摘 要

随着无线通信、计算机、传感器等技术的不断发展，车路协同和智能交通技术逐渐走入人们的视野。对智能车辆的智能控制能够使得道路车辆按照既定规则有序行驶，则可以大大减少交通事故发生的概率，缓解城市交通压力。本文针对车辆编队控制方法进行仿真研究，主要研究内容如下：

(1) 参照二车的领航跟随模型构建出车辆运动模型，根据反馈线性化理论和Lyapunov稳定理论设计了跟随车辆的速度控制器，使跟随车能够按照所设定的相对距离和相对角度跟踪领航车的运动状态，并在MATLAB中进行仿真验证了控制器的控制效果；

(2) 借助图论的相关概念对车辆编队进行描述，将二车的跟随控制拓展至多车，使车辆编队能够按照所设定的期望队形行驶，控制效果在MATLAB仿真中得到了证实；

(3) 考虑到选择不同领航车对编队控制效果的影响，设计仿真实验分析了选择不同领航车对车辆编队整体稳定性能的影响程度。

本文采用理论分析与仿真验证相结合的研究方法，完成了对多车编队控制的设计研究工作。

关键词：车辆编队控制；领航跟随；反馈线性化；Lyapunov稳定理论；MATLAB仿真

Abstract

With the continuous development of wireless communication, computer, sensor and other technologies, vehicle road coordination and intelligent transportation technology gradually come into people's vision. The intelligent control of intelligent vehicles can make the road vehicles drive orderly according to the established rules, which can greatly reduce the probability of traffic accidents and relieve the urban traffic pressure. In this thesis, the simulation of vehicle formation control method is studied. The main research contents are as follows:

(1) According to the pilot following model of two vehicles, a vehicle motion model is constructed. According to the feedback linearization theory and Lyapunov stability theory, the speed controller of the following vehicle is designed, so that the following vehicle can track the motion of the pilot vehicle according to the set relative distance and relative angle, and the control effect of the controller is verified by simulation in MATLAB;

(2) The vehicle formation is based on the concept of graph theory, and the following control of two vehicles is extended to multiple vehicles, so that the vehicle formation can drive according to the set expected formation, and the control effect is verified in MATLAB simulation;

(3) Considering the influence of choosing different pilot vehicles on the formation control effect, the simulation experiment is designed to analyze the influence of choosing different pilot vehicles on the overall stability of vehicle formation.

In this thesis, the design and research work of multi vehicle formation control is completed by combining theoretical analysis with simulation verification.

Key words: Vehicle formation control; Leader-Follower; Feedback linearization; Lyapunov stability theory; MATLAB simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容 3

第2章 二车领航跟随运动模型构建与验证 5

2.1 单车运动模型构建与验证 5

2.1.1 单车模型构建 5

2.1.2 单车模型验证 7

2.2 二车领航跟随运动模型构建 10

2.2.1 位置模型 10

2.2.2 误差模型 12

2.3 本章小结 14

第3章 反馈线性化控制器设计 15

3.1 基本理论 15

3.1.1 反馈线性化 15

3.1.2 Lyapunov稳定理论 15

3.2 控制器设计 16

3.3 二车领航跟随控制仿真 18

3.3.1 系统设计 18

3.3.2 仿真实验 20

3.4 本章小结 24

第4章 多车编队控制与仿真 25

4.1 车辆编队队形描述 25

4.2 仿真实验 26

4.3 本章小结 29

第5章 总结与展望 31

5.1 工作总结 31

5.2 研究展望 31

参考文献 32

致 谢 34

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

当今社会机动车保有量快速攀升，导致城市中对于道路交通的管制工作也变得越来越困难。尽管各地目前已经采取了一些措施来缓解交通压力并取得了一定的成效，但在其中仍不乏出现高峰时期道路拥堵、交通事故频发等问题，大大影响了人们的日常生活。如果能通过控制使得道路上的众多车辆按照期望的规则有序行驶，便有助于有效缓解道路交通压力，目前该研究方向已经在移动机器人研究领域有了一定的基础。

随着各行各业自动化程度的不断提高，人们对移动机器人在作业时的工作效率、性能等要求也越来越高，而单个机器人所能实现的功能有限，难以独立完成在复杂条件下的控制任务。基于此，对多移动机器人编队协同控制的研究受到各国学者的关注。目前多机器人编队研究的实体对象主要包括自主水下机器人、陆地移动机器人和自主无人飞行器三大类^[1]，其中，对陆地移动机器人的编队控制因其与人们的日常生活关系更为紧密而备受研究人员的关注，各国学者对此也已提出了多种控制移动机器人编队的方法并得到了验证。以此为基础，对道路车辆的编队协同控制技术在未来或将得到长远的发展与应用。