基于采樣信息交換的多Euler-Lagrange系統(tǒng)分布式一致性研究.pdf

1、近年來，伴隨著計算機技術(shù)與通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，多智能體系統(tǒng)受到了學者的廣泛關(guān)注。針對多智能體系統(tǒng)的研究已經(jīng)逐步從理論領(lǐng)域走向了工程應(yīng)用，其中包括傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作、空間飛行器群的姿態(tài)控制、無人機群及水下機器人群的編隊控制等。作為多智能體系統(tǒng)中一個基本且重要的研究分支，多智能體系統(tǒng)的一致性問題成為了一個熱門的研究領(lǐng)域?？傮w而言，一致性問題的控制目標是通過智能體間的信息交換達成某種整體趨同。
　　由于Euler-Lagrange方程

2、可以用來描述許多具有復(fù)雜非線性及強耦合的物理系統(tǒng)，多Euler-Lagrange系統(tǒng)的一致性問題引起了學者越來越多的研究興趣并且取得了初步的成果。需要指出的是，現(xiàn)有理論研究結(jié)果嚴重依賴于多Euler-Lagrange系統(tǒng)間實現(xiàn)連續(xù)信息交換這一理想假設(shè)。遺憾的是，在現(xiàn)有技術(shù)條件下建立連續(xù)時間通信網(wǎng)絡(luò)仍然存在著基礎(chǔ)性的難題，尤其是對于長距離通信或者無線通信的情況。此外，由于多智能體系統(tǒng)中的個體大多情況下是能量有限的，多智能體系統(tǒng)的能量消耗問

3、題變得不容忽視。從通信能量分析的角度，連續(xù)時間信息交換需要不間斷地占用通信通道，需要消耗相當可觀的能量。因此，設(shè)計一種更加貼近實際并且具有更高能效比的信息交換方案具有重要的理論及現(xiàn)實意義。
　　針對以上問題，本文提出了一種采樣信息交換機制用于解決多Euler-Lagrange系統(tǒng)的一致性問題，并且圍繞著這一機制分別討論了信息交換過程中發(fā)生的隨機采樣、時變傳輸時滯以及具有一定概率發(fā)生的傳輸時滯等現(xiàn)象，主要的研究工作可以概括為下述幾個

4、方面：
　　利用采樣保持機制設(shè)計了一種采樣信息交換策略，在此基礎(chǔ)上研究了有向通信拓撲下多Euler-Lagrange系統(tǒng)的分布式一致性問題，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。由于采用離散時間信息交換取代了常見的連續(xù)時間信息交換，信息的傳輸更加可靠并且適用于實際的通信網(wǎng)絡(luò)。分別針對存在外部有界擾動與參數(shù)不確定性的情況設(shè)計了分布式一致性協(xié)議并相應(yīng)地建立了實現(xiàn)一致性所需要的充分性條件。此外，給出了計算容許采樣周期上界最大值的優(yōu)化算法。最后具體通過

5、有向通信拓撲下6自由度水下機器人的編隊控制以及空間飛行器編隊的自適應(yīng)姿態(tài)同步兩個例子證明了所設(shè)計的一致性算法的有效性與適用性。值得一提的是，仿真結(jié)果表明了本文提出的采樣信息交換機制可以有效地降低多Euler-Lagrange系統(tǒng)在實現(xiàn)一致過程中的通信能量消耗。
　　在上述研究內(nèi)容的基礎(chǔ)上，針對采樣周期在實際應(yīng)用中出現(xiàn)的時變現(xiàn)象，討論了具有隨機采樣周期的采樣信息交換機制。通過引入隨機變量采用概率模型來描述采樣周期的變化，在有向通信拓

6、撲下設(shè)計了分布式一致性協(xié)議。給出了隨機采樣信息交換下多Euler-Lagrange系統(tǒng)實現(xiàn)一致的充分性條件。所得到理論結(jié)果通過多機械臂姿態(tài)同步的問題進行驗證。仿真結(jié)果顯示，所設(shè)計的控制方法取得了良好的控制效果。此外，進一步對比了采樣信息交換與連續(xù)信息交換機制在實現(xiàn)一致過程中的通信能量消耗與時間消耗。
　　由于時滯的影響會降低多Euler-Lagrange系統(tǒng)的一致性能甚至破壞一致性，討論了信息交換過程中存在的傳輸時滯問題。研究了有

7、向通信拓撲下具有單向時變傳輸時滯的分布式一致性協(xié)議并且給出了時滯依賴的充分性條件以確保多Euler-Lagrange系統(tǒng)實現(xiàn)一致性。值得注意的是，所建立的條件不對傳輸時滯的導(dǎo)數(shù)做限制，因此得到的結(jié)果更加貼近工程實用。在所得到結(jié)果的基礎(chǔ)上，將所設(shè)計的一致性協(xié)議拓展至切換通信拓撲的情況。仿真例子證明了所設(shè)計的控制方案在切換通信拓撲下的有效性與良好的可擴展性。
　　深入研究了信息交換過程中帶有一定概率發(fā)生的傳輸時滯，給出了更加符合實際的