[论文解读] Connectivity-Preserving Consensus of Multi-Agent Systems with Bounded Actuation

Yuan Yang, Daniela Constantinescu+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2018

Distributed Control Multi-Agent Systems参考文献 52被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于梯度的多智能体系统控制策略，适用于有界执行器，表明即使在执行器饱和的情况下，运动学系统仍可实现连通性保持的一致性，而欧拉-拉格朗日系统则因执行器能力受限而面临初始状态约束。本文提出了一种间接耦合控制框架，将执行器限制转化为势函数约束，从而在仅使用位置测量、存在不确定性及时变延迟的情况下实现一致性，且无需速度传感。

ABSTRACT

This paper investigates the impact of bounded actuation on the connectivity-preserving consensus of two classes of multi-agent systems, with kinematic agents and with Euler- Lagrange agents. The investigation establishes that: (1) there exists a class of gradient-based controls which drive kinematic multi-agent systems to connectivity-preserving consensus even if they saturate; (2) actuator saturation restricts the initial states from which Euler-Lagrange multi-agent systems can be synchronized while preserving their local connectivity; (3) Euler-Lagrange multi-agent systems with unbounded actuation can achieve connectivity-preserving consensus without velocity measurements or exact system dynamics; and (4) a proposed indirect coupling control strategy drives Euler-Lagrange multi-agent systems with limited actuation and starting from rest to connectivitypreserving consensus without requiring velocity measurements and including in the presence of uncertain dynamics and timevarying delays.

研究动机与目标

• 研究有界执行器对多智能体系统中连通性保持一致性的影响。
• 确定执行器饱和是否破坏运动学与欧拉-拉格朗日多智能体系统中的连通性与一致性。
• 设计控制器，确保在执行器限制、参数不确定性及时变通信延迟下实现连通性保持与一致性。
• 开发输出反馈与自适应控制策略，消除对速度测量与精确系统动力学的依赖。
• 将该框架扩展至处理具有有限执行器能力的欧拉-拉格朗日系统中的不确定动力学与时变延迟。

提出的方法

• 使用在一致性配置处具有唯一极小值的广义势函数对运动学与欧拉-拉格朗日多智能体系统进行建模。
• 将执行器饱和视为控制输入的动态缩放，以分析其对连通性与一致性的影响。
• 提出一种间接耦合控制框架，将智能体间耦合分解为智能体-代理与代理-代理相互作用，从而将执行器限制转化为势函数上的约束。
• 设计一种仅使用位置测量与虚拟阻尼注入的输出反馈控制器，在执行器受限条件下稳定系统。
• 开发一种自适应控制器，可在线估计不确定的系统参数，确保在模型不准确时仍能收敛。
• 采用基于李雅普诺夫的稳定性分析，证明在有界执行器、时变延迟与不确定性条件下，系统可实现渐近一致性与连通性保持。

实验结果

研究问题

• RQ1 当执行器饱和时，基于梯度的控制器是否仍能在运动学多智能体系统中实现连通性保持的一致性？
• RQ2 执行器饱和是否限制了欧拉-拉格朗日多智能体系统实现连通性保持一致性的初始状态集合？
• RQ3 具有有界执行器的欧拉-拉格朗日系统是否可仅使用位置测量且无需精确掌握系统动力学来实现一致性？
• RQ4 在执行器受限与动力学不确定的欧拉-拉格朗日系统中，如何处理时变通信延迟？
• RQ5 间接耦合控制策略是否可将执行器限制转化为势函数上的约束，以实现连通性保持？

主要发现

• 一类基于梯度的控制器即使在执行器饱和条件下，也能确保运动学多智能体系统实现连通性保持的一致性，且收敛速度优于饱和感知设计。
• 对于欧拉-拉格朗日系统，执行器饱和限制了可实现连通性保持一致性的初始状态集合，2个智能体的反例已证实此现象。
• 输出反馈控制器可在完全驱动的欧拉-拉格朗日系统中实现一致性，仅使用位置测量，在时变延迟下于3×10⁴秒内实现收敛。
• 自适应控制器在参数不确定性下仍能实现一致性，通过选择 $ Q=0.1 $, $ \alpha=1 $, 和 $ \kappa=50 $，可保证 $ V(0) \leq \Psi_{\text{max}} $。
• 当时变延迟上限为0.1秒时，控制器在 $ 3 \times 10^4 $ 秒内确保一致性，其中 $ \phi^* = 0.034 $ 且 $ \delta = 0.015 $，在 $ \rho = 0.001 $ 与 $ \beta_i = 200 $ 条件下成立。
• 间接耦合框架成功地将执行器限制转化为势函数约束，实现了无需速度测量或精确动力学信息的连通性保持。