多车系统的无碰撞方向一致性问题

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多车系统是一类基于小车模型的多个体系统。所谓多个体系统是指一个图或者网络,其中的每个顶点满足一个动态方程,都有控制输入和输出信息。在多车系统中,图的每一个顶点表示在平面上运动的一个小车,图的边表示运动小车之间的信息传输关系,如果两个小车之间可以互相进行信息传输,则这两个小车所对应的两顶点之间存在一条边,多车系统的无碰撞运动一致性问题就是利用网络中的局部信息为每一个个体小车设计控制输入,来实现所有小车的运动方向的一致性,并且保证运动过程中没有碰撞发生,本研究课题是近年来的一个热门研究方向,受到了控制理论领域的广泛关注。对于积分器多个体系统、一般的线性多个体系统、Vicsek模型及Kuramoto模型等,已经涌现出了大量关于一致性的科研论文。但是仍存在许多理论问题有待研究。当信息传输网络是切换拓扑时,已有文献中常常加上先验性的连通性或联合连通性的假设,即信息传输网络在切换过程中保持连通性或者联合连通性,有结果表明,对离散的Vicsek模型,可以给出仅仅基于初始连通性的一致性的充分条件。但是,对于连续的多个体系统特别是多车系统,如何去除先验性的连通性假设是一个还没有解决的问题。仅仅利用邻居个体的输出信息和自身状态信息设计线性控制协议保证无碰撞一致性也是非常有趣并且有实际意义的研究课题。在一致性的讨论中,切换拓扑下估计一致性的收敛速度是一个重要的问题。对于切换拓扑下的一阶积分器及二阶积分器多个体系统,已经有了重要的结果。但是对于高阶的积分器多个体系统及一般的高阶线性多个体系统,还没有这方面的研究成果。  本论文在初始图连通的假设下,首先对基于几何图的切换拓扑下的多车系统动力学模型设计了线性一致性控制协议,实现了整个网络系统的无碰撞方向一致性,并且通过选择控制增益可以实现任意的一致性收敛速度。其次,在此基础上,进一步考虑了基于汽车模型的切换拓扑下的多车系统,结合非线性系统的状态反馈精确线性化方法,设计了非线性的一致性控制协议。最后对于切换拓扑下的一般的高维连续多个体系统,提出了一个线性控制协议,给出了一致性收敛速度的估计,并且通过设计控制增益可以实现任意的收敛速度,每一部分内容,都给出仿真例子,验证了所得的结果。
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