多自主体系统分布式跟踪控制及其在车辆队列中的应用

Vehicle platoon is a hot topic in the field of intelligent transportation. Current research mainly focuses on the simulation level and the theoretical analysis is few. Therefore, this project will consider this issue from a new point of view and model the vehicle platoon based on multi-agent system. Firstly, the distributed tracking problem of a class of typical leader-follower multi-agent model is studied. In this model, the system matrix of the leader can be of any form which makes the leader's trajectory diversified. The control input of the leader is unknown to any of the followers. For different forms of the system matrix of the leader, we give a set of distributed observer-based controller design method, and analyze the influence of network topology to the stability of the system and the parameters to achieve the tracking. Secondly, further study will focus on the vehicle platoon based on this model. The design method of the tracking control based on the distributed observer is applied to the vehicle platoon problem. The theoretical analysis associated with numerical simulation will be made to analyze the stability of the vehicle platoon, the adaptability to unknown information and the robustness to external disturbance. The investigation of these problems will provide a theoretical basis for distributed sensor arrays, multiple mobile robots and many other fields, and also has the guiding significance to intelligent transportation system to help reduce traffic congestion and enhance road safety.

车辆队列是智能交通领域的研究热点。目前的研究主要集中在仿真层面，理论分析较少。因此，本项目从新的角度考虑这一问题，对车辆队列用多自主体系统建模。首先，研究一类典型的Leader-follower多自主体模型的分布式跟踪问题。模型中领导者的系统矩阵是任意的，从而使其运动轨迹多样化，同时领导者的控制输入对每个跟随者来说是未知的。针对领导者系统矩阵的不同形式，给出一整套基于分布式观测器的控制器设计方法，分析网络拓扑结构对系统稳定性的影响，给出系统实现跟踪的参数条件。其次，进一步研究基于该模型的车辆队列问题。考虑将跟踪控制基于分布式观测器的设计方法应用到车辆队列问题中，以理论分析为主，并结合数值仿真，分析车辆队列的稳定性、对未知信息的适应性及对外界干扰的鲁棒性。这些问题的深入研究为分布式传感器阵列、多移动机器人等系统提供理论基础，并对智能交通系统具有指导意义，有利于减少交通拥塞，增强道路安全性。

多自主体系统的集体行为是复杂系统研究的核心问题之一。针对目前的研究热点，本项目研究了几类多自主体系统的分布式协同控制问题。所取得的主要成果如下：1）首先研究了一类典型的Leader-follower多自主体模型的分布式跟踪问题。模型中领导者的系统矩阵是任意的，从而使其运动轨迹多样化，同时领导者的控制输入对每个跟随者来说是未知的。针对领导者系统矩阵的不同形式，给出一整套基于分布式观测器的控制器设计方法，分析网络拓扑结构对系统稳定性的影响，给出系统实现跟踪的参数条件。2）高阶多自主系统基于相对输出反馈的一致性。假设仅可以量测邻居之间的相对输出信息。为解决一致性问题，首先构造了局部静态相对输出反馈 （而不是全状态误差），在相对较弱的条件下证明了系统的收敛性。 然后设计了基于观测器的动态相对输出反馈。如果系统的邻接图具有生成树，利用Riccati方程和分离原理同样解决了一致性问题。3）多个具有非完整约束的机器人系统的同步问题,包括方向同步和速度同步。设计了基于邻居相对速度和相对角度信息的控制律，得到的闭环系统是基于采样数据的混杂多自主体系统。与已有结果不同的是，我们没有假设系统邻接图的连通性条件，通过分析系统的动态特征和估计初始邻居关系的统计特征，给出系统实现同步的一个充分条件。4）研究具有饱和输入的线性系统的事件驱动状态反馈，其中控制器和观测器设计都是基于事件驱动的。通过构造线性矩阵不等式证明了事件驱动控制器的镇定性同时巧妙处理了饱和非线性性。同时估计了相邻两个驱动时刻的最小时间间隔具有正的下界，可以避免Zeno现象。5）作为多自主体系统在社会系统中的实际应用，研究了体育场馆的人员疏散问题，分别建立了基于多自主体的正常疏散模型和拥挤疏散模型，进行疏散过程的仿真，并在实际场景中验证，取得较好的效果。