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原文传递智能网联无人集装箱卡车轨迹跟踪与队列协同控制

论文题名：	智能网联无人集装箱卡车轨迹跟踪与队列协同控制
关键词：	智能网联无人集装箱卡;分布式协同控制;扩张状态观测器;事件触发;抗扰动控制
摘要：	作为现代海洋运输的重要组成部分，港口在全球贸易和物流体系中担任着非常重要的角色。我国拥有的万吨级生产性码头泊位、港口货物吞吐量、集装箱吞吐量均为世界第一。但伴随着超大型集装箱船的出现，港口装载、疏港及集港效率变成了瓶颈，成为了物流大动脉中的血栓点。快速发展的智能网联电动无人集卡为提升港口作业效率、降低码头人工成本提供了一种新的解决方案。在此背景下，研究自主化、智能化的无人集卡队列协同控制系统，实现无人集卡队列在港区范围自动装/卸载和运输，对改善港口交通环境、提高运输效率，具有重要的现实意义和科学研究价值。　　本文以智能网联无人集卡为被控对象，研究了无人集卡的轨迹跟踪控制与分布式协同控制问题，主要工作如下：　　首先，本文研究了存在模型参数不确定和未知外部扰动的全向移动式无人集卡在狭窄通道、安全速度限制等约束条件下的轨迹跟踪控制问题，提出了基于障碍Lyapunov函数的神经网络自适应动态面控制器。利用径向基神经网络逼近系统中的不确定性和外部扰动，对无人集卡的位置、速度进行全状态约束，保证了无人集卡的安全运行。稳定性分析表明闭环系统是半全局一致有界的，并利用仿真和全向小车实验结果验证了所提全状态约束自适应动态面控制器的有效性。　　然后，本文研究了存在模型参数不确定和轮胎打滑情况的阿克曼结构无人集卡轨迹跟踪控制问题。在运动学层面通过控制器算法约束保证无人集卡单向行驶，符合交通流理论；在动力学层面，在无法获取测量速度信息的前提下利用扩张状态观测器估计无人集卡的纵向速度、横向速度以及外部扰动，并在控制输入中加以补偿；利用级联系统理论分析了闭环系统的输入状态稳定性，并利用仿真和实验小车验证了所提输出反馈控制器的有效性。　　随后，本文研究了模型参数不确定、含有未知外部扰动的网联无人集卡队列协同控制问题，利用车载通信网络获取相邻无人集卡的位置信息，利用单条参数化路径引导实现无人集卡队列自动驾驶；在运动学层级设计了分布式的队列制导律和路径参数更新律，计算出期望速度和期望方位角；在动力学层级利用扩张状态观测器估计自身及相邻车的状态，设计了包含扰动补偿的前向速度和方位角抗扰动控制律；稳定性分析表明闭环系统是输入状态稳定的，且所有误差信号是一致最终有界的；仿真结果验证了所提分布式协同控制器的有效性；以高速公路养护中的就地热再生机组为被控对象设计了队列协同控制器实验，在路面维护施工中实现了低速工程车队列无人驾驶控制，用实验结果进一步验证了控制器的有效性。　　最后，本文研究了智能网联无人集卡队列协同编队事件触发控制问题。在传感器到控制器的反馈信息传输通道提出了带有预估器的事件触发扩张状态观测器，在传输间隙利用预估器更新无人集卡的状态数据，提高了扩张状态观测器的估计精度，降低信息传输次数和资源消耗；在控制器到执行器的控制信息传输通道设计了基于零阶保持器的事件触发控制器，减少执行器的动作频次；在运动学层级和动力学层级分别设计了无人集卡队列分布式制导律、路径参数更新律、速度控制器和方向控制器，实现智能网联无人集卡队列分布式控制；利用级联系统理论证明了闭环系统的输入状态稳定性，所有跟踪误差信号是一致最终有界的；利用事件间隔最小时间证明了所设计的事件触发方法不会发生芝诺现象；仿真结果验证了所提出的无人集卡队列分布式控制器的有效性。
作者：	王常顺
专业：	船舶电气工程
导师：	王丹
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022