Robust Min-Max Model Predictive Vehicle Platooning With Causal Disturbance Feedback

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作者
Jianshan Zhou,Daxin Tian,Zhengguo Sheng,Xuting Duan,Guixian Qu,Dezong Zhao,Dongpu Cao,Xuemin Sherman Shen
出处
期刊:IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:23 (9): 15878-15897
标识
DOI:10.1109/tits.2022.3146149
摘要

Platoon-based vehicular cyber-physical systems have gained increasing attention due to their potentials in improving traffic efficiency, capacity, and saving energy. However, external uncertain disturbances arising from mismatched model errors, sensor noises, communication delays and unknown environments can impose a great challenge on the constrained control of vehicle platooning. In this paper, we propose a closed-loop min-max model predictive control (MPC) with causal disturbance feedback for vehicle platooning. Specifically, we first develop a compact form of a centralized vehicle platooning model subject to external disturbances, which also incorporates the lower-level vehicle dynamics. We then formulate the uncertain optimal control of the vehicle platoon as a worst-case constrained optimization problem and derive its robust counterpart by semidefinite relaxation. Thus, we design a causal disturbance feedback structure with the robust counterpart, which leads to a closed-loop min-max MPC platoon control solution. Even though the min-max MPC follows a centralized paradigm, its robust counterpart can keep the convexity and enable the efficient and practical implementation of current convex optimization techniques. We also derive a linear matrix inequality (LMI) condition for guaranteeing the recursive feasibility and input-to-state practical stability (ISpS) of the platoon system. Finally, simulation results are provided to verify the effectiveness and advantage of the proposed MPC in terms of constraint satisfaction, platoon stability and robustness against different external disturbances.
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