自主编队控制研究及在应急通讯布网中的应用

The research project investigates the problem of establishing an emergency communication networks via a network of autonomous agents, central to which is the design of distributed control strategies for formations of homogenous or heterogeneous agents in 2D or 3D. The research project mainly includes the following aspects: formation control of homogenous agents utilizing relative position measurements; formation control of heterogeneous agents utilizing relative position measurements; formation control of homogenous or heterogeneous agents based on communication signal strength; experimental study for formation control and establishment of emergency communication networks. The goal is to provide a solution for establishment of emergency communication networks from the perspective of autonomy as well as to advance the theoretical development of formation control of networked multi-agent systems. The research project is not only valuable to the real applications in disaster scenarios, but also significant for boosting the research in multi-agent systems.

本项目主要研究如何利用网络多自主体的自主编队性能实现应急通讯网络的布网并保证可靠的通讯，其中核心问题是如何设计一个实用的、同构或异构网络多自主体系统在二维或三维空间上的自适应编队控制。具体内容包括：同构网络（二维或三维）多自主体系统使用相对坐标信息的自主编队控制；异构网络（二维和三维自主体混合编队）多自主体系统使用相对坐标信息的自主编队控制；同构或异构网络多自主体系统使用无线测试信号强度的自主编队控制；同构或异构网络多自主体系统自主编队控制及应急通讯布网的实验研究。本项目的研究目标是为了给应急通讯布网提供一个自主的解决方案，同时在基础理论研究方面，为网络多自主体系统提供二维、三维空间编队控制的新理论和新方法。本项目的研究不仅对灾难环境紧急救援等方面有着重大的实际应用意义，而且对完善和促进网络多自主体系统的理论研究方面也有着重大的价值。

随着网络、通信、传感技术、机器人和控制技术的发展，多自主体系统已成为当今控制领域的研究热点。它在军事、太空及海洋探测、智能交通、灾难环境搜救等领域有着广泛的应用前景。本项目主要研究二维、三维空间同构网络多自主体系统的编队控制、领航者-跟随者混合的异构网络多自主体编队控制、基于无线信号强度（距离信息）的协作定位与控制、以及基于四旋翼飞行器的自主编队控制和应急通讯布网实验。本项目的研究获得了以下成果：（1）提出了基于复拉普拉斯的二维空间编队理论框架，给出了无向网络、有向网络、时变网络下可实现二维空间编队的拓扑条件，并获得了保证全局收敛性的同构网络多自主体分布式编队控制策略；（2）提出了基于带正/负权重广义拉普拉斯的高维空间编队理论框架，给出了无向网络、有向网络下分布式编队控制器的设计方法以及实现高维空间编队的网络拓扑条件；（3）提出了基于滑模控制和内模原理的异构网络多自主体系统控制设计方法，实现领航者-跟随者混合的异构网络多自主体系统的刚性编队控制与融合；（4）提出了基于距离测量信息的协作目标定位和协作自定位方法，给出了协作定位算法收敛的持续激励条件和网络拓扑条件；（5）构建了基于无线Mesh通信网络和四旋翼飞行器的多自主体编队控制平台。本项目研究结果对于提升多机器人网络的自主性以及面向多机器人系统的应用（如目标搜索、应急布网）等提供了关键性的技术支撑和系统方法。