非線性、量化和結構約束的多智能體協(xié)同控制研究.pdf

1、多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制在多機器人編隊、分布式傳感器網(wǎng)絡、多無人機協(xié)同作戰(zhàn)以及分布式優(yōu)化等方面具有廣闊的應用前景，因而受到研究人員的廣泛關注。近年來對該問題的研究無論從廣度還是深度上都還在繼續(xù)，但從理論研究走向實際應用的過程中還存在諸多挑戰(zhàn)。論文將圍繞著智能體模型，信息傳輸以及關聯(lián)結構等三個關鍵要素去研究具有非線性動力學、量化通信以及結構約束情況下的多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制問題，主要工作及創(chuàng)新點如下：
　　針對有向拓撲結構，論文研究了有向

2、邊拉普拉斯矩陣及其對多智能體系統(tǒng)建模相關問題。論文首先拓展了邊拉普拉斯矩陣的圖論概念并深入探索其相關代數(shù)性質，使其能夠用于描述有向圖的邊關聯(lián)關系，并接著建立了基于邊狀態(tài)的多智能體系統(tǒng)模型。隨后，深入揭示了多智能體系統(tǒng)本質上是由生成樹和生成余樹構成的互聯(lián)反饋系統(tǒng)。最后，基于生成余樹可由生成樹經(jīng)線性變換得到的觀察對多智能體系統(tǒng)進行模型降階。
　　針對具有非線性動力學的多智能體系統(tǒng)，結合代數(shù)圖論和環(huán)路小增益定理研究了在有向拓撲條件下局部

3、利普希茨連續(xù)的二階非線性多智能體系統(tǒng)一致性問題。結合基于邊拉普拉斯矩陣建模的降階多智能體系統(tǒng)并利用反步法將二階非線性多智能體系統(tǒng)建模為反饋互聯(lián)系統(tǒng)，隨后設計分布式一致性協(xié)議保證每個子系統(tǒng)是輸入狀態(tài)穩(wěn)定的并給出收斂需要滿足的增益條件，最后通過使用環(huán)路小增益定理得出多智能體系統(tǒng)漸進穩(wěn)定的結論。
　　對于考慮量化通信條件下的多智能體系統(tǒng)，分別研究了靜態(tài)量化和動態(tài)量化兩種情況下的有向拓撲二階多智能體系統(tǒng)一致性問題。對于使用均勻量化器和對數(shù)

4、量化器的二階多智能體系統(tǒng)，論文分析了達成量化一致性協(xié)議的收斂條件，并進一步揭示了收斂半徑和收斂速度等性能指標與量化步長之間的具體數(shù)值關系。為進一步減小通信量并實現(xiàn)更高量化精度，論文接著探討了動態(tài)量化二階多智能體系統(tǒng)一致性問題，通過設計量化反饋一致性協(xié)議實現(xiàn)了二階多智能體系統(tǒng)的漸進穩(wěn)定性。
　　受到海豚環(huán)繞捕獲目標魚群的生物學啟發(fā)，論文結合方位剛性理論探索了仿生多智能體協(xié)同環(huán)繞圍捕控制問題和環(huán)航控制問題。首先通過使用方位剛性圖論將協(xié)

5、同環(huán)繞捕獲控制問題等同于受到時變方位約束的目標編隊。進而，為實現(xiàn)多智能體編隊環(huán)繞移動目標運行并同時使編隊尺度逐漸收縮的環(huán)繞圍捕機制，論文通過引入正交投影算子設計了分布式環(huán)繞圍捕控制律。然后，結合李雅普諾夫方法和小增益定理分別針對環(huán)繞圍捕控制中編隊環(huán)繞，編隊跟蹤和編隊收縮三項控制任務進行穩(wěn)定性分析。在環(huán)繞圍捕控制的基礎上引入與目標之間的距離約束來設計相應的分布式環(huán)航控制律，最終實現(xiàn)多智能體編隊以給定半徑環(huán)繞某個目標區(qū)域或者移動目標運行的環(huán)