基于滑模控制的智能车辆集群运动控制方法
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２０１８年 ７月 第 ３９卷 第 ４期 Ｊｕｌｙ２０１８ Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．４
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－７７７５．２０１８．０来自百度文库．００３
基于滑模控制的智能车辆集群运动控制方法
江浩斌１，曹福贵１，２，朱畏畏１
（１．江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 ２１２０１３；２．江苏省交通技师学院 路桥系，江苏 镇江 ２１２００６）
收稿日期：２０１７－１０－２４ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１５７３１７１）；交通运输部信息化技术研究项目（２０１３３６４８３６９００）；江苏省研究生创新基金资助项
目（ＣＸＬＸ１３＿６７５） 作者简介：江浩斌（１９６９—），男，江苏启东人，教授，博士生导师（ｊｉａｎｇｈｂ＠ｕｊｓ．ｅｄｕ．ｃｎ），主要从事智能车辆、智能交通、交通安全研究．
引文格式：江浩斌，曹福贵，朱畏畏．基于滑模控制的智能车辆集群运动控制方法［Ｊ］．江苏大学学报（自然科学版），２０１８，３９（４）： ３８５－３９０．
ＣｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｖｅｈｉｃｌｅｓｃｌｕｓｔｅｒｍｏｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＳＭＣ
ＪＩＡＮＧＨａｏｂｉｎ１，ＣＡＯＦｕｇｕｉ１，２，ＺＨＵＷｅｉｗｅｉ１
ｍａｔｉｏｎ；ｇｒｏｕｐｄｒｉｖｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌ
目前，交通拥堵和交通安全问题一直是交通系 统发展面临的难题，它不仅造成了人们生命财产损 失，制约了社会经济的发展，还导致了能源消耗的提
高和环境污染的加重． 随着无线通信技术的发展，多车协同行驶得到
越来越多的关注．群车协同控制［１］问题成为多车辆
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｄｒｉｖｉｎｇｂｅｔｗｅｅｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｖｅｈｉｃｌｅｓ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｆｉｓｈｓｗａｒｍｃｌｕｓｔｅｒｍｏｔｉｏｎ．Ｔｈｅｃｌｕｓｔｅｒｒｕｌｅｓｏｆ ｆｉｓｈｓｗａｒｍ ｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｄｉａｍｏｎｄｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｖｅｈｉｃｌｅｓｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏ ｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍ ｓａｆｅｄｉｓｔａｎｃｅｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｄｉａｍｏｎｄｗａｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｐｉｌｏｔ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｖｉｒｔｕａｌｖｅｈｉｃｌｅｓ．ＴｈｅＳＭＣｔｈｅｏｒｙｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏ ｄｅｓｉｇｎｔｈｅｔｒａｃｋｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ａｎｄｔｈｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｏｆｆｏｌｌｏｗｉｎｇｖｅｈｉｃｌｅｓｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅ ｓａｆｅａｎｄｏｒｄｅｒｌｙｒｕｎｎｉｎｇｏｆｍｕｌｔｉｐｌｅｖｅｈｉｃｌｅｓｏｎｆｒｅｅｗａｙ．ＰｒｅＳｃａｎａｎｄＭａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｊｏｉｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｖｅｈｉｃｌｅａｔｒａｎｄｏｍ ｐｏｓｉｔｉｏｎｃａｎｂｅ ｇａｔｈｅｒｅｄｔｏｔｈｅｐｉｌｏｔｖｅｈｉｃｌｅｆｒｏｍｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｓｔａｔｅａｎｄｆｏｌｌｏｗｔｈｅｓａｍｅｔｒｅｎｄｏｆｔｈｅｐｉｌｏｔｖｅｈｉｃｌｅｍｏｖｅｍｅｎｔ ｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｆｒｏｍ ｄｉｓｏｒｄｅｒｌｙｔｏｏｒｄｅｒｌｙｔｒａｖｅｌ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｖｅｈｉｃｌｅ；ｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｃｏｎｔｒｏｌ；ｆｉｓｈｓｗａｒｍ ｅｆｆｅｃｔ；ｃｌｕｓｔｅｒｂｅｈａｖｉｏｒ；ｄｉａｍｏｎｄｆｏｒ
