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一致性问题作为多主体系统协同控制中的一个基本问题,已引起了越来越多的关注,其中一个很重要的原因在于很多实际问题,例如无线传感器网络中的时钟同步及节点定位、分布式编队控制、分布式优化等问题,都可以通过适当的变换转成一致性问题。不论是理论,还是实际应用,对于一致性问题的研究,都具有重要的意义。
针对理想环境(不考虑时延、噪声等情况)下一致性问题的研究,通过利用拉普拉斯矩阵或随机矩阵的性质,已经得到了众多研究成果。然而,在实际中,理想的环境并不存在,网络的不可靠通信往往会导致节点间的链路中断,信息的采集与传输也不可避免会受到各种噪声(比如测量噪声、通信噪声)的影响,这些不确定性因素使得对一致性的分析变得更困难也更有挑战。针对不确定信息下的一致性问题的研究,虽已引起了广泛的关注,仍有不少问题要解决。本文研究不确定信息下的单积分器及双积分器多主体系统的一致性问题。在对系统进行一致性分析时,通过利用变换矩阵对系统降维,将一致性问题转换成了稳定性问题,并结合稳定性理论,图论及随机收敛分析等工具,最终给出了一致性结论。此外,本文给出了不确定信息下一致性协议的设计及收敛分析在基于相对位置的网络定位中的应用。论文主要工作如下:
1.研究了不确定信息(具体为加性噪声、相对状态依赖的乘性噪声或非相对状态依赖的乘性噪声)下离散时间单积分器多主体系统在有向切换拓扑下的一致性问题。针对不同的噪声类型,设计了不同的一致性协议。为了得到一致性结果,通过变换矩阵对系统分解,将多主体系统在切换拓扑下的一致性问题转化成降维切换系统的稳定性问题来分析,利用得到稳定性的结果,进一步给出了系统实现一致性的条件。当考虑加性噪声或相对状态依赖的乘性噪声时,指出系统在弱周期切换拓扑及一个Hurwitz约束下,可以实现均方及几乎必然一致性。这一结论并不要求切换拓扑必须为切换平衡拓扑且边权重必须为非负值。当考虑指数衰减或多项式衰减的非相对状态依赖的乘性噪声时,指出对于任意的有界通信时延及一致根的切换拓扑,系统在系统状态有界的前提假设下,总可以实现一致性。
2.研究了相对状态依赖的乘性噪声下离散时间双积分器多主体系统在有向切换拓扑下的一致性问题。为了得到一致性结果,与单积分器的情形类似,同样是将一致性问题转化成稳定性问题来进行分析。首先,对于某一类切换拓扑,其每一拓扑图都包含生成树,基于模式依赖的平均驻留时间技术,指出当每一拓扑都满足一定的驻留时间约束时,系统在给定的协议下总可以实现弱一致性。其次,对于另一类切换拓扑,其每一有向图为强连通图且所有有向图对应的拉普拉斯矩阵的零特征值都对应一个公共的左特征向量,指出对于任意的切换序列,系统在给定的协议下总能实现均方及几乎必然一致性。
3.给出了不确定信息下一致性协议的设计及收敛分析在基于相对位置的不依赖于公共参考框架的网络节点定位中的应用。为解决存在测量噪声及通信噪声时节点的精确定位问题,基于不确定信息下的一致性协议,分别设计了鲁棒的方位估计算法及节点定位算法。其中为了抑制测量噪声,构建了一个基于历史测量信息的无偏估计器;为了抑制通信噪声,采用了随机逼近类型协议。在零均值及独立测量噪声及通信噪声假设下,给出了在算法能保证每个节点几乎必然实现坐标系方位及位置精确估计的一个充要拓扑条件。此外,当仅考虑测量噪声或通信噪声时,给出了算法的收敛速率。
针对理想环境(不考虑时延、噪声等情况)下一致性问题的研究,通过利用拉普拉斯矩阵或随机矩阵的性质,已经得到了众多研究成果。然而,在实际中,理想的环境并不存在,网络的不可靠通信往往会导致节点间的链路中断,信息的采集与传输也不可避免会受到各种噪声(比如测量噪声、通信噪声)的影响,这些不确定性因素使得对一致性的分析变得更困难也更有挑战。针对不确定信息下的一致性问题的研究,虽已引起了广泛的关注,仍有不少问题要解决。本文研究不确定信息下的单积分器及双积分器多主体系统的一致性问题。在对系统进行一致性分析时,通过利用变换矩阵对系统降维,将一致性问题转换成了稳定性问题,并结合稳定性理论,图论及随机收敛分析等工具,最终给出了一致性结论。此外,本文给出了不确定信息下一致性协议的设计及收敛分析在基于相对位置的网络定位中的应用。论文主要工作如下:
1.研究了不确定信息(具体为加性噪声、相对状态依赖的乘性噪声或非相对状态依赖的乘性噪声)下离散时间单积分器多主体系统在有向切换拓扑下的一致性问题。针对不同的噪声类型,设计了不同的一致性协议。为了得到一致性结果,通过变换矩阵对系统分解,将多主体系统在切换拓扑下的一致性问题转化成降维切换系统的稳定性问题来分析,利用得到稳定性的结果,进一步给出了系统实现一致性的条件。当考虑加性噪声或相对状态依赖的乘性噪声时,指出系统在弱周期切换拓扑及一个Hurwitz约束下,可以实现均方及几乎必然一致性。这一结论并不要求切换拓扑必须为切换平衡拓扑且边权重必须为非负值。当考虑指数衰减或多项式衰减的非相对状态依赖的乘性噪声时,指出对于任意的有界通信时延及一致根的切换拓扑,系统在系统状态有界的前提假设下,总可以实现一致性。
2.研究了相对状态依赖的乘性噪声下离散时间双积分器多主体系统在有向切换拓扑下的一致性问题。为了得到一致性结果,与单积分器的情形类似,同样是将一致性问题转化成稳定性问题来进行分析。首先,对于某一类切换拓扑,其每一拓扑图都包含生成树,基于模式依赖的平均驻留时间技术,指出当每一拓扑都满足一定的驻留时间约束时,系统在给定的协议下总可以实现弱一致性。其次,对于另一类切换拓扑,其每一有向图为强连通图且所有有向图对应的拉普拉斯矩阵的零特征值都对应一个公共的左特征向量,指出对于任意的切换序列,系统在给定的协议下总能实现均方及几乎必然一致性。
3.给出了不确定信息下一致性协议的设计及收敛分析在基于相对位置的不依赖于公共参考框架的网络节点定位中的应用。为解决存在测量噪声及通信噪声时节点的精确定位问题,基于不确定信息下的一致性协议,分别设计了鲁棒的方位估计算法及节点定位算法。其中为了抑制测量噪声,构建了一个基于历史测量信息的无偏估计器;为了抑制通信噪声,采用了随机逼近类型协议。在零均值及独立测量噪声及通信噪声假设下,给出了在算法能保证每个节点几乎必然实现坐标系方位及位置精确估计的一个充要拓扑条件。此外,当仅考虑测量噪声或通信噪声时,给出了算法的收敛速率。