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基于包含避碰控制的多智能体协同控制研究与实验

作　者: 张何津
导　师: 林宗利
学　校: 上海交通大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 多智能体系统协同控制实验平台包含控制碰撞规避控制
分类号: TP13
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在系统与控制领域，多智能体协同控制因为其在军事、工业以及民用领域内有着广泛的潜在应用，现已经成为学术界非常活跃的一个课题。设计合适的控制策略，使多个智能体共同协作来完成给定的任务，是多智能体协同控制的重要问题。包含控制作为多智能体协同控制领域中一个重要分支，是以领导者—跟随者智能体群体作为研究对象的类一致性控制问题。在包含控制问题中，跟随者智能体群体将移动进入到由领导者群体所形成的凸包范围内，并最终达成运动状态一致。尽管包含控制在多智能体系统及其协同控制问题的研究中已取得了很多研究成果，但在研究过程中，更多的是通过系统仿真来对提出的理论和方法进行评估，而较少通过建立实验平台来验证理论成果。本文则着重从整体系统需求出发，设计搭建多智能体系统实验平台，完成对其硬件系统和软件系统的开发设计。同时，本文分析了多智能体轮动系统的数学模型，分别提出了基于静态领导者和动态领导者的包含避碰控制算法，并结合研究成果，完成在实验平台上的实验验证。在实验平台的设计过程中，首先完成对系统的整体设计，并将系统分为四个部分，分别为上位机控制单元，下位机执行单元，智能体轮动系统，以及超声波传感器反馈环节，从而构成完整的闭环控制系统。在上位机的设计过程中，通过对系统软件的开发，实现无线网络的构建和覆盖，硬件单元的启用和操控，通讯数据的获取和传输，以及系统局部信息的处理和共享。下位机运动控制部分的设计，主要通过微处理器控制芯片实现对于运动控制协议的制定，以及实时控制命令的解析和执行。智能体轮动系统和超声波传感器则分别作为闭环控制系统的被控对象和反馈环节。在包含避碰控制理论研究中，本文利用双积分器模型来描述智能体的运动状态，并分别给出了该模型下，基于静态领导者和动态领导者的包含避碰控制算法。在研究静态领导者的协同控制问题时，我们提出了在特定网络通讯拓扑条件下的包含避碰控制算法，使跟随者智能体可以根据其局部邻居的信息，识别并移动进入由领导者智能体群体所形成的凸包内。在整个运动过程中，智能体之间始终保持碰撞规避，跟随者智能体的最终状态将在凸包内保持静止。对于动态领导者智能体情况下的包含避碰控制问题，我们考虑领导者智能体群体作匀速运动的情况。针对动态领导者所形成的移动凸包结构，我们提出相应的包含避碰控制算法，驱动所有跟随者智能体在运动中识别并进入由动态领导者智能体群体所形成的凸包内，最终与领导者智能体保持速度状态的一致性以及整个运动过程的碰撞规避性。本文利用Matlab对理论结果进行仿真，给出控制算法的系统仿真结果；利用多智能体系统实验平台对控制算法进行实验操作，给出实验验证结果。通过系统的仿真结果和实验的验证结果，证明了实验平台的有效性和理论研究成果的正确性。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-13
表格索引  13-14
插图索引  14-16
主要符号对照表  16-17
第一章绪论  17-27
  1.1 研究背景与研究意义  17-22
    1.1.1 多智能体系统的研究意义  17-21
    1.1.2 分布式协同控制与包含避碰控制的研究意义  21-22
  1.2 多智能体系统分布式协同控制研究现状  22-24
    1.2.1 分布式协同控制研究现状  22-23
    1.2.2 一致性跟踪问题研究现状  23
    1.2.3 包含控制研究现状  23-24
    1.2.4 实验操作验证算法研究现状  24
  1.3 本文的研究工作和论文结构  24-27
第二章多智能体协同控制实验平台的设计  27-38
  2.1 整体系统设计  27-29
    2.1.1 单个智能体系统结构  27-28
    2.1.2 多智能体系统结构  28-29
  2.2 硬件系统设计  29-35
    2.2.1 智能体的硬件结构  29-32
    2.2.2 智能体的控制芯片  32
    2.2.3 蓝牙 USB 适配器  32-33
    2.2.4 超声波排列传感器  33-35
  2.3 软件系统设计  35-37
    2.3.1 蓝牙工具管理器  35-36
    2.3.2 SonarDemo 控制程序软件  36-37
  2.4 本章小结  37-38
第三章包含避碰控制的理论基础  38-44
  3.1 图论的基本概念  38-40
    3.1.1 图的基本元素  38-39
    3.1.2 图的表示  39-40
  3.2 定义与假设  40-41
    3.2.1 包含规避控制的基本定义  40-41
    3.2.2 连接度保持的条件假设  41
  3.3 智能体的动力学模型  41-43
  3.4 本章小结  43-44
第四章基于静态领导者的包含避碰控制算法  44-60
  4.1 引言  44
  4.2 基于静态领导者的包含控制算法  44-48
    4.2.1 问题描述  44-45
    4.2.2 控制算法  45-48
  4.3 基于静态领导者的控制算法结果  48-56
    4.3.1 系统仿真结果  48-54
    4.3.2 实验验证结果  54-56
  4.4 本章小结  56-60
第五章基于动态领导者的包含避碰控制算法  60-76
  5.1 引言  60
  5.2 基于动态领导者的包含控制算法  60-64
    5.2.1 问题描述  60-61
    5.2.2 控制算法  61-64
  5.3 基于动态领导者的控制算法结果  64-72
    5.3.1 系统仿真结果  64-70
    5.3.2 实验验证结果  70-72
  5.4 本章小结  72-76
第六章总结与展望  76-79
  6.1 全文总结  76-78
  6.2 研究展望  78-79
参考文献  79-85
致谢  85-86
攻读学位期间发表的学术论文目录  86-87
攻读学位期间参与的项目  87

基于包含避碰控制的多智能体协同控制研究与实验

内容摘要

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