基于距离的多自主体系统刚性编队控制研究

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近年来,多自主体系统分布式协调控制问题已持续成为国内外不同学科领域研究者的关注点,这是由于其在工业、军事、国防、生活和深空等领域有着广泛的应用背景。在多自主体系统分布式协调控制中,一个重要而又基本的问题是多自主体系统的编队控制问题。在一些具体的应用任务,如大型物体的搬运、目标的抓捕和多传感器协作地图探索等研究中,所有的自主体必须组成特定的队形并在执行任务期间保持队形不变,由此引发了多自主体编队控制的研究热潮。  编队任务的复杂性和运动过程中通信自主体之间的避撞使得每个子系统都是非线性的,且这些非线性子系统之间通过网络相互耦合,从而导致整个闭环系统存在多平衡点问题。本文重点讨论了基于距离的多自主体系统的全局稳定性刚性编队控制问题。针对一阶积分器模型,提出了基于自适应摄动方法的编队控制策略,研究了平面中多自主体系统的全局稳定性刚性编队控制问题。进而,将上述方法推广到非完整小车刚性编队系统,并分析了整个闭环系统的全局稳定性。文中用到的分析工具主要是代数图论、非线性系统理论和非光滑系统理论。论文的主要工作如下:  1.探讨了平面中具有一阶积分器动态的三个自主体的无向编队控制问题。基于负梯度控制算法,并在任意一个自主体的运动方向上加自适应向量摄动,提出了新的编队控制策略。在所提控制算法下,多自主体闭环系统具有唯一的平衡态集合,且该平衡态集合就是期望的队形集合。从而所设计的控制器不但能保证三个自主体达到期望的全局稳定的三角或者直线编队,同时能避免任意自主体之间的碰撞。  2.研究了平面中n个自主体的全局稳定性刚性编队控制问题。基于距离的编队控制器为非线性控制器,且当图中包含圈时,在现有的负梯度控制算法下,多自主体闭环系统存在不期望的稳定的平衡态。为了达到期望的全局稳定刚性编队,基于现有的负梯度控制算法,并在规定的自主体的运动方向上加自适应向量摄动,给出了新的控制器设计方案。所提编队控制算法能够保证多自主体闭环系统具有唯一的平衡态集合,且该平衡态集合就是期望的刚性队形集合。因此,在所提自适应摄动编队控制策略下,期望的刚性编队是全局渐近稳定的,且任意通信自主体之间不发生碰撞。  3.现有的基于距离的编队控制研究对象大多为一阶积分器模型,鉴于实际应用,考察了非完整小车系统的刚性编队控制问题。为了达到期望的全局稳定刚性编队,将基于自适应摄动方法的负梯度控制律推广到非完整小车系统。与上述工作所不同的是,本工作中将摄动项加在小车的线速度上,所加摄动项为标量,则其不能直接改变小车的运动方向;但根据所提控制策略,它能间接改变小车的运动方向。所提编队控制算法不但能保证期望的刚性编队是全局稳定的,同时能避免相邻小车之间的碰撞。
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