[论文解读] Bearing-Based Formation Maneuvering

Shiyu Zhao, Daniel Zelazo|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2015

Distributed Control Multi-Agent Systems参考文献 6被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种基于测角约束的分布式比例-积分（PI）控制律，用于多智能体编队机动，实现了在跟踪时变质心和尺度参考量时的全局稳定。该方法通过在尺度变化下保持测角不变性，确保了编队形状的维持，仅需至少两名协作领导者即可控制集体运动，而从者无需获取全局信息，通过测角刚性理论证明了全局渐近稳定性。

ABSTRACT

This paper studies the problem of multi-agent formation maneuver control where both of the centroid and scale of a formation are required to track given velocity references while maintaining the formation shape. Unlike the conventional approaches where the target formation is defined by inter-neighbor relative positions or distances, we propose a bearing-based approach where the target formation is defined by inter-neighbor bearings. Due to the invariance of the bearings, the bearing-based approach provides a natural solution to formation scale control. We assume the dynamics of each agent as a single integrator and propose a globally stable proportional-integral formation maneuver control law. It is shown that at least two leaders are required to collaborate in order to control the centroid and scale of the formation whereas the followers are not required to have access to any global information, such as the velocities of the leaders.

研究动机与目标

• 解决分布式编队机动控制中的挑战，即质心和尺度必须跟踪时变速度参考量。
• 通过利用测角不变性，克服基于距离或位置方法在尺度控制方面的局限性。
• 设计一种全局稳定的控制律，确保在动态机动过程中编队形状的维持。
• 证明至少需要两名领导者协同控制集体运动，而从者在不访问全局信息的条件下运行。
• 为现实应用（如避障）中的动态尺度调节提供一种简单、鲁棒的解决方案。

提出的方法

• 控制律被表述为一种比例-积分（PI）方案，将恒定的领导者速度视为需通过积分作用消除的扰动。
• 目标编队由相邻智能体间的测角定义，这些测角在平移和缩放下保持不变，从而实现自然的尺度控制。
• 使用测角刚性矩阵来表征编队的结构稳定性，确保在控制下形状的保持。
• 每个智能体的控制输入由其相对于期望测角构型的测角误差推导得出。
• 领导者速度被设计为包含平移和缩放分量的组合，其中缩放分量与从每个领导者指向质心的单位向量成正比。
• 通过李雅普诺夫分析证明稳定性，表明测角误差以及编队质心/尺度全局收敛至期望参考值。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种分布式编队控制律，在跟踪时变质心和尺度参考量的同时维持编队形状？
• RQ2 在基于测角的框架下，实现完整集体运动控制（平移与缩放）所需的最少领导者配置是什么？
• RQ3 为何基于测角的方法在尺度控制方面天然优于基于距离或位置的方法？
• RQ4 积分作用如何在领导者恒定速度输入存在的情况下消除稳态跟踪误差？
• RQ5 在所提出的PI控制律下，确保编队全局渐近稳定的条件是什么？

主要发现

• 所提出的PI控制律确保了编队质心和尺度对期望参考值的全局渐近收敛，即使在领导者速度恒定的情况下亦成立。
• 至少需要两名领导者协同控制质心和尺度，其速度分量需沿共同的平移与缩放方向对齐。
• 通过调节领导者速度的径向分量，可连续调整编队尺度，利用了测角在缩放下保持不变的特性。
• 测角误差全局收敛至零，确保了机动过程中始终维持期望的编队形状。
• 即使在分段连续的领导者速度指令下，该控制律仍能实现令人满意的性能，而不仅限于恒定输入。
• 从者无需访问全局信息（如领导者速度或编队质心），确保了完全的分布式运行。