(duì)隊(duì)形協(xié)同作業(yè)，以完成特定任務(wù)的控制過(guò)程。綜上所述，車(chē)輛的編隊(duì)控制的研究在提高交通安全性和道路通行能力方面、軍事和航天探測(cè)方面具有重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。其中對(duì)車(chē)輛進(jìn)行編隊(duì)控制就是一種有效的車(chē)輛調(diào)度方法。利用自動(dòng)化技術(shù)消除駕駛員反應(yīng)延時(shí)和判斷不準(zhǔn)確等人為因素帶來(lái)的干擾。 研究意義 就目前的情況來(lái)看，解決交通問(wèn)題切實(shí)可行的辦法是如何提高現(xiàn)有的道路交通容量和效率。因此交通擁塞、環(huán)境污染的現(xiàn)象在我國(guó)更加嚴(yán)重。另外，在某些特殊領(lǐng)域，如在可見(jiàn)度低，地形復(fù)雜等惡劣行駛環(huán)境下，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)自主車(chē)輛組成的車(chē)隊(duì)以各種指定隊(duì)形方式，通過(guò)互相協(xié)作完成探查、巡邏、援救等任務(wù)的情況，因此對(duì)于自主車(chē)輛的隊(duì)形控制問(wèn)題研究也成為研究的重點(diǎn)課題。LyaPunov算法,反饋線性化,仿真，車(chē)輛編隊(duì)Abstract The Flexible Lowcost Automated Scaled Highway (FLASH) laboratory at the Virginia Tech Transportation Institute (VTTI) is one of many facilities dedicated to the field ofIntelligent Transportation Systems (ITS). The goal of the FLASH lab is to provide small scale development and implementation of autonomous control strategies for today’s vehicles. The current controller us