基于一致性协议的多智能体系统编队控制研究

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近年来,多智能体系统的协调控制已经受到科学界的广泛关注,且被应用于卫星编队飞行、无人飞行器协作追踪、空中交通的管制中。多智能体系统的关键问题是如何提出一种基于本地信息的分布式控制策略,以使所有智能体的状态信息达到一致,即一致性问题。本文主要研究多智能体系统的二阶一致性问题,针对多智能体系统的二阶动力学模型,设计合适的一致性协议,使多智能体系统的状态收敛到一致,并进行适当的变形,将其应用到多智能体系统的编队控制中。本文的主要研究工作和成果如下:一、针对多智能体系统的二阶动力学模型,在智能体信息采集不存在时延且信息交换拓扑固定的情况下,研究二阶一致性问题。引入固定的标准位移跟踪量,提出一个简单的二阶一致性协议,使每个智能体的状态信息渐近收敛到给定的标准跟踪量,并利用Lyapunov间接判别法给出多智能体系统二阶一致性收敛的参数选择条件。最后,以4个智能体为例,选取适当的参数进行一致性仿真和编队控制仿真,验证我们提出的二阶一致性协议的有效性。二、研究多智能体二阶动力系统的二阶一致性问题,对一致性协议进行改进,忽略邻近智能体间速度偏差的相互影响,提出一个简单的二阶一致性协议,使二阶动力系统达到一致且一致性协议更简单。基于代数图论和矩阵分析原理给出其达到状态一致的充分必要条件及充分条件。应用本文提出的基于相对位移偏差和标准速度偏差的二阶一致性协议,实现两个多智能体系统的编队控制。仿真结果验证所提的简单的二阶一致性协议是有效的。三、综合第一研究点和第二研究点,既考虑智能体的实际位移与标准位移之间的偏差,又考虑邻近智能体间位移的相互影响,提出基于位移差补的二阶一致性协议。依然利用矩阵分析和图论知识来证明所提的基于位移差补的二阶一致性是收敛的,给出参数选择条件。值得注意的是,与第二个研究点相比,矩阵Σ的特征值不存在零特征值(所有特征根都存在负实部),而在第二个研究点中,矩阵必然存在一个零特征值,因此,基于位移差补的一致性协议是渐进稳定的,且收敛速度比基于相对位移偏差和速度偏差的一致性协议快,仿真结果验证了所提方案的有效性和优越性。
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