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅａｎｄＴｒａｆｆｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ；２．ＲｏａｄａｎｄＢｒｉｄｇｅＤｅｐａｒｔ ｍｅｎｔ，ＪｉａｎｇｓｕＪｉａｏｔｏｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ２１２００６，Ｃｈｉｎａ）
摘要：为了解决智能车辆之间协同行驶的机制和控制问题，运用鱼群的集群运动理论研究群行车 的协同控制问题．分析鱼群的集群规则，建立车辆菱形编队形式．根据最小安全距离理论确定菱形 的几何位置，并采用领航跟随法，生成跟随车辆位姿参数．运用滑模控制理论设计跟踪控制器，计算 集群运动车辆的加速度，实现群车的编队控制，从而达到高速公路环境下多车安全有序行驶的目 的．利用 ＰｒｅＳｃａｎ与 Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ进行联合仿真．结果表明：智能车辆从初始状态所处的随机位 置会向领航车辆聚拢，并跟随领航车辆以相同的趋势运动，实现从无序行驶向有序行驶的过程． 关键词：智能车辆；滑模控制；鱼群效应；集群行为；菱形编队；群行车控制 中图分类号：Ｕ４９２．８ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－７７７５（２０１８）０４－０３８５－０６
曹福贵（１９８２—），男，山东潍坊人，讲师，博士研究生（ＦＧＣＣ＠ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｍ），主要从事智能交通、交通安全研究．
３ ８６
第 ３９卷
协作技术中的一个重要研究课题．所谓协同控制是 指多个个体在到达目的地的过程中，保持某种队形， 同时又要适应环境约束的控制技术．协同控制技术 已经应用到工业生产、军事和娱乐等领域，例如航天 器编队飞行、无人机的编队飞行和自主水下航行器 的编队航行 等．文 献 ［２］提 出 了 基 于 几 何 约 束 的 三 角形、菱形和主从式等典型树形编队控制模型，解决 多架战斗机 协 同 作 战 编 队 队 形 控 制 问 题．文 献 ［３］ 利用领航机器人和跟随机器人期望位姿参数生成虚 拟机器人，建立跟随机器人对虚拟机器人轨迹跟踪 系统模型，构造轨迹跟踪系统的李亚普诺夫函数，得 到跟随机器人的轨迹跟踪控制器，实现了车式移动 机器人的编 队 控 制．文 献 ［４］运 用 反 馈 线 性 化 方 法 设计车辆跟随控制器，利用图论将所设计的跟踪控 制器扩展到多辆车组成的车辆编队中，实现车辆编 队行驶．上述研究方法虽然编队控制的误差较小，控 制器的稳定性较好，但是没有考虑编队行驶的安全 性，主要体现在：当编队遇到外界干扰时，不仅没有 留有“安全距离”来躲避危险，而且编队的形式缺乏 灵活性．
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－７７７５．２０１８．０来自百度文库．００３
基于滑模控制的智能车辆集群运动控制方法
江浩斌１，曹福贵１，２，朱畏畏１
（１．江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 ２１２０１３；２．江苏省交通技师学院 路桥系，江苏 镇江 ２１２００６）
收稿日期：２０１７－１０－２４ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１５７３１７１）；交通运输部信息化技术研究项目（２０１３３６４８３６９００）；江苏省研究生创新基金资助项
目（ＣＸＬＸ１３＿６７５） 作者简介：江浩斌（１９６９—），男，江苏启东人，教授，博士生导师（ｊｉａｎｇｈｂ＠ｕｊｓ．ｅｄｕ．ｃｎ），主要从事智能车辆、智能交通、交通安全研究．
引文格式：江浩斌，曹福贵，朱畏畏．基于滑模控制的智能车辆集群运动控制方法［Ｊ］．江苏大学学报（自然科学版），２０１８，３９（４）： ３８５－３９０．
ＣｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｖｅｈｉｃｌｅｓｃｌｕｓｔｅｒｍｏｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＳＭＣ
ＪＩＡＮＧＨａｏｂｉｎ１，ＣＡＯＦｕｇｕｉ１，２，ＺＨＵＷｅｉｗｅｉ１
ｍａｔｉｏｎ；ｇｒｏｕｐｄｒｉｖｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌ
目前，交通拥堵和交通安全问题一直是交通系 统发展面临的难题，它不仅造成了人们生命财产损 失，制约了社会经济的发展，还导致了能源消耗的提
高和环境污染的加重． 随着无线通信技术的发展，多车协同行驶得到
越来越多的关注．群车协同控制［１］问题成为多车辆
