网络化多智能体跟踪和编队预测控制的设计与实现

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作为网络化多智能体分布式协调控制理论的研究分支,网络化多智能体的轨迹跟踪控制与编队控制问题近年来以其在军事、民用领域的广泛应用前景而愈发受到广大学者的关注。考虑到网络化多智能体系统的结构特性,即控制器、传感器、执行器以及智能体在位置上是处于空间分布状态的,因此控制系统需要借助无线通讯网络来实现各种控制信息及状态信息的传递。与此同时,无线通讯网络的引入又不可避免的会将通讯时滞与数据包丢失等现象引入到控制回路中,这些通讯问题显然会影响原有控制系统的控制性能。因此,本文研究了在通讯时滞与数据丢包情形下的网络化智能体轨迹跟踪控制问题与网络化多智能体的编队控制问题。首先,针对一类由非线性系统模型所描述的网络化智能体,提出了一种理想通讯网络情形下的本地跟踪控制律。当网络化智能体的前向通道与反馈通道中均存在不同定常时滞时,本文基于网络化预测控制的思想将上述本地跟踪控制律推广成为远程预测跟踪控制律,以主动补偿存在于双向通讯网络中的通讯时滞及连续数据丢包等问题。分别通过仿真与实验对上述控制方法进行了验证,仿真与实验结果显示所提出的远程预测跟踪控制方法能够有效补偿存在于智能体双向通讯通道中的通讯时滞。为了验证远程预测跟踪控制方法对于连续数据丢包的补偿能力,以及使得实验效果更加直观,文中设计了穿越隧道的实验。当网络化智能体穿越隧道区域时,智能体控制回路中的反馈通道出现连续数据包丢失现象,上述远程预测跟踪控制方法使得网络化智能体能够平稳的穿越隧道区域,这表明所提出的控制方法能够主动补偿连续数据丢包。其次,研究了一组网络化多智能体的主从式预测编队控制问题。当部分智能体的通讯能力受限,且各智能体的反馈通道及主从智能体间的通讯通道中均存在不同定时通讯时滞时,本文提出了一种主从式预测编队控制方法。在主从式预测编队控制问题中,所有智能体的反馈通道以及主从智能体间的通讯通道中均存在不同的通讯时滞,且仅有主智能体能够接收到编队参考运行状态。各智能体通过迭代预测的方式主动补偿自身反馈通道中的时滞,同时主智能体将预测得到的未来时刻自身状态分别发送给所有从智能体,用以主动补偿主从智能体间的通讯时滞。当全部智能体均具有较强的数据通讯能力时,本文进一步研究了一组网络化多智能体的运动协调预测编队控制问题。在该问题中,所有智能体的反馈通道以及各智能体之间的通讯通道中均存在不同的通讯时滞,每个智能体均结合接收到邻居智能体的延时状态预测自身当前时刻状态,并利用预测编队控制律给出自身控制量。由于每个智能体的控制量计算过程中都需要其它邻居智能体的预测状态,因此整个编队的抗扰动性较强。分别利用数值仿真以及网络化控制实验系统验证了两种预测编队控制方法的可行性及有效性。最后,为了实现文中所提出控制方法的实验验证,本文设计并建立了一套网络化控制实验系统。该实验系统利用Matlab中的Simulink作为控制算法的设计平台以提高控制算法的设计效率并最大限度的减小控制程序出错的概率。设计并开发了一款命名为Net Con-STM32的微小型网络化控制器,将其作为所设计Simulink控制框图的执行平台。同时,以网络化监控组态软件Net Con Top作为控制算法的监控平台,以实现对于Simulink控制框图运行状态的实时监控及在线参数配置。此外,所建立的网络化控制实验系统采用Vicon视觉定位系统作为全局传感器,设计了Vicon服务器与Net Con-STM32网络化控制器之间的通讯数据结构,以实现各智能体状态信息的采集与接收。搭建了无线局域网络来实现网络化控制实验系统中各种功能单元的数据传递,并基于此实现了整个网络化控制实验系统。
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