多自主體編隊(duì)及協(xié)調(diào)控制研究.pdf

1、多自主體系統(tǒng)整體呈現(xiàn)較為復(fù)雜的協(xié)調(diào)行為，而自主體之間的交互作用是局部的。當(dāng)前，不論是非線性個(gè)體之間的有限時(shí)間同步還是多自主體系統(tǒng)的有限時(shí)間一致性，研究成果都比較少；各種隊(duì)形控制方法在實(shí)際應(yīng)用中精度不高且穩(wěn)定性不強(qiáng)；路徑規(guī)劃算法在特定編隊(duì)?wèi)?yīng)用背景下容易失去全局最優(yōu)解。所以多自主體編隊(duì)及協(xié)調(diào)控制問(wèn)題的研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文采用時(shí)間依賴的連續(xù)狀態(tài)反饋協(xié)議，解決了多自主體系統(tǒng)有限時(shí)間一致性和非線性個(gè)體之間有限時(shí)間同步的問(wèn)

2、題；基于同步和一致性理論，實(shí)現(xiàn)了多自主體系統(tǒng)隊(duì)形精確穩(wěn)定控制；以精確穩(wěn)定編隊(duì)為基礎(chǔ)，提出了基于切換拓?fù)浜完?duì)形變換的沿墻導(dǎo)航人工勢(shì)場(chǎng)算法，改善了編隊(duì)路徑規(guī)劃算法容易陷入局部最優(yōu)的缺陷。
　　利用具有時(shí)變?cè)鲆娴倪B續(xù)狀態(tài)反饋協(xié)議解決了非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的有限時(shí)間同步問(wèn)題，得到了非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)有限時(shí)間同步的一個(gè)充分條件。針對(duì)幾類分?jǐn)?shù)階非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的投影同步問(wèn)題，采用把分?jǐn)?shù)階非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為等效整數(shù)階模型，進(jìn)而在這個(gè)整數(shù)階模型上，利用L

3、yapunov穩(wěn)定性理論，設(shè)計(jì)狀態(tài)誤差反饋策略實(shí)現(xiàn)主從系統(tǒng)的投影同步。多自主體系統(tǒng)中的個(gè)體通常呈現(xiàn)非線性動(dòng)力學(xué)行為，因此非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)同步問(wèn)題可以認(rèn)為是多自主體系統(tǒng)一致性的一種特例。本文在非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)同步和有限時(shí)間同步問(wèn)題的研究，不僅可為整數(shù)和分?jǐn)?shù)階非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的相關(guān)問(wèn)題給出有效的解決方案，也為后續(xù)章節(jié)提供了理論基礎(chǔ)和求解思路。
　　針對(duì)多自主體系統(tǒng)有限時(shí)間一致性問(wèn)題，本文分別對(duì)有向圖和無(wú)向圖進(jìn)行了分析，得到了一組基于時(shí)

4、間依賴的連續(xù)狀態(tài)反饋協(xié)議的充分條件，可以使一階和二階多自主體系統(tǒng)在有限時(shí)間內(nèi)達(dá)到一致性。目前已有的多自主體有限時(shí)間一致性方法大多是通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)提高 Laplacian矩陣的第二最小特征值，而本文采用的方法是從協(xié)議性能出發(fā)，不需要調(diào)整系統(tǒng)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有算法簡(jiǎn)單、收斂時(shí)間可以預(yù)先設(shè)定、適應(yīng)面廣等優(yōu)點(diǎn)。
　　針對(duì)不同時(shí)滯及切換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多自主體系統(tǒng)，在滿足給定魯棒性能指標(biāo)的條件下，本文利用線性矩陣不等式（LMI）提出了

5、一階多自主體系統(tǒng)達(dá)到一致性的一個(gè)充分條件。噪聲干擾、通信延遲和拓?fù)淝袚Q都是實(shí)際自主體編隊(duì)和協(xié)調(diào)控制中需要面對(duì)的問(wèn)題，本文提出的方法有助于分析外部干擾對(duì)多自主體系統(tǒng)一致性的影響，從而提高系統(tǒng)抗干擾能力。
　　本文采用基于同步和一致性理論的編隊(duì)圖方法解決了多自主體系統(tǒng)隊(duì)形控制的問(wèn)題。以一階和二階多自主體系統(tǒng)的一致性理論保證了隊(duì)形控制的穩(wěn)定性，從期望的隊(duì)形結(jié)構(gòu)出發(fā)設(shè)計(jì)的編隊(duì)圖保證了隊(duì)形的準(zhǔn)確性，僅需要少量相鄰個(gè)體的信息交互就可以實(shí)現(xiàn)整體

6、隊(duì)形的一致。用Matlab對(duì)水中機(jī)器人編隊(duì)和無(wú)人機(jī)編隊(duì)進(jìn)行了仿真，并在水中機(jī)器人2D仿真平臺(tái)和硬件平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　本文針對(duì)傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法用于編隊(duì)路徑規(guī)劃時(shí)存在的兩個(gè)明顯缺陷分別提出了改進(jìn)方案。提出了基于切換拓?fù)浜完?duì)形變換的沿墻導(dǎo)航的改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法來(lái)防止傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法陷入局部最優(yōu)；提出了利用“當(dāng)前統(tǒng)計(jì)”模型自適應(yīng)目標(biāo)跟蹤算法來(lái)預(yù)測(cè)機(jī)動(dòng)障礙物狀態(tài)，用于更新勢(shì)場(chǎng)函數(shù)的改進(jìn)方法，解決了傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)沒(méi)有跟蹤預(yù)測(cè)，容易