非完整多智能体系统的蜂拥控制问题研究

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蜂拥现象广泛存在于生物群落中,系统、深入地研究蜂拥控制问题,不仅有助于揭示生物群落蜂拥行为的内在机理,还能够为多机器人编队、无人机组网、无线传感器网络等人造工业系统的协同运作提供理论依据与技术指导。因此,对其研究具有重要的理论意义和实际应用价值。基于此,本文针对二维、三维非完整多智能体系统,基于对其强非线性特性的分析,通过设计相应的控制协议,利用图论、稳定性理论以及多智能体系统协同控制相关理论,论证并实现了不同类型非完整多智能体系统的蜂拥控制、姿态同步型蜂拥控制以及多蜂拥控制。主要内容包括:  针对虚拟领导者动力学模型未知、只有部分智能体能够感知到其状态的情形,研究了二维非完整多智能体系统的分布式蜂拥控制问题。基于邻居智能体的相对速度和相对头角信息,分别针对固定拓扑和切换拓扑设计了相应的分布式非连续控制协议;基于理论分析可知,在未使用基于位置信息的势能函数仅基于相对速度和头角信息,分别实现了固定拓扑和切换拓扑下智能体间状态的指数同步,同时确保了智能体间的避撞性以及整个智能群体的聚合性。  针对固定线速度下的三维非完整系统模型,基于邻接图理论,研究了三维非完整多智能体系统的分布式蜂拥控制问题。分析了线速度为常数的三维非完整系统模型的非线性特性,论证了对应的非线性函数满足利普希茨特性,并得到了相应的利普希茨常数;设计了仅使用相对姿态信息的线性控制协议,实现了三维非完整多智能体系统的指数蜂拥控制;并在未使用智能体的位置信息下确保了智能体间的避撞与通讯拓扑的连通性,节省了通讯能量;在讨论智能体间的避撞时,充分考虑到每个智能体的体积因素,设定了一个可调节的最小相对距离值;此外,通过数值仿真说明了所设计控制协议在呈现小通讯时滞下仍然能实现三维非完整多智能体系统的快速蜂拥控制。  针对线速度为时变的情形,即一般三维非完整系统模型,研究了一般三维非完整多智能体系统的姿态同步型蜂拥控制问题。分析、论证了线速度为时变的三维非完整系统模型其非线性函数并不满足利普希茨特性;在未使用智能体的位置信息下,仅使用相对速度和姿态信息设计了相应的线性控制协议,分析得到了在该控制协议下运动学模型中的非线性项满足利普希茨特性;讨论智能体间的避撞时,充分考虑到每个智能体的体积因素,设定了一个可调节的最小相对距离值;获得了指数收敛的姿态同步型蜂拥控制的充分条件,同时维持通讯拓扑的连通性。  针对实际应用中多目标、多任务等相关作业需求,研究了二维非完整多智能体系统的多蜂拥控制问题。考虑到实际系统的质心与驱动点往往是不重合的,因此所研究的多智能体的系统模型是一般的二维非完整系统;进一步释放了常用的关于速度的持续激励条件的假设,基于更弱的假设条件:线速度与角速度不同时为零。基于多蜂拥控制要求,设计了一类新的势能函数;基于智能体的邻居信息,设计了不需要任何全局信息的完全分布式的有界控制协议;运用邻接图理论和Barbalat引理,证明了二维非完整多智能体系统在所设计的分布式控制协议下最终实现了多蜂拥行为,同时保持每个子系统通讯交互的连通性,以及整个系统的避撞性。
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