二阶多智能体系统的编队控制问题研究

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在过去的几十年中,多智能体系统的分布式协同控制引起了广泛关注。这主要是因为它在服务机器人、危险环境探测、军事监视侦察、灾难现场搜救、航天器编队飞行等领域有着广泛的应用。编队控制是多智能体系统的分布式协同控制中最活跃的研究课题之一,其应用领域涉及协同监视、查源、无人机等多个领域。另外,在实际中,二阶多智能体系统是一类很广泛的多智能体系统,如无人驾驶的空中飞行器、水下航行器等。目前,二阶多智能体系统是编队控制研究的一个重要模型。因此,对二阶多智能体系统的编队控制问题的研究有重要的理论和实际意义。考虑到未来更加广泛的网络和智能体数量增加的趋势,需要降低计算成本和数据传输,以及由于物理、安全或技术的限制等,本文主要研究了基于事件触发机制的二阶多智能体系统的编队控制问题,及输入饱和约束下的二阶多智能体系统的编队控制问题。并提出了几类线性/非线性二阶多智能体系统的编队控制协议。具体来说,本文的主要研究内容和创新点概述如下。1.基于位置采样数据的二阶多智能体系统的事件触发编队控制。研究了具有位置采样数据的二阶多智能体系统的事件触发编队控制问题。首先,针对基于位置采样数据的编队控制问题,提出了两类事件触发编队控制策略。这些事件触发编队控制策略允许在随机采样时刻间歇性地检查事件触发的条件,其中数据传输由事件触发控制协议驱动。在此框架下,同时考虑了时不变和时变两种编队控制问题。然后,基于代数图论和矩阵论,给出了保证二阶多智能体系统达到属于可行性编队集的理想编队的充分条件。仿真结果表明了理论分析的有效性。2.输入饱和约束下的一类二阶多智能体系统的事件触发编队跟踪控制。针对二阶多智能体系统,提出了各智能体受输入饱和影响的编队跟踪控制协议。首先,利用低增益状态反馈技术,在编队跟踪可行性条件成立的条件下,证明了输入饱和约束下的二阶多智能体系统能够实现半全局编队跟踪控制。其次,为了减少通信负载,把事件触发控制策略应用到所考虑的系统。结果表明,该方法保证能够完成半全局编队跟踪控制,并避免了Zeno现象。最后,通过仿真实例验证了理论计算结果。3.输入饱和约束下的一类二阶切换多智能体系统的时变编队跟踪控制。针对一类具有切换拓扑结构的二阶多智能体系统,分别用双积分器和谐波振荡器对智能体动力学进行了建模,研究了时变编队跟踪问题。每个多智能体都具有输入饱和。首先,利用低增益状态反馈技术,设计了一种求解半全局时变编队跟踪问题的算法,介绍了时变编队跟踪的的可行性条件。然后,利用李雅普诺夫函数和低增益反馈理论,证明了具有切换拓扑结构的二阶多智能体系统在满足一定条件的情况下,能够实现指定的半全局时变编队跟踪。在此基础上,进一步考虑了联合连通切换拓扑结构,并探讨了相应的编队跟踪问题。最后给出了几个仿真实例进行说明。4.事件触发机制下的具有多个领航者的编队控制。研究了二阶非线性多智能体系统的多领航者的事件触发编队控制问题。所提出编队控制策略允许在采样时刻间歇地检查事件触发条件,其中数据传输由事件触发控制协议驱动。在此基础上,提出了两种不同的编队控制协议。然后,给出了保证二阶非线性多智能体系统完成理想编队的充分条件。最后,通过仿真算例验证了理论分析的有效性。
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