智能群體系統(tǒng)集群行為的動力學建模與分析及其仿真研究.pdf

1、集群是一種普遍存在的自然現(xiàn)象，是對現(xiàn)實世界中的群居性生物群體和人工群體所呈現(xiàn)出的有序集群行為的一種高度抽象。群由數(shù)目龐大的相互作用的個體組成，其本質特征是其個體具有較少智能或沒有智能，但由于個體之間的交互作用而自底向上涌現(xiàn)出集群智能，體現(xiàn)了生物進化及智能體間分布式協(xié)調合作機制等的內在原因。智能群體系統(tǒng)本質上是一種復雜適應系統(tǒng)。
　　 集群智能控制研究的是智能群體系統(tǒng)的運動行為的軟控制。而由多個智能個體耦合而成的多智能體系統(tǒng)經(jīng)由相

2、互的分布式協(xié)調合作機制可實現(xiàn)對復雜系統(tǒng)的控制。多智能體系統(tǒng)的控制問題與智能群體系統(tǒng)的集群運動控制問題之間有著天然的內在聯(lián)系。多智能體分布式協(xié)調合作控制問題的目標是使多智能體達到一致，這與集群智能控制系統(tǒng)的研究目標相符合。近年來，一致性問題的研究重點在于研究一致性機制在具體的智能群體工程應用中的性質，如同步、編隊、集群、蜂擁、聚集等相關的一致性問題。
　　 本文針對智能群體系統(tǒng)運動行為的軟控制，通過建立反映群居性生物群體集群行為的

3、涌現(xiàn)機制與一致性問題之間的映射關系為紐帶，將從前者中抽取的群體運動規(guī)律作為智能群體系統(tǒng)的動力學建模和協(xié)調行為的軟控制工具，然后結合一致性機制應用中由遷移、蜂擁行為延伸出的避碰、避障、編隊、目標跟蹤、覆蓋搜索等主要環(huán)節(jié)的需求，進行軟控制策略設計及其仿真研究。圍繞這些內容所進行的主要工作如下：
　　 (1)借鑒群居性生物的感知能力和交互能力，建立了集群系統(tǒng)運動行為分析的基本框架，給出了集群行為動態(tài)特性與一致性問題之間的映射關系，從而

4、揭示了智能群體系統(tǒng)的協(xié)調控制與一致性應用機制之間的內在聯(lián)系。
　　 (2)生物群體的集群行為中蘊涵著潛在的內部運行機理。為便于群體系統(tǒng)運動規(guī)律的分析，文中采用空間法建模中的拉格朗日框架和歐拉框架，分別構建了三種不同類型的智能群體動力學模型。同時，針對不同的感知環(huán)境，就有限感知、全局感知、各向同性、各向異性、隨機干擾、有無時延等情形，分別對這三類模型進行了細化和描述。并在對有限感知和指數(shù)型隨機兩類拉格朗日模型處于不同情形下的控制律

5、進行分析的基礎上，就其集群行為進行了仿真測試，驗證了這兩類模型的正確性和有效性。
　　 (3)從控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析著手，從理論上證明了有限感知、指數(shù)型隨機和互惠擴散三類集群系統(tǒng)模型的聚集性與穩(wěn)定性。并針對智能群體系統(tǒng)協(xié)調行為的軟控制中涉及到的避障、編隊、抑噪、目標跟蹤、覆蓋搜索等一致性應用問題，就有限感知、指數(shù)型隨機這兩類集群系統(tǒng)模型分別進行了檢驗其軟控制性能的仿真測試。仿真結果表明，這兩類智能群體系統(tǒng)模型均具有良好的穩(wěn)定性。