Cooperative Control of Dynamical Systems: Applications to Autonomous Vehicles

چه ارائه سیستم‌های خودکار حمل‌ونقل مسافر، کاوش در اعماق متخاصم اقیانوس یا کمک به سربازان در نبرد، سیستم‌های وسایل نقلیه خودران به یک واقعیت مهم زندگی مدرن تبدیل شده‌اند. شبکه‌های سنجش و ارتباط توزیع‌شده به خودروهای همسایه اجازه می‌دهند تا اطلاعات را به طور مستقل به اشتراک بگذارند، با اپراتور تعامل داشته باشند و حرکت خود را برای نشان دادن رفتارهای مشارکتی خاص هماهنگ کنند. هر چه محیط عملیاتی ساختار کمتری داشته باشد و شبکه وسایل نقلیه تغییرات بیشتری را تجربه کند، دست و پنجه نرم کردن با مشکلات کنترل دشوارتر می شود. رفتارهای مشارکتی و مدل‌سازی سیستم‌های دینامیکی غیرخطی محدود مانند وسایل نقلیه زمینی، هوایی و زیر آب. مروری بر مفاهیم مفید از نظریه سیستم گنجانده شده است. نتایج جدیدی در مورد کنترل مشارکتی سیستم‌های خطی و غیرخطی و کنترل سیستم‌های غیرهولونومیک فردی ارائه شده است. طراحی کنترل در کاربردهای خودروهای خودمختار به طور مساوی از کنترل فرمان حلقه باز و تثبیت بازخورد یک وسیله نقلیه فردی به کنترل مشارکتی چندین وسیله نقلیه حرکت می کند. این پیشرفت به یک سلسله مراتب کنترل غیرمتمرکز می رسد که فقط به اطلاعات بازخورد محلی نیاز دارد.

تعدادی از روش های جدید ارائه شده است: پارامترسازی برای اجتناب از برخورد و بهینه سازی بلادرنگ در برنامه ریزی مسیر. کنترل ردیابی و تنظیم نزدیک به بهینه سیستم های زنجیره ای غیرهولونومیک. رویکرد ماتریسی-نظری برای تجزیه و تحلیل پایداری مشارکتی سیستم‌های شبکه‌ای خطی. استدلال مقایسه ای اجزای تابع لیاپانوف برای تجزیه و تحلیل سیستم های تعاونی غیر خطی. و طرح های کنترل تعاونی این روش‌ها برای ایجاد راه‌حل‌هایی با عملکرد تضمین‌شده برای مشکلات اساسی استفاده می‌شوند:

• برنامه‌ریزی مسیر بدون برخورد بهینه؛

• تثبیت تقریباً بهینه سیستم‌های غیرهولونومیک. و

• کنترل مشارکتی سیستم‌های دینامیکی ناهمگن، از جمله سیستم‌های غیر هولونومی. مبانی نظری و رویکردهای فنی و تأیید عملکرد طرح‌های کنترل نهایی.

محققانی که سیستم‌های غیرخطی، کنترل سیستم‌های شبکه‌ای یا سیستم‌های ربات متحرک را مطالعه می‌کنند، به انبوهی از روش‌ها و راه‌حل‌های جدید پی خواهند برد. در این کتاب بسیار مورد توجه کار آنها باشد. مهندسان طراح و ساخت وسایل نقلیه خودران نیز از این ایده ها بهره مند خواهند شد و دانشجویان این را مرجع ارزشمندی خواهند یافت.

Whether providing automated passenger transport systems, exploring the hostile depths of the ocean or assisting soldiers in battle, autonomous vehicle systems are becoming an important fact of modern life. Distributed sensing and communication networks allow neighboring vehicles to share information autonomously, to interact with an operator, and to coordinate their motion to exhibit certain cooperative behaviors. The less structured the operating environment and the more changes the vehicle network experiences, the more difficult to grapple with problems of control become.

Cooperative Control of Dynamical Systems begins with a concise overview of cooperative behaviors and the modeling of constrained non-linear dynamical systems like ground, aerial, and underwater vehicles. A review of useful concepts from system theory is included. New results on cooperative control of linear and non-linear systems and on control of individual non-holonomic systems are presented. Control design in autonomous-vehicle applications moves evenly from open-loop steering control and feedback stabilization of an individual vehicle to cooperative control of multiple vehicles. This progression culminates in a decentralized control hierarchy requiring only local feedback information.

A number of novel methods are presented: parameterisation for collision avoidance and real-time optimisation in path planning; near optimal tracking and regulation control of non-holonomic chained systems; the matrix-theoretical approach to cooperative stability analysis of linear networked systems; the comparative argument of Lyapunov function components for analysing non-linear cooperative systems; and cooperative control designs. These methods are used to generate solutions of guaranteed performance for the fundamental problems of:

• optimised collision-free path planning;

• near-optimal stabilization of non-holonomic systems; and

• cooperative control of heterogenous dynamical systems, including non-holonomic systems.

Examples, simulations and comparative studies bring immediacy to the fundamental issues while illustrating the theoretical foundations and the technical approaches and verifying the performance of the final control designs.

Researchers studying non-linear systems, control of networked systems, or mobile robot systems will find the wealth of new methods and solutions laid out in this book to be of great interest to their work. Engineers designing and building autonomous vehicles will also benefit from these ideas, and students will find this a valuable reference.