基于多智能体的编队控制一致性研究

基于多智能体的编队控制一致性研究

對固定拓撲结构下多智能体有向网络编队控制问题进行了研究，考虑到智能体之间通信过程中存在时延的问题，提出了一致性协议并证明了使多智能体网络在固定拓扑结构下取得全局渐进一致的充要条件，给出了最大固定延时时间的紧凑上界，最后将信息一致性思想应用于多智能体的编队控制。仿真结果表明，基于一致性协议的方法可成功应用于多智能体编队控制，取得了理想的效果。

标签：多智能体系统；编队控制；一致性

1 概述

多智能体系统是人工智能技术和计算机技术结合组成的智能系统，它在许多领域应用广泛，尤其多智能体的编队控制问题更是为生活中的很多实际问题找到了解决策略，例如在机器鱼水球比赛中，两条或者多条鱼之间要通过信息传递、定位球和球门的位置等把球顶入对方的球门之中。在这一比赛中我们发现即使其中的一条或者某几条鱼不能正常工作，也不会影响其他几条鱼的正常工作，这就充分说明了多智能体系统抗干扰性强的特点；机器人足球比赛也是近几年来多智能体系统的一个典型应用，在比赛过程中机器人之间要进行角色的分类，不同的角色承担不同的任务，这就为研究多智能体系统的相关问题指明了方向。

对多智能体系统可控性的研究转化成处理多智能体系统编队问题是一个非常有效的方法，其实质是将编队控制问题转化成固定拓扑条件下的经典可控性问题。

Vicsek等人从统计力学的角度提出了Vicsek模型[1]，Jadbabaie等人采用分散控制的思想建立了一个势场函数的模型等[2]，这些模型的建立推动了多智能体系统向全方位发展。目前对多智能体系统的一致性和可控性的研究，也取得了一些显著的成果：Ren对于在时连续系统中有限时间状态协议问题，提出了解决有限的时间平均协议问题的充分条件[3]；Moreau对于单一领导者，在固定拓扑的情况下，将可控性与图理论的有关知识结合到了一起，获得了系统可控的代数充分及必要条件[4]；对于固定拓扑的情况，利用图形理论的描述，Tian等人提出了多智能体系统在单个领航者和多个领航者情况下可控的充分和必要条件[5]；对于通信存在时滞的情况下讨论了多智能体的可控性问题，Olfati等人给出了系统可控的充要条件[6]；Liu等人对于系统的一致性问题进行了详细的分析，在对系统的拓扑图分析的基础上提出了系统解决一致性问题的充要条件[7]；Arrichiello等人研究了网络机器人的故障检测和处理问题[8]。

多智能体可控性问题的分析大多是在一阶系统中进行的，在二阶系统的研究还不够完善，并且虽然对于一致性的研究已经趋于成熟，但是可控性问题和一致性问题大多是单独进行研究的，它们之间究竟有什么样的联系却很少提到，若将这些联系运用到生产生活中，应该能带来更大的优势，解决现在看起来很难处理的问题。

2 编队控制算法

在多智能体系统中，每个智能体可以被认为是图中的一个节点，并且两个智能体之间的信息流可以被看作图中节点间的一条有向路径。因此在一个多智能体系统中的相互连接拓扑可以用一个图G=（V，E，A）来描述。设由n个智能体构成的网络具有一个固定连接拓扑G=（V，E，A）存在一个全局可达点，其带有通信延时的多智能体系统由二阶积分建模：

图4 Y轴位移的仿真结果

将X/Y轴位移输出到workspace如图5。

XY轴的位移仿真结果如图6。

4 结束语

文章研究了由二阶积分建模的有向拓扑结构的多智能体系统，我们将一个简单的一致性协议运用于带有时延的多智能体系统中。运用频域分析和矩阵理论，可以得到，在一个具有一个全局可达点的固定有向的拓扑图中，当延迟时间小于临界值（它是拉普拉斯矩阵特征值的函数）时系统渐近收敛于一致性。我们运用一致性协议到具有通信延迟的多智能体系统编队控制中，智能体可以渐进得到平面内预先描述的几何编队队形，并且智能体渐进收敛到预设的速度。

参考文献

[1]Vicsek，T.，Czirok，A.，Jacob，E.B.，Cohen，I. & Schochet，O. Novel type of phase transitions in a system of self-driven particles. Phys. Rev. Lett.1995，75：1226-1229.

[2] Jadbabaie，A.，Lin，J. & Morse，A. S.Coordination of groups of mobile autonomous agents using nearest neighbor rules. IEEE Trans. Autom. Control，2003，48 （6）：988-1001.

[3]Ren，W. Consensus based formation control strategies for multi-vehicle systems. Proceeding of the American Control Conference，Minneapolis，MN，2006，4237-4242.

[4]Moreau，L. Stability of continuous-time distributed consensus algorithms. Proceeding of the 43rd IEEE Conference on Decision and Control，Atlantis，Paradise island，Bahamas，2004，3998-4003.

[5]Liu，C.-L. & Tian，Y.-P. Consensus of multi-agent system with diverse communication delays. Proceeding of the 26th Chinese Control Conference，

Zhangjiajie，2007，6：726-730.

[6] Olfati-Saber，R. & Murray，R. Consensus problems in networks of agents with switching topology and time-delays. IEEE Trans. Autom. Control，2004，49 （9）：1520-1533.

[7] Lin，Z.，Francis，B. & Maggiore，M. Necessary and sufficient graphical conditions for formation control of unicycle. IEEE Trans. Autom. Control，2005，50 （1）：121-127.

[8] F. Arrichiello，A. Marino，and F. Pierri Observer-based decentralized fault detection and isolation strategy for networked multirobot systems，IEEE Trans. on Control Systems Technology，2015，23（4）：1465-1476.