[論文レビュー] Regulated State Synchronization for Homogeneous Networks of Non-introspective Agents in Presence of Input Delays: A Scale-Free Protocol Design (with a general MATLAB implementation)

Zhenwei Liu, Donya Nojavanzadeh+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2020

Distributed Control Multi-Agent Systems参考文献 23被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、非内省的エージェントおよび未知の非一様入力遅延を有する同種のマルチエージェントシステムにおける、スケールフリーな動的プロトコルを提案する。追加の情報交換と代数リカチ方程式に基づく新規設計を活用することで、ネットワーク構造やラプラシアン固有値の知識を必要とせず、エージェント数や任意の通信トポロジーにおいても同期を達成する。遅延耐性の上限は、エージェントの動的特性にのみ依存する。

ABSTRACT

This paper studies regulated state synchronization of homogeneous networks of non-introspective agents in presence of unknown nonuniform input delays. A scale-free protocol is designed based on additional information exchange, which does not need any knowledge of the directed network topology and the spectrum of the associated Laplacian matrix. The proposed protocol is scalable and achieves state synchronization for any arbitrary number of agents. Meanwhile, an upper bound for the input delay tolerance is obtained, which explicitly depends on the agent dynamics.

研究の動機と目的

• 非内省的エージェントおよび未知の非一様入力遅延を有する同種のマルチエージェントシステムにおける、規制付き状態同期を扱う。
• ネットワークトポロジーまたはラプラシアン固有値の知識を必要とする従来のプロトコルの制限を克服する。
• エージェント数や通信ネットワーク構造にかかわらず、同期を保証するスケーラブルでロバストなプロトコルを設計する。
• 入力遅延耐性の上限を、ネットワーク特性に依存せずエージェントの動的特性にのみ依存する形で導出する。
• 数値的検証および実用的導入を可能にする汎用的なMATLAB実装を提供する。

提案手法

• 未知の入力遅延およびエージェントの内省不能性を補償するため、追加の情報交換を用いた動的プロトコルを設計する。
• 安定性を遅延制約下で保証するため、代数リカチ方程式（ARE）の解を用いてコントローラーゲインを構築する。
• システム動的特性とエクサシステム追従に基づく統一フレームワークを用いて、全状態および部分状態結合の両方のプロトコルを定式化する。
• プロトコルに由来する遅延微分方程式を数値的にシミュレートするために、MATLABの dde23 ソルバーを用いる。
• さまざまなエージェントおよびネットワーク構成の即時シミュレーションを可能にする、モジュラーなMATLAB実装を提供し、専用の初期条件ファイルを用意する。
• 3、5、6、10エージェントの複数のネットワークトポロジーにおいて、多様で非一様な入力遅延を含むシミュレーションでプロトコルを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非内省的エージェントおよび未知の非一様入力遅延を有する同種のマルチエージェントシステムにおいて、規制付き状態同期を達成できるか？
• RQ2 ネットワークトポロジーやエージェント数に依存しないプロトコルを設計することは可能か？
• RQ3 このような条件下で、保証可能な最大の入力遅延耐性は何か？
• RQ4 遅延耐性の上限を、ネットワーク構造に依存せずエージェントの動的特性にのみ依存させることは可能か？
• RQ5 プロトコルの検証および導入を支援する汎用的で再利用可能なMATLAB実装をどのように開発できるか？

主な発見

• 提案されたプロトコルは、有向のスパニングツリーが存在する限り、エージェント数やネットワークサイズ・トポロジーにかかわらず、規制付き状態同期を達成する。
• プロトコルはスケールフリーである：ネットワークのラプラシアン行列や通信グラフ構造の知識を必要としない。
• 入力遅延耐性の上限は、エージェントの動的特性にのみ依存し、エージェント数やネットワーク設定には依存しない。
• 3、5、6、10エージェントを用いた数値的シミュレーションにより、0.5〜4秒の非一様遅延が存在するさまざまな有向通信グラフにおいても同期が確認された。
• 遅延がエージェント間で著しく異なる場合でも、安定性および同期性能を維持するという、ロバストネスを示した。
• 汎用的なMATLAB実装により、任意のエージェント構成について、状態軌道、エクサシステム信号、制御入力を容易にシミュレートおよび可視化できる。