合作竞争模式下异质多动态智能体系统群集行为与协调控制

The study on theory of multi-agent systems has attracted much attention in control field, which has important theoretical value and broad application prospects. Swarming behavior and coordinated control of heterogeneous multiple dynamic agent systems with cooperation-competition mode will be investigated in this project, which is based on the dynamics of single agent and the topology structure between agents. The details are listed as follows. The more general model of heterogeneous multiple dynamic agent systems will be established, the properties of system, including cohesion and separation, stability and dynamic quality, will be analyzed, and the condition which can ensure the swarming behavior will be given; the model of heterogeneous multiple dynamic agent systems with complex environment factors will be established, the interaction relations between system and environment in the course of motion will be discussed; the swarming behavior and coordinated control of heterogeneous multiple dynamic agent systems with leader(s) will be discussed, the influence of the leader(s) on the motion of system will be analyzed, and the local feedback control protocol will be designed to accomplish the desired mission; the controllability of heterogeneous systems will be defined, and the criteria of controllability of heterogeneous multi-agent systems with time delay and multiple leaders will be presented; finally, the simulation and experiment research of swarming behavior and coordinated control will be performed to illustrate our theoretical results. This study will provide some theoretical innovations in the swarming behavior and coordinated control of heterogeneous multiple dynamic agent systems.

多智能体系统理论是当前系统与控制研究的热点领域，具有重要理论价值和广泛应用前景。本项目研究合作竞争模式下异质多动态智能体系统的群集行为与协调控制问题，立足单个智能体动力学和智能体间拓扑结构两方面进行研究。内容包括建立反映客观实际的普适性异质多动态智能体系统模型，分析系统的集聚与分离、稳定性和动态品质，给出保证系统实现群集行为的条件；建立包含复杂环境因素的异质多动态智能体系统模型，分析系统在运动过程中与环境的相互作用；研究包含领航者的异质多动态智能体系统群集行为与协调控制问题，分析领航者对系统运动行为的控制能力，设计合理的局部反馈控制协议以实现期望的应用任务；定义异质系统的可控性，给出包含时滞的具有多个领航者的异质多智能体系统可控性判据；进行群集行为与协调控制的仿真和实验研究，对所得理论成果进行验证。项目预期在异质多动态智能体群集行为与协调控制方面取得创新和突破。

多智能体系统是由多个具有动态演化特征的自主个体及个体间复杂的相互作用关系构成，个体可以通过相互间的局部协作完成大规模的复杂任务。近年来，由于其在军事、民用和科学等方面的广泛应用，多智能体系统群集行为和协调控制问题的研究受到了国内外学者的广泛关注，成为当前控制理论界研究的热点之一。本课题采用代数图理论、控制理论、矩阵分析和稳定性理论等工具研究了异质多动态智能体系统的群集行为、可控性与协调控制问题，并将部分理论结果应用到多机器人协调控制方面。首先，针对异质系统建模与群集行为分析方面，建立了可反映智能体间追踪/逃逸行为的异质非线性多动态智能体系统的数学模型，构造反映群内和群间个体间不同相互作用关系的作用函数，分析了作用参数和群体规模对系统最终行为的影响，进而数值仿真呈现出复杂的群集行为。其次，针对系统可控性方面，研究了多智能体系统的局部可控性问题，分别考虑了具有多个领航者的连续时间多智能体系统和具有单个领航者的离散时间多智能体系统的局部可控性，给出了系统局部可控的充分和必要条件；研究了具有单领航者的分数阶多智能体系统的可控性，给出了无向信息交换情形下系统可控的充要条件，分析了分数阶数、拓扑和可控性的关系。最后，针对具有异质非线性动力学与时变时滞的非线性耦合网络，设计了有效的控制器和适应性控制律，证明了系统在有界变时滞情形下可实现二阶同步，指明时滞大小对系统同步的影响；以实验室多仿生机器鱼为对象，进行了多智能体系统协作控制方面的实验研究，给出相应策略优化和程序设计与实现。所得结果为人类理解自然和社会中的复杂现象具有非常重要的意义，为复杂网络化多智能体系统的应用提供了理论基础和有用的思想方法，特别是在编队、跟踪等控制领域，具有很强的工程实践应用价值。