弱通信条件下多机器人编队控制及稳定性分析

为消除弱通信因素给多机器人编队控制系统带来的影响,基于一致性理论,提出了一种时延依赖的分布式编队控制算法.利用编队图描述机器人群体内部的网络拓扑结构,通过图的矩阵表示,基于矩阵论和控制理论研究具有通信时延的多机器人系统形成稳定的期望编队的条件.根据Lyapunov稳定性定理,得到了线性矩阵不等式(LMI)形式的时延独立和时延依赖的稳定条件,并在此基础上进一步证明采用的控制方法能够保证多机器人系统全局渐近地收敛至期望队形和期望速度.最后,通过一个多机器人编队实例对控制算法和结论进行验证.结果表明在满足系统稳定条件下,所采用的编队控制算法能够保证多机器人系统形成稳定的期望编队.     

具有通信时延和拓扑时变的多无人机姿态同步控制

针对具有二阶动力学特性的多无人机系统模型,研究了多无人机(multi-UAVs)系统在通信时延和通信拓扑结构为无向时变情况下的姿态同步问题。通过对姿态同步的一致性条件分析,将一种针对多个一般非线性系统的基于输出反馈的协同控制方法应用在采用四元数法描述的空间多个刚体姿态的协同控制系统中去,并利用姿态动力学及Lyapunov-Krasovskii泛函对该控制方案进行了理论证明。数值仿真结果表明,当通信时延、通信拓扑结构等参数随机切换时,该姿态同步控制算法能有效地保证每个飞行器在编队中能够与其他飞行器保持姿态同步的同时,还能够在有限时间内达到期望的时变姿态以及角速度。     

采用时延状态观测器的旋翼无人机自适应编队控制

针对无人机编队中的通信时延与工作引起的惯量变化,提出了一种基于时延状态观测器的旋翼无人机自适应编队控制方法。该方法利用编队结构参数确定队形,把编队控制转化为跟随无人机对虚拟无人机的轨迹跟踪;考虑精确的无人机动力学模型,并据此设计变时延状态观测器,对领航无人机的状态进行观测和补偿;针对补偿后的被控对象,设计自适应滑模编队控制器,并估计变负载工作状态下的质量和惯量。两组仿真结果表明:该方法对编队飞行中变质量变惯量行为的自适应误差小于6%,稳态时延状态的观测误差趋近0,体现出较好的控制精度和鲁棒性,具有很好的工程应用前景。     

Leader-following多智能体网络分布式编队控制

针对多智能体固定拓扑网络,考虑无时延和有时延两种情况,研究了多智能体网络的分布式编队控制协议.首先,针对无通信时延的多智能体网络,提出了分布式编队控制协议,利用Lyapunov稳定理论,给出了协议有效的充分条件.然后,考虑时变通信时延,利用Lyapunov-Krasovskii函数证明了协议的有效性.最后,利用仿真实验证明了所设计协议的有效性.本文的创新点是对二阶多智能体网络设计分布式编队控制协议时考虑了速度一致性.     

基于一致性的无人机编队飞行几何构型控制

本文研究群体无人机系统编队飞行中的几何构型控制问题。采用一阶运动学模型进行系统描述,用有向图来表示其通信网络结构,将领导者-跟随者控制结构和一致性跟踪理论相结合,提出了一种协同控制算法,在不需要每台无人机都能接收到领导者状态信息的情况下,使无人机在编队飞行过程中改变几何构型的同时还可以相应改变行进方向。最后通过仿真验证了该控制算法的有效性。     

具有变通信时延的多智能体系统的平均一致性

把一致性增益引入到一致性协议中,利用线性矩阵不等式(LMI)方法,给出了具有时变通信延迟的多智能体系统达到一致的充分条件.分析了当多智能体系统的网路拓扑是强连通平衡图且通信时延具有合适的上界时,带有有界时变延迟的多智体系统的平均一致性问题.证明了当在协议中引入一致性增益时,对于具有不同通信时延的多智能体系统,若时变通信时延的上界满足一定条件,则不论网络拓扑是不变的还是切换的,系统都能够达到平均一致,并且可通过求解线性矩阵不等式得到时变时延的上界.对于具有变时延的多智能体系统,存在相应的时延上界使得系统达到一致.所得结论对于具有时变拓扑网络的多智能体系统也成立.     

具有通信约束的分布式水下航行器群编队控制

提出了具有通信约束的分布式水下航行器群编队控制算法.证明了在水下航行器群构成的动态网络拓扑为连接图的情况下,当航行器间的通信时延小于某个确定的上界时,该编队控制算法将以分布的方式使得群内所有航行器的速度和编队队形分别全局渐近地收敛至期望速度和期望队形.该算法的分布式本质使得水下航行器问的通信负担明显减轻,数值仿真结果验证了控制算法的有效性.     

三维编队飞行模型建立及自适应鲁棒控制

以张量分析为工具建立无人机编队飞行相对运动模型,用飞行中外界干扰的估计值构造系统能量函数,根据Lyapunov稳定判据,提出一种无人机编队飞行队形保持的自适应鲁棒控制律。研究表明：无人机编队飞行张量模型具有广泛的适用性;为无人机编队飞行深层问题研究、克服标架奇点引起的计算障碍等提供了新途径;提出的控制律简单,有效。     

