具有聪慧领导的多智能体系统一致性协议设计与分析

If the state information of the follower neighbors is used in the control strategy for the leader in the research of leader-following multi-agent systems, some objects can be realized with little cost. For example, the consensus rate of the system can be accelerated and the fault-tolerance ability can be enhanced more easily. It is unfortunate that such research is rare both at home and abroad. This project is focused on this neglected problem. The state information of the follower neighbors is adopted in the control adjusting for the leader in the multi-agent system, where the normal leader becomes the more intelligent smart leader. Consensus protocols for multi-agent system with smart leader will be designed and analyzed in this project. The system state will be evaluated, as well as the cost of acquisition and utilization of the followers’ state by the smart leader. By providing suitable state evaluation functions and cost evaluation functions, we can judge the time instances to obtain and utilize the followers’ state information via some strategies. The system convergence and stability will be analyzed in this project, as well as the system dynamics and corresponding influencing factors. It will be also analyzed that how the leader’s strategy of the acquisition and utilization of the followers’ state affect the system consensus rate and the evolution process towards the system objective. Furthermore, the consensus protocols will be tested on the multi-robot testing system. It is expected that we will obtain systematic novel research achievement in the design and analysis of the consensus protocols for multi-agent systems with smart leader. It is also expected that we will obtain design methods and strategies for system state and cost evaluation. This research will promote the engineering applications of consensus control theory for multi-agent systems.

对于领导-跟随型多智能体系统，若领导者控制律中适当采用来自跟随者邻居的状态反馈信息，则可以实现用较小代价加快系统一致性速度、提高容错能力等目标，该方面工作具有重要的研究价值。然而目前国内外相关研究极少，项目针对这个被忽略的问题，在领导者控制律调整中按需采用跟随者状态信息，设计具有聪慧领导的一致性协议并进行分析。对系统状态、领导者获取与利用跟随者信息的代价进行评估，设计适当的状态评估函数和代价评估函数，在此基础上实现协议中聪慧领导按需获取并按需利用跟随者的状态信息，分析系统的收敛性、稳定性、动力学行为及其影响因素，分析利用跟随者信息按需修正领导者控制律对系统一致性实现速度、趋向目标演化动态过程的影响，并在多机器人测试实验平台上进行实验验证。在具有智慧领导的多智能体系统一致性协议设计和分析方法上获得系统化的创新研究成果，获得对系统进行状态和代价评估的方法和思路，促进一致性理论的实际工程应用。

随着嵌入式系统、通讯技术的发展，多智能体系统的分布式协调控制受到广泛关注并发挥越来越重要的作用。对于领导-跟随型多智能体系统，若领导者控制律中适当采用来自跟随者邻居的信息，则可用较小代价实现加快系统一致性速度、提高容错能力等目标，该方面工作具有重要的研究价值和应用前景。项目主要针对具有这种聪慧领导的多智能体系统，重点研究：对系统状态、跟随者信息获取与利用代价进行科学评估，为协议设计提供依据；设计恰当的一致性控制协议和算法，以较小代价提高系统一致性实现速度和容错能力；对所设计控制策略进行收敛性、稳定性、动力学行为及其影响因素等多方面分析；用多机器人实验测试平台对得到的一致性协议进行实验验证等。对带有聪慧领导者的一般线性离散时间多智能体系统与一阶、二阶、混合阶连续时间系统设计了多种领导-跟随一致性协议，并拓展到有向图以及采样控制的情况，得到了系统状态和代价评估指标函数，设计了相应控制算法，提高了系统鲁棒性并降低了能耗。在领导-跟随一致性研究方面，还分别考虑了间歇通信和速度信息不可测、存在故障或不确定性，以及采样系统、切换系统的情况，设计了相应控制算法。针对多轮式机器人分别设计了分布式编队控制算法、具有有限时间与固定时间收敛特性的一致性控制算法，并引入了事件触发机制来减少控制器更新频次。分别针对通信网络中的时滞、噪声、不确定性、异质性以及系统本身的时滞、非线性、切换特性，设计了多种对应的控制协议，实现了包容控制。搭建了基于AmigoBot机器人的实验测试平台，验证了所得部分控制策略的有效性。在国内外刊物和会议发表(含在线)学术论文44篇(刊物论文28篇，EI收录会议论文16篇)，被SCI收录22篇，被EI收录刊物论文20篇，其中SCI一区Top刊论文4篇，最高影响因子10.387。培养博士生9名(毕业5名)，硕士生12名(毕业8名)。项目主持人作为团队负责人入选2019年天津市创新人才推进计划重点领域创新团队。全面完成了项目任务书中的各项指标。