模型领航者跟随者运动模型⒉跟随车辆的位置误差本章小结第三章车辆控制器设计前提条件假设控制器设计思路车辆控制器设计采用分析法设计控制器采用反馈线性化设计控制器沈阳化工大学学士学位论文目录本章小结第四章系统仿真简介仿真仿真要求基于方法的控制系统基于反馈线性化的控制系统两种控制器设计方法的比较本章小结第五章结论沈阳化工大学学士学位论文第章绪论第章绪论研究目的及意义研究背景近年来，对于车辆的编队控制问题越来越受到人们的关注。这主要是因为随着世界范围的经济和科技的发展，车辆不断增多，公路系统车流量也急剧增加，伴随着例如交通拥挤交通事故环境污染等不利现象的出现，造成严重的人身伤亡及经济损失。另外，在些特殊领域，如在可见度低，地形复杂等恶劣行驶环境下，经常会出现自主车辆组成的车队以各种指定队形方式，通过互相协作完成探查巡逻援救等任务的情况，因此对于自主车辆的队形控制问题研究也成为研究的重点课题。在我国，人口密度大，车辆拥有量也相对庞大，然而我国的公路建设相对发达国家有很大差距，在车辆控制方面也相对落后。因此交通拥塞环境污染的现象在我国更加严重。由于地理位置气候影响，我国的部分地区经常出现阴雨大雾降雪等天气，这些恶劣的气候因素，也对车辆行驶造成不利影响，减低了车辆行驶的安全性，导致相关的交通事故频繁发生，寻求各种解决交通问题的方法也就格外迫切。研究意义就目前的情况来看，解决交通问题切实可行的办法是如何提高现有的道路交通容量和效率。例如使用先进的科学技术来提高车辆性能利用自动化技术消除驾驶员反应延时和判断不准确等人为因素带来的干扰采用更有效的交通管理办法对车辆合理调度等，这些方法不仅能够提高道路交通流量，同时可减轻交通阻塞交通事故等不利现象的发生。其中对车辆进行编队控制就是种有效的车辆调度方法。其目的是提高陆路交通的安全性提高道路的通行能力节约能源减轻驾驶员的劳动强度提高其舒适度等。综上所述，车辆的编队控制的研究在提高交通安全性和道路通行能力方面沈阳化工大学学士学位论文第章绪论军事和航天探测方面具有重大的理论和现实意义。国内外研究现状近些年来，关于编队控制方面的研究引起了不少研究人员的关注，在这些领域出现了大量的科研成果，本节将针对这些研究成果进行详细的阐述。编队控制研究方法所谓编队控制即是指通过选取合适的控制策略对群体的运动进行控制，使组由多个同类或相似个体组成的系统保持期望的相对位姿，维持编队队形协同作业，以完成特定任务的控制过程。编队控制目前被广泛应用在多自动机器人航天飞行器群体自主车队及舰队等的协同作业中。本节将针对队形控制中各种方法，对其研究成果进行详细的阐述。基于行为的控制方法第种控制方法是基于行为的控制方。它是由和在队形保持方面中提出的种基于行为的控制方法，该方法采用自下而上构造系统的方式，其主要思想是将队形控制任务分解为系列的基本行为，通过行为的综合来实现运动控制。在文献中，将基于行为的控制方法运用在车辆群体的队形控制中，对车辆的行为进行基本设定对于般的队形控制系统，其基本行为主要包括躲避障碍物驶向目标以及队形保持等。基于行为的控制方法主要是通过对个体基本行为设定，以及局部控制规则的设计使得队列群体产生所需的整体行为。在不同角度对队形中的个体进行不同的行为设定，对其速度角度等进行控制，使队形中的个体能够平滑的躲避障碍物，并迅速恢复原编队队形。它具有并行性分布性和实时性好，但是难以明确设计出能合成指定队形的局部基本行为和局部控制规划，队形控制的稳定性得不到保证，另外，设计能够合成指定队形的局部基本行为也是比较困难的。基于虚拟结构的控制方法第二种研究方法是基于虚拟结构的控制方法，它的基本思想是将团队的队形作为刚性结构，实际单位个体在虚拟结构中对应该结构中相对固定的点，根据沈阳化工大学学士学位论文第章绪论个体之间相对位置建立参考系，当队形移动时，随着参考系在空间的移动，编队的虚拟结构中与编队里每个实际个体相对应的虚拟个体也随之移动，虚拟个体的状态即为实际个体的期望状态，实际个体只需跟踪参考系上与之对应的虚拟点，这样个体之间依然保持彼此稳定的相对位置。基于虚拟结构方法的控制器设计分为三个阶段，首先建立基于虚拟结构的整体编队模型然后将虚拟结构中的期望运动转换为每个航天器个体期望的运动最后为每个航天器个体设计路径跟踪控制器。基于虚拟结构将根据本节所得到的单车模型，基于跟随领航者的编队方法，以两辆车构成的简单车队为例建立车队模型。跟随领航者的车队模型上节中分析了车辆的约束关系，建立了单个车辆的运动学模型。本节将采用跟随领航者的方法建立车队系统模型。