执行器受限异构多自主车辆系统分布式编队控制研究

Output consensus, a cooperative output regulation problem for heterogeneous multi-agent systems, has recently attracted much attention from the control community. Distributed cooperative control of multi-agent systems has been widely applied in industrial applications, due to its advantage on cost, performance and system robustness. Based on the distributed output regulation method, this project investigates the following problems for a heterogeneous multi-agent system with actuator saturation: (1) the output containment control problem with multiple leaders, (2) formation control problem, and (3) the formation control of multi-autonomous vehicle systems. We consider the cases of actuator saturation, multiple leaders, heterogeneous systems and formation control in this project, which are common in engineering applications. The results of this project will be verified through simulation and experiments on a multiple autonomous vehicle system.

近些年来，异构多自主体系统的分布式输出调节控制，即输出一致性问题，受到了控制界广泛的关注。基于成本、性能以及系统鲁棒性等方面的考量，多自主体系统的分布式协同控制在工程领域中也得到广泛应用。本课题考虑执行器受限异构多自主体系统，利用分布式输出调节方法，主要研究：（1）多领航者条件下的输出包含问题，（2）异构多自主系统的编队控制问题，（3）多自主车辆系统的编队控制问题。课题涉及到的执行器受限、多领航者、自主体异构及编队控制等方面正是目前工程应用中的常见情况。因此针对这些约束条件下分布式系统控制问题的研究具有重要意义。本课题的研究内容基于输入饱和异构多智能体系统的领航跟随输出一致性，分别向多领航者和编队控制两种“分散”一致性场景拓展，并进一步拓展到无人驾驶车辆系统的编队控制理论分析及实践验证。本项目的理论结果将通过仿真平台以及无人驾驶多自主车辆系统进行全面的验证展示。

项目针对异构多自主体系统及受到通信及执行机构受限的系统，分别研究了半全局一致性和领导跟踪编队控制问题，并研究了多自主车辆系统的路口调度问题。（1）本课题针对异构多自主体系统，利用输出调节的方法实现编队控制。编队控制使得跟踪者的轨迹收敛于互相不同的轨迹，并与领导者及其他跟踪者之间保持着特定的位置关系，并与系统任务需求对应。在状态反馈和输出反馈的情况下，本文分别设计了两种不同的分布式领导者状态观测器，从而为跟踪者估计领导者的状态，并依次设计了状态反馈编队控制算法和输出反馈编队算法实现异构多自主体系统的编队控制。（2）针对实际系统中常见的通信约束和驱动约束现象，本课题研究了周期有向间歇通信网络条件下执行机构饱和多自主体系统的半全局无领导一致问题。在间歇状态反馈和间歇输出反馈都满足特定占空比条件的情况下，实现连续时间系统和离散时间多自主体系统的半全局无领导一致性。对于存在多个自治领导者多自主体系统，包围控制领导者的运行轨迹可以在几何空间上张成一个凸包。针对存在执行机构饱和的多自主体系统，分别基于低增益反馈设计了状态反馈包围控制算法和输出反馈包围控制算法，实现在间歇通信满足一定条件时连续时间和离散时间多自主体系统的半全局包围控制。（3）通过对多自主体系统编队控制的研究，本课题在以车辆编队为调度单位的路口自主车辆调度与控制方法进行了拓展。已有方法在车流量较大时会出现不同车道穿插通行的现象，对通行效率的提升产生限制。针对该问题，提出了以车辆编队为调度单位的方法，将距离较近的同车道车辆合并为一个队列同时通行，以避免不同车道间交替通行所导致的效率降低。首先根据各队列领航者的状态计算队列优先级，并以单车调度方法规划领航者的运动状态。然后跟随者依据领航者的规划结果使用一致性策略规划自身的运动，并控制车辆沿规划的运动状态前进。仿真结果表明当车流量较大时，编队调度在相比单车调度有进一步的效率提升。