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网络化多自主体系统分布式编队算法研究

李旭  
【摘要】:多自主体系统凭借其空间上的分布性、执行任务时的并行性,以及其较强的容错能力和可扩展能力,受到了学术界和工业部门的高度关注,并广泛应用于军事、生产和生活等诸多领域。编队控制是自主体系统研究的基本问题之一,也是多自主体系统众多应用的理论前提,但是多自主体系统在完成编队任务过程中可能遇到的通信时延、信息丢包、拓扑切换、能量浪费等问题严重影响了该系统在工程实践中的应用。本文针对上述问题进行了研究,主要内容如下: 首先,针对存在部分状态信息不可测和通信时延的二阶连续多自主体系统,通过设计分布式速度观测器研究了切换通信拓扑条件下leader-follower编队控制问题。在不存在时延和存在时变时延两种情况下对比研究了时延对系统性能的影响。设计的速度观测器和控制协议能有效地观测系统中自主体的速度、控制系统在动态环境中完成编队。为保证结论的严谨性,运用Lyapunov-Razumikhin理论证明了系统的收敛性、给出了系统稳定收敛情况下的时变时延上界。 其次,针对存在网络拓扑实时变化和过多能量消耗的二阶连续多自主体系统,通过设计链路保持函数和拓扑优化算法研究了自主编队问题。在假设初始通信拓扑连通条件下,设计了基于势场函数和一致性协议的编队控制策略,并运用Lasalle’s不变集理论对系统的收敛性进行了分析。随后引入无线网络问题中的拓扑优化思想,设计的拓扑优化策略有效地降低了通信复杂度减少了能量消耗。 最后,针对理论研究与实际应用中系统模型不一致情况,通过采样控制方法将二阶连续系统离散化得到二阶离散多自主体系统模型,研究了该系统下的目标追踪编队控制问题。分固定拓扑和离散拓扑两种情况研究了完成任务过程中需要满足的条件。分析了系统模型在没有输入时的稳定性,给出了离散化过程中采样间隔需满足条件的充分性和必要性证明。


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