基于远程通信和传感器网络的多自主体系统的协调控制

本项目研究以局部传感器网络为通信平台，并通过远程通信网络互联的多自主体系统的分布式协调控制。这类系统既不同于基于远程通信的单个体系统，又不同于仅仅基于局部邻居信息的单一多自主体网络，是一个全新的研究领域。本项目融合通信理论和系统控制理论，以及传感器网络控制和人机交互等先进信息技术，研究基于远程通信和传感器网络的多自主体系统的层次化建模、通信协议和协调控制的一体化设计方法，发展一套适用于在远程全局信息传输和传感器局部信息交流下的多自主体系统协调控制理论，开发实时优化算法，以群体救援和环境探测为背景，进行远程互联的多机器人网络协调控制实验，为传感器和多机器人网络在国民经济和国防建设中的应用提供坚实的理论支撑。建立基于远程通信和传感器网络的多自主体协调控制理论是未来信息与系统控制理论研究的必然趋势，这方面的研究对于保证我国的国家安全，提高工业的自动化和信息化水平具有直接的、现实的意义。

基于远程信息传输和传感器网络的多自主体系统本质上是具有高度不确定性的分层分布式混杂系统，其控制综合和性能分析融合网络通讯、智能传感器、分布式信息处理、人机交互、自动控制等多门学科于一体，涉及到大量实际应用，是当前系统科学和信息科学发展的一个重要前沿课题。针对这类系统的控制问题，我们从分布式协作的角度出发，探索适于实际工程应用的分布式计算、控制、辨识和滤波等的算法及其实现技术，取得的主要成果包括：.1．提出了有限通信数据率下小容量信道的典型协调控制方法，定量刻画了趋同速度与系统节点数、网络拓扑参数和通信数据率之间的依赖关系。.2. 给出了一种时延网络环境下低阶异质多自主体系统一致性解存在的充要条件，得到了随机通信网络下同质多自主体系统关于信道白噪声、随机连接丢失和通信时延的鲁棒均方一致条件，以及系统一致允许的采样周期上界、丢包概率上界和时变时延上界。.3. 提出了一种易于求出轨道函数显示表达式的曲线扩张方法，并应用于二维平面和三维空间的质点自主体、非完整小车、全驱动/欠驱动刚体的寻迹编队控制问题，效果良好。.4．建立了移动机器人网络的双层模型，提出了一种自修复接力式拓扑切换控制方法和评价机器人网络性能的指标体系；研制了一套包括10台移动机器人的网络实验平台，进行了基于远程通信的多机器人编队自修复、以及多机器人环境地图创建的综合演示实验。.上述研究成果对基于远程信息传输和传感器网络的多自主体系统的建模、控制与分析方法等方面进行了系统性分析，为探索通信和控制之间的内在联系，提出具有层次化信息结构的协调控制系统的一般性理论和一体化设计方法奠定了基础。.项目组共发表期刊论文67篇、会议论文58篇，其中SCI收录55篇、EI收录99篇、ISTP收录48篇；出版学术专著2本；申请发明专利7项，其中2项已得到授权；培养博士后6人、博士生17人、硕士生21人；获得国家自然科学二等奖1项(排名第三)、IEEE Fellow 1人、IEEE国际机器人与自动化大会服务机器人最佳论文奖1项、中国机器人大赛冠军(一等奖) 7项。项目组成员参加国际学术会议30余人次。