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｄｒｉｖｉｎｇｂｅｔｗｅｅｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｖｅｈｉｃｌｅｓ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｆｉｓｈｓｗａｒｍｃｌｕｓｔｅｒｍｏｔｉｏｎ．Ｔｈｅｃｌｕｓｔｅｒｒｕｌｅｓｏｆ ｆｉｓｈｓｗａｒｍ ｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｄｉａｍｏｎｄｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｖｅｈｉｃｌｅｓｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏ ｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍ ｓａｆｅｄｉｓｔａｎｃｅｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｄｉａｍｏｎｄｗａｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｐｉｌｏｔ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｖｉｒｔｕａｌｖｅｈｉｃｌｅｓ．ＴｈｅＳＭＣｔｈｅｏｒｙｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏ ｄｅｓｉｇｎｔｈｅｔｒａｃｋｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ａｎｄｔｈｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｏｆｆｏｌｌｏｗｉｎｇｖｅｈｉｃｌｅｓｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅ ｓａｆｅａｎｄｏｒｄｅｒｌｙｒｕｎｎｉｎｇｏｆｍｕｌｔｉｐｌｅｖｅｈｉｃｌｅｓｏｎｆｒｅｅｗａｙ．ＰｒｅＳｃａｎａｎｄＭａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｊｏｉｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｖｅｈｉｃｌｅａｔｒａｎｄｏｍ ｐｏｓｉｔｉｏｎｃａｎｂｅ ｇａｔｈｅｒｅｄｔｏｔｈｅｐｉｌｏｔｖｅｈｉｃｌｅｆｒｏｍｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｓｔａｔｅａｎｄｆｏｌｌｏｗｔｈｅｓａｍｅｔｒｅｎｄｏｆｔｈｅｐｉｌｏｔｖｅｈｉｃｌｅｍｏｖｅｍｅｎｔ ｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｆｒｏｍ ｄｉｓｏｒｄｅｒｌｙｔｏｏｒｄｅｒｌｙｔｒａｖｅｌ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｖｅｈｉｃｌｅ；ｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｃｏｎｔｒｏｌ；ｆｉｓｈｓｗａｒｍ ｅｆｆｅｃｔ；ｃｌｕｓｔｅｒｂｅｈａｖｉｏｒ；ｄｉａｍｏｎｄｆｏｒ
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅａｎｄＴｒａｆｆｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ；２．ＲｏａｄａｎｄＢｒｉｄｇｅＤｅｐａｒｔ ｍｅｎｔ，ＪｉａｎｇｓｕＪｉａｏｔｏｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ２１２００６，Ｃｈｉｎａ）
摘要：为了解决智能车辆之间协同行驶的机制和控制问题，运用鱼群的集群运动理论研究群行车 的协同控制问题．分析鱼群的集群规则，建立车辆菱形编队形式．根据最小安全距离理论确定菱形 的几何位置，并采用领航跟随法，生成跟随车辆位姿参数．运用滑模控制理论设计跟踪控制器，计算 集群运动车辆的加速度，实现群车的编队控制，从而达到高速公路环境下多车安全有序行驶的目 的．利用 ＰｒｅＳｃａｎ与 Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ进行联合仿真．结果表明：智能车辆从初始状态所处的随机位 置会向领航车辆聚拢，并跟随领航车辆以相同的趋势运动，实现从无序行驶向有序行驶的过程． 关键词：智能车辆；滑模控制；鱼群效应；集群行为；菱形编队；群行车控制 中图分类号：Ｕ４９２．８ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－７７７５（２０１８）０４－０３８５－０６
曹福贵（１９８２—），男，山东潍坊人，讲师，博士研究生（ＦＧＣＣ＠ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｍ），主要从事智能交通、交通安全研究．
３ ８６
第 ３９卷
协作技术中的一个重要研究课题．所谓协同控制是 指多个个体在到达目的地的过程中，保持某种队形， 同时又要适应环境约束的控制技术．协同控制技术 已经应用到工业生产、军事和娱乐等领域，例如航天 器编队飞行、无人机的编队飞行和自主水下航行器 的编队航行 等．文 献 ［２］提 出 了 基 于 几 何 约 束 的 三 角形、菱形和主从式等典型树形编队控制模型，解决 多架战斗机 协 同 作 战 编 队 队 形 控 制 问 题．文 献 ［３］ 利用领航机器人和跟随机器人期望位姿参数生成虚 拟机器人，建立跟随机器人对虚拟机器人轨迹跟踪 系统模型，构造轨迹跟踪系统的李亚普诺夫函数，得 到跟随机器人的轨迹跟踪控制器，实现了车式移动 机器人的编 队 控 制．文 献 ［４］运 用 反 馈 线 性 化 方 法 设计车辆跟随控制器，利用图论将所设计的跟踪控 制器扩展到多辆车组成的车辆编队中，实现车辆编 队行驶．上述研究方法虽然编队控制的误差较小，控 制器的稳定性较好，但是没有考虑编队行驶的安全 性，主要体现在：当编队遇到外界干扰时，不仅没有 留有“安全距离”来躲避危险，而且编队的形式缺乏 灵活性．