基于实物模型的多智能体群避撞与汇聚性的协同控制研究

This project conducts research on cooperative control of autonomous vehicles. The project deals with the actual models of mobile robot, hovercraft, and quad-rotor helicopter. The main goal of cooperative control is to obtain the interaction rules based on which each vehicle cooperate with its neighbors so that the whole group of vehicles achieve a common group objective. Towards real-world applications, the important additional goal is to guarantee collision avoidance and cohesive maintenance, i.e., guarantee that there is no collision among vehicles and the vehicles stay cohesive. The reported researches achieve the first goal based on intuitive observation and do not achieve the second goal for agents of actual vehicle models. This project develops a general framework to achieve both these goals for agents of of actual vehicle models by systematic design. In particular, we shall obtain the desired interaction rules by theoretical methods. More complex and difficult conditions from real-world applications such as limited communication and parameter uncertainty are incorporated for advanced cooperative control problems in this project. The results are aimed for publications in leading journals in the field of automatic control and the field of robotics.

本项目致力于研究自主移动智能体的协同控制，我们在项目中将针对移动机器人、气垫船和四旋翼飞行器的实物模型进行研究。协同控制的首要目标是得到被控对象的信息交互规则，移动智能体群体中的个体正是基于该信息交互规则与相邻智能体进行信息交互，从而使群体完成既定的任务。面向实际应用领域，另一个重要任务是保证智能体的避撞性和汇聚性，即是在每个移动智能体相互之间距离有限以使整个多移动机器人群体保持整体设计队形的前提下，保证每两个移动智能体之间不会发生碰撞。如今的研究成果只保证了智能体的避撞性而忽略了汇聚性，我们将在本项目中开发基于实物模型进行系统设计并保证其避撞性和汇聚性的一般架构，尤其是通过理论方法得到信息交互规则，并解决实际复杂条件下信息交互有限和参数未知的协同控制问题。我们将把研究结果以论文的形式发表于机器人和自动控制领域的顶级期刊。

本项目研究了多移动智能体系统的分析及协同控制方法及其在自制机器人群体、四旋翼飞行器集群和全球跟踪垂直起降飞机等实际系统中的应用。主要研究内容包括：研究移动智能体系统中的个体对象之间的信息交互规则，从而使群体完成既定的任务；在此基础上，要保证智能体的避撞性和汇聚性，即要保证每个移动智能体相互之间距离有限以使整个多移动机器人群体保持整体设计队形的前提下，保证每两个移动智能体之间不会发生碰撞。面向实际的应用系统，我们研究了了自主车辆的flocking控制方法的系统设计、四旋翼飞行器集群的flocking控制设计、四旋翼飞行器集群的位置反馈flocking控制设计、通信受限制条件下的四旋翼集群的flocking控制设计。此外，在考虑到“实际控制输入是有界的”这个实际情况，我们针对四旋翼飞行器集群做了有界控制器设计的相关研究。对于四旋翼飞行器的输入受限问题，目前采用的控制方式是把无约束控制的设计方法和空中飞行器配置的初始条件结合起来设计控制器，使用方向角作为虚拟控制来控制飞机的位置。而在本项目中我们引入了状态变换并且直接设计实际的有界控制器，这样在飞行器的初始配置里面不需要约束条件，而且可以变换以后的系统中自由的选择控制参数。本项目的研究成果均发表在该领域顶级期刊和会议，其中在IEEE TRANSACTIONS ON AUTOMATIC CONTROL上发表论文（regular paper）一篇，IFAC会议论文3篇。