基于一致性算法的无人机协同编队避障研究

基于人工势场方法,提出了一种双向网络连接结构的多无人机一致性避障控制算法。该算法能够有效避免无人机之间以及无人机与障碍物之间发生碰撞,实现协同编队飞行,完成任务。将所提出的一致性算法与"长机-僚机"控制策略结合起来应用到编队控制中,能够避免无人机之间以及无人机与障碍物之间发生碰撞,确保无人机编队收敛。文中以3架无人机构成正三角形编队作为控制对象,以长机飞行轨迹作为期望路径,僚机跟踪长机保持正三角形编队飞行,且无人机之间以及无人机与靠近障碍物内侧的僚机与障碍物保持安全距离,长机和僚机在水平面具有相同的前进速度和航向角速率,在垂直方向保持相对距离不变。通过仿真实验验证了所提出的控制算法的有效性,对工程应用具有一定的借鉴意义。     

迭代学习在多智能体编队中的控制研究

针对具有控制时延的非线性多智能体系统模型,设计了一种能够实现其稳定编队的迭代学习控制算法.首先,建立单个智能体的动态特性,根据多智能体的拓扑连接结构,将多智能体编队控制问题转化为跟踪问题.其次,针对每个智能体设计形式统一的迭代学习控制器,根据每个智能体不同的动态特性,选取合适的学习增益矩阵.最后,基于λ范数理论证明了算法的收敛性.由于该迭代学习控制算法放宽了对迭代初值的限定,使其达到在任意常值初态条件下的稳定控制,从而满足了各个智能体在初始位置随机分布时的编队控制要求.仿真结果证明了文中所给算法的有效性.     

离散多智能体系统的分布式编队跟踪控制

本文研究了离散多智能体系统在固定有向拓扑中的分布式编队控制,同时假设此系统跟踪时变参考状态。首先,针对一阶系统设计了控制协议,给出了系统稳定时协议参数需满足的充要条件,结果表明,跟踪误差的上限正比于采样周期。其次,针对二阶系统,考虑了速度一致性,其编队控制协议可用同样的方法研究。最后通过仿真,结果证明了所设计协议的有效性。     

瞬时耦合二阶多体系统的一致性及时滞效应

对于二阶多智能体,提出一种具有输入和通讯时滞的脉冲控制算法,分析可得这一算法的一致性准则. 同时讨论了输入时滞和通讯时滞对二阶多体系统的一致性能的影响. 结果表明,在确定二阶多体系统的一致动力学方面,通讯时滞比输入时滞有更重要的作用. 具体而言,没有通讯时滞时,二阶多体系统达到了动态一致,即个体的速度是一个非零常数;然而,只要有通讯时滞,在一定条件下系统的速度一致状态就是零.此外,发现一个更有趣的事实是,在无向网络拓扑作用下,通讯时滞或输入时滞将增强二阶多体系统的同步性能. 最后用一些数值仿真验证了理论结果的有效性.     

基于一致性理论之飞机群运动控制

提出了一种新的基于平均状态信息的一致性算法,把它应用到一阶系统和二阶系统。应用频域中的分析方法,得到了系统收敛速度的充分条件。由于通信网络中不可避免的存在个体本身和其他个体之间的时滞问题,在此进一步分析了在具有时滞的条件下,系统使用所提出的一致性算法的稳定性问题。针对二阶多智能体系统,首先提出在无向网络下平均状态一致性算法,基于给定的条件,分析得到了系统能够达到静态一致和动态一致的充分条件。最后,将提出的算法在多飞机群的编队控制中进行了应用。     

三阶时滞多智能体系统二分一致性分析

对带有相同输入时滞的,有竞争关系的三阶多智能体系统的二分一致性进行研究.根据连通二部图的特征,提出一种基于竞争的三阶时滞多智能体系统控制算法.基于奈奎斯特稳定判据,给出多智能体系统实现二分一致性的充要条件,提出多智能体系统实现二分一致性的最大时滞与系统的拉普拉斯矩阵特征值的代数关系,并进行数值仿真实验.结果表明:通过文中算法,三阶时滞多智能体系统能够实现二分一致性.     

一类线性时变时滞不确定系统的鲁棒稳定性和H∞性能

讨论了一类具有不匹配不确定性的线性时变时滞系统的鲁棒稳定性和鲁棒H∞性能问题,对于给定的不确定性,以矩阵不等式的形式给出了时变时滞不确定系统渐近稳定的条件和系统满足H∞性能的条件.     

变采样周期网络控制系统的量化状态反馈控制

研究了一类具有变采样周期的网络控制系统的量化状态反馈控制问题.将从传感器到控制器的随机时延作为系统的时变采样周期,通过将具有时变采样周期、随机时延和量化器的网络控制系统建模为M arkov跳变系统,利用李雅普诺夫稳定性理论和线性矩阵不等式方法给出了系统指数均方稳定的充分条件,并设计了一种量化状态反馈控制器.通过仿真算例说明了所提方法的有效性.     

离散时延系统的鲁棒稳定性和镇定问题

文章研究了切换线性离散时间系统的鲁棒稳定性和镇定问题．在研究中参数不确定性是时变的但是范数有界的,并且假设时延是时变的和有界的,这包含了常数时延和模型依赖常数时延这些特殊情形．首先,得到一个保证不确定系统稳定的充分条件．其次,设计了一个能够保证所得的闭环系统对所有允许的不确定性是稳定的控制率．提出一个线性矩阵不等式方法和一个锥补线性化算法来解决上面所提的问题．给出一个数值例子来说明所得理论的潜在应用．     

Sufficient Condition for Average Consensus of Directed Networked Multi-agent Systems with Time Delays

The average consensus problem in a directed network of multi-agent systems with communication time delays was investigated. The directed networks were balanced and weakly connected with fixed or switching topology digraph. Based on frequency domain analysis method. a sufficient condition of asymptotic stability of multi-agent systems with time delays was obtained. where the analytic formula between the maximum time delay and the directed network structure was provided. The maximum time delay can be derived directly and easily by the eigenvalue of Laplacian L. Numerical examples confirm the effectiveness of the proposed technique.