研究由辆车组成的自主车队队形控制问题，首先应选取车队中的领队车辆，以及其跟随车辆，既而可将问题转化为设计跟随车辆的速度控制器，使其能与领队车辆保持期望的距离和角度，只要保证车队中的每辆跟随车辆都可保持和其领队车辆之间期望的距离和角度稳定行驶，整个车队的队形就可保持稳定。因此我们首先选定辆车组成车队中的两辆车为领队车辆和跟随车辆，建立跟随车辆与领队车辆之间的运动模型。领航者跟随者运动模型首先设定车队中的第辆车为领队车辆，第辆车为其跟随车辆，第辆车和第辆车所组成的领航者跟随者结构如图所示。其中为跟随车辆前轮中心到领队车辆后轮中心的距离，表示跟随车辆与领队车辆的相对距离为车辆前半轴和后半轴长度和分别为领队车辆和跟随车辆的前轮转向角沈阳化工大学学士学位论文第二章车辆模型图领航者跟随者队形结构表示车辆的中心，其坐标为分别为领队车辆和跟随车辆的中心坐标。根据跟随领航者的队形控制原理，若己指定领队车辆的位置和方位角，只要设定跟随车辆与领队车辆之间的期望相对距离和相对角度。，则对于跟随车辆其期望的位置和角度也唯确定。同样实际的车队行驶过程中，跟随车辆和领队车辆的队形关系可由跟随车辆与领队车辆之间实际的相对距离和相对角度甲来描述。因而使跟随车辆与领队车辆保持稳定的期望位置关系，需要控制和甲渐进稳定于期望值，即可表示为,。由图可得可以用坐标,的形式来表达为其中沈阳化工大学学士学位论文第二章车辆模型其中对和分别求导并将代入，经整理可得其中为领队车辆的纵向速度为跟随车辆的纵向速度为领队车辆的横向速度为跟随车辆的横向速度从图中可以得出利用三角关系可以得出并令沈阳化工大学学士学位论文第二章车辆模型所以通过变形得⒉跟随车辆的位置误差对图所领航者跟随者车队结构定义误差根据另外存在另外设由式可得根据可得到领航者跟随者误差系统为沈阳化工大学学士学位论文第二章车辆模型对求导可得本章小结本章主要研究了领航者跟随者的自主车队模型建立过程。首先针对四轮车辆根据其本身存在的约束关系，并着重考虑其转向系统，建立了单个车辆的数学运动模型，然后选取车队中对领队车辆和跟随车辆作为研究对象，根据领航者跟随者方法的主要思想，对这两辆车建立了基本的数学运动学模型，得到了更加完善的领航者跟随模型。本章所得到的领航者跟随者车辆模型，结构简单，而且清晰明了。这为控制器设计带来了很大的方便。最后在本章还建立了的车辆控制系统的误差模型，为后面进行稳定性分析做好准备。下章将介绍和设计适合的控制器。设计合适的输入量和，使车队保持稳定队形，并按预期的队形前进，达到对车辆的编队控制。沈阳化工大学学士学位论文第三章车辆控制器设计第三章车辆控制器设计在第二章中采用跟随领航者的方法建立了车队的跟随领航者结构运动模型及位置误差模型，本章首先将结合第二章求得的模型采用分析方法和反馈线性化分析方法设计跟随车辆控制输入量和使车队误差系统稳定，保持车队稳定，使车队按预期的队形前进。前提条件假设首先，在给出设计车辆控制器之前，应对系统中各状态作出如点假设条件假设领队车辆和跟随车辆的运动状态都完全可知。假设跟随车辆对其领队车辆的运动状态完全可知。假设跟随车辆可通过传感器，测量出其与领队车辆之间的相对距离相对角度。假设跟随车辆和领队车辆均可测量出其自身的线速度及角速度，以及航向角。假设跟随车辆与领队车辆之间的保持实时通信，并且信息交换不存在延时等问题。假设车辆本身动力系统能够提供与所设计的期望速度控制量相同的速度即。以上几点假设为下文中的控制器设计提供了理想的条件。沈阳化工大学学士学位论文第三章车辆控制器设计控制器设计思路图领航者跟随者控制思路图车队的控制思路如图所示，领队车辆的速度为已知，通过积分得到领队车辆的位置横坐标，通过求导得到领队车辆的加速度，并将三者将作为第个控制器的输入，控制器将从跟随车辆处采集到的速度和加速度与进行运算，得到第个控制器的输出。根据控制器所得到的加速度去控制跟随车辆的速度和位置，从而很好的控制车辆与跟随车辆之间的相对距离和相对角度。以此类推，控制器将车辆的速度，加速度，位置坐标，跟随车辆的当前速度，当前加速度，当前速度作为输入，根据控制规律计算出经控制后的加速度，从而控制车辆的速度，位置，使车辆和车辆保持定的相对距离和相对角度。后面的车辆以此类推，最终使得整个车队在各个控制器的控制下按预期的队形前进，这种方法可以递推到辆车，都可以达到对车队编队控制的目的，不但很好的控制队形，还能解决当今的交通问题。沈阳化工大学学士学位论文第三章车辆控制器设计车辆控制器设计为获得稳定的队形控