[发明专利]一种基于Tube MPC的异构车队稳定性分布式控制方法

权利要求书

1.一种基于Tube MPC的异构车队稳定性分布式控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定车辆的固有参数和车辆在运行过程中的实时参数；

分别建立领航车和跟随车辆的动力学模型，并定义领航车、跟随车辆的实际状态，确定领航车和跟随车辆的状态约束集、控制输入约束集，以及跟随车辆的扰动集；

利用所述领航车和跟随车辆的动力学模型、实际状态、状态约束集、控制输入约束集、扰动集，构建领航车辆、跟随车辆的控制器，利用控制器实现分布式控制；

所述领航车的动力学模型的建立过程为：

设领航车的初始位置p₀(0)为原点，并令p₀(t)，v₀(t)和a₀(t)分别是领航车的实际位置、实际速度和实际加速度；u₀(t)是领航车的控制输入量，τ₀是领航车执行器和控制器之间的信号传输时延，Δt是采样时间，则动力学模型为：

p₀(t+1)＝p₀(t)+v₀(t)Δt,

v₀(t+1)＝v₀(t)+a₀(t)Δt,

所述领航车的实际状态表示为：

x₀(t)＝[p₀(t) v₀(t) a₀(t)]^T

领航车的状态约束集可表示为领航车的控制输入约束集可表示为

其中分别是保证领航车安全行驶的最小速度和最大速度，分别是领航车的最小加速度和最大加速度，分别是领航车的最小控制输入量和最大控制输入量；

对于领航车受到的外部干扰，存在以下关系：

x₀(t+1)＝A₀x₀(t)+B₀u₀(t)+w₀(t)

其中：

所述跟随车辆的动力学模型的建立过程为：

队列中的跟随车辆i的动力学模型如下所示：

p_i(t+1)＝p_i(t)+v_i(t)Δt,

v_i(t+1)＝v_i(t)+a_i(t)Δt,

其中p_i(t)，v_i(t)和a_i(t)分别是跟随车辆i的实际位置、实际速度和实际加速度，u_i(t)是跟随车辆i的控制输入量，τ_i是跟随车辆i的执行器和控制器之间的信号传输时延，Δt是采样时间；

跟随车辆i与其前车i-1的期望间距d_i(t)应满足：

d_i(t)＝h_iv_i(t)+d₀

h_i是车辆与前车保持的时距，d₀是避免车辆之间发生碰撞的安全距离；

将跟随车辆i与其前车i-1的实际间距p_i-1(t)-p_i(t)与期望间距d_i(t)之间的差值定义为间距偏差e_i,p(t)，将跟随车辆i的实际速度v_i(t)与其前车i-1的实际速度v_i-1(t)之间的差值定义为速度偏差e_i,v(t)，具体表示如下：

e_i,p(t)＝p_i-1(t)-p_i(t)-h_iv_i(t)-d₀

e_i,v(t)＝v_i-1(t)-v_i(t)

所述跟随车辆的实际状态定义为：

x_i(t)＝[e_i,p(t) e_i,v(t) a_i(t)]^T

将前车的加速度a_i-1(t)视为跟随车辆i所受到的扰动w_i(t)，那么跟随车辆i的实际状态x_i(t)满足如下关系式：

x_i(t+1)＝A_ix_i(t)+B_iu_i(t)+w_i(t)

其中：

w_i(t)＝[0 a_i-1(t)Δt 0]^T，1≤i≤N；

将跟随车辆i的实际状态x_i(t)分成两部分，分别是不受扰动作用的标称状态和受扰动的偏差状态e_i(t)，即将跟随车辆i的控制输入量u_i(t)分成两部分，分别是作用于标称状态的标称控制输入量和作用于偏差状态e_i(t)的偏差控制输入量即那么标称状态和偏差状态e_i(t)将满足如下关系式：

所述领航车的控制器中，领航车的优化目标函数表示为：

约束条件为：

其中，N_p表示MPC的预测步长，表示领航车在t时刻，对t+k时刻的预测状态；表示领航车在t时刻，对t+N_p时刻的预测状态；表示领航车在t时刻，对t+k时刻的预测控制输入量；x_ref(k+t)表示t+k时刻，领航车的参考状态；x_ref(t+N_p)表示t+N_p时刻，领航车的参考状态；表示领航车在t时刻，对t+k时刻的预测扰动值；上标T表示转置向量，P₀是领航车惩罚的权重矩阵，Q₀是领航车惩罚的权重矩阵，R₀是领航车惩罚的权重矩阵；

所述跟随车辆的模型预测控制器中，跟随车辆的目标函数表示为：

相应的约束条件如下：

其中，表示跟随车辆i在t时刻，对t+k时刻的预测标称状态；表示跟随车辆i在t时刻，对t+N_p时刻的预测标称状态；表示跟随车辆i在t时刻，对t+k时刻的预测标称控制输入量，上标T表示转置向量，P_i是跟随车辆i惩罚对应的权重矩阵，Q_i是跟随车辆i惩罚对应的权重矩阵，R_i是跟随车辆i惩罚对应的权重矩阵，为标称状态约束集，为标称控制输入约束集，0表示三维的零向量。

2.根据权利要求1所述的基于Tube MPC的异构车队稳定性分布式控制方法，其特征在于，跟随车辆i的状态约束集和控制输入约束集应满足：

其中分别表示可接受的最大间距偏差，最大速度偏差，以及执行器的最大加速度值；表示可接受的最小间距偏差，最小速度偏差，以及执行器的最小加速度值；

跟随车辆i的扰动集应满足：

其中c₁＜0,c₂＞0是跟随车辆i所受的最小扰动和最大扰动值。