复杂欠驱动多主体网络的多协同与博弈算法设计与分析

Based on the demands of the application like aerospace vehicle, navigation resources detector and multi-robot systems, and considering the characteristics of complex underactuated multi-agent networks, such as self-organization, underactuated, multi-coordination and game, this project establishes the dynamic models, designs and analyzes the multi-coordination and game algorithm of complex underactuated multi-agent networks. Combining the theories of complex networks and multi-agent networks, we analyze the structure of complex underactuated multi-agent networks, and propose dynamic models of those networks according to their topology and event driven mechanisms. Then the general modeling theories and methods of complex underactuated multi-agent networks are obtained. Moreover, we focus on the constraints of agent motor ability resulting from the underactuated (the dimension of input space is less than the dimension of contructed space) and the communication constraints in the process of communication among different agents, and analyze their influences on the multi-coordination and game of complex underactuated multi-agents networks. Then we investigate the cause of multi-coordination mechanism and game behavior, and design the algorithm of multi-coordination and game. This project will establish theories and methods of the modeling of complex underactuated multi-agent networks, and of the design and analysis of multi-coordination and game, and provide technical guidance for some practical application.

本项目从航空航天飞行器、海洋资源探测器和多机器人系统等实际应用需求出发，针对复杂欠驱动多主体网络的自组织性、欠驱动性、多协同性和博弈等特点，建立复杂多主体网络的动态模型，设计并分析复杂欠驱动多主体网络的多协同与博弈算法。结合复杂网络和复杂多智能体系统理论，分析复杂欠驱动多主体网络的拓扑结构特征，基于网络拓扑结构和事件驱动机制建立复杂欠驱动多主体网络的动态模型，得到具有普适意义的复杂欠驱动多主体网络的建模理论与方法。分析由于欠驱动特性（输入空间维数小于构造空间维数）导致的自主体在运动能力上的约束，以及欠驱动自主个体之间存在的各类通讯约束，揭示它们对复杂欠驱动多主体网络多协同性和博弈行为的影响，研究多协同和博弈行为的产生机制，设计新的有效的多协同和博弈算法。本项目将为复杂欠驱动多主体网络的建模、多协同和博弈算法的设计与分析建立相应的理论与方法，同时为有关的实际应用提供技术上的指导。

航空航天飞行器、海洋资源探测器和多机器人系统等实际应用需求对复杂多智能网络理论的研究提出了严峻的挑战。智能个体的欠驱动特性、个体之间的通信方式以及博弈机制如何刻画，并对多智能体网络的协同行为会产生怎样的而影响，是亟待解决的问题。.针对上述问题，湖北师范大学机电与控制工程学院课题组在国家自然科学基金面上项目“复杂欠驱动多主体网络的多协同与博弈算法设计与分析（编号：61370093）”的资助下，对此进行了深入研究，取得如下主要成果：.针对复杂多智能体网络，分别研究了无采样位置信息、混杂脉冲控制、自驱动控制以及矩形脉冲控制等作用下的复杂多智能体系统建模、多一致性、编队和多跟踪性等多协同算法的设计与分析问题，提出了新的控制算法，得到了系统达到多一致以及多一致跟踪的充要条件，并证明系统的收敛性依赖于控制参数、采样周期和信息交换方式等。.针对基因调控网络，分别研究了分布离散时滞和耦合时滞下环状基因调控网络的多稳定性和分岔行为，揭示了网络增益、网络规模、生化参数及时滞类型对系统多稳定性的影响，给出了系统出现Saddle-node分岔和Hopf分岔行为时系统参数及耦合时滞等因素需要满足的条件；揭示了耦合作用会改变Hopf分岔出现的临界条件，耦合时滞会改变系统稳定性和周期节律运动的周期等。.建立了复杂多智能体系统研究仿真平台。以ActivMedia公司制造的机器人Pioneer2-DXe和Pioneer2-AT为基础，组建网络控制系统仿真平台，进行系统跟踪和机器人编队一致性实验，验证了理论结果。.本项目实施过程中，项目组在多智能体网络协同算法设计与分析方面以论文的形式在IEEE Transactions On Neural Networks And Learning Systems、Automatica、SIAM Journal on Applied Dynamical Systems以及控制理论与应用等国内外权威学术期刊进行发表，共发表期刊论文47篇，其中SCI收录39篇。申请并授权专利10项，出版学术专著1部，在Proceeding of the World Congress on Intelligent Control and Automation等国内外学术会议交流研究成果10次，培养硕士研究生2名，联合培养博士研究生4名，培养青年骨干教授3名。