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基于分布式观测器的移动机器人编队轨迹跟踪控制方法研究

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基于分布式观测器的移动机器人编队轨迹跟踪控制方法研究

作者：张云瑞南京理工大学

学位级别：硕士

随着机器人技术的普及和发展,移动机器人这一重要分支越来越多的走进生产生活之中,相应的多移动机器人编队问题也日益受到广泛关注。本文以多移动机器人系统为研究对象,为解决该系统的编队轨迹跟踪控制问题进行了探讨。本文具体研究内... 详细信息

随着机器人技术的普及和发展,移动机器人这一重要分支越来越多的走进生产生活之中,相应的多移动机器人编队问题也日益受到广泛关注。本文以多移动机器人系统为研究对象,为解决该系统的编队轨迹跟踪控制问题进行了探讨。本文具体研究内容总结如下:(1)两种可观测条件下移动机器人编队运动学模型的轨迹跟踪控制研究。分别在局部可观测和局部联合可观测条件下,根据领导者-跟随者通信模型建立了两类不同的分布式观测器,实现了移动机器人编队运动学模型对包含队形参考模型的期望轨迹的跟踪控制器设计,并通过仿真验证了控制器的有效性。(2)移动机器人动力学控制器设计。将控制律应用于真实被控对象或其物理模型时,需要考虑其动力学特性,本文通过Newton-Euler法对移动机器人的动力学模型进行了分析,并基于该模型设计了移动机器人动力学模型的轨迹跟踪控制器。(3)移动机器人动力学模型编队轨迹跟踪控制研究。将所设计的编队跟踪控制器拓展于移动机器人编队的动力学模型,实现了两种可观测条件下移动机器人编队的动力学模型轨迹跟踪控制器设计。(4)基于MBD(基于模型的设计)开发流程的控制器验证。搭建了移动机器人编队的物理模型,并设计了MIL(模型在环)测试和HIL(硬件在环)测试方案。在MIL测试中,分别在两种可观测条件下进行了仿真测试,验证了控制算法的有效性。在HIL测试中,将控制算法通过代码生成方式部署于控制器硬件,并配合实时目标机,在实时物理模型上对控制器的效果进行了验证。

关键词：移动机器人编队控制轨迹跟踪分布式观测器 MBD

基于分布式观测器的非线性多智能体系统领导-跟随控制

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基于分布式观测器的非线性多智能体系统领导-跟随控制

作者：倪俊华南理工大学

学位级别：硕士

近二十年来,多智能体系统的一致性问题一直是控制领域的热点问题,其主要分为无领导者一致性和领导-跟随一致性。在实际的领导-跟随控制中,往往不是所有跟随者都能获得领导者信息,分布式观测器是实现分布式一致性策略的一种有效方法。该... 详细信息

近二十年来,多智能体系统的一致性问题一直是控制领域的热点问题,其主要分为无领导者一致性和领导-跟随一致性。在实际的领导-跟随控制中,往往不是所有跟随者都能获得领导者信息,分布式观测器是实现分布式一致性策略的一种有效方法。该方法将领导-跟随一致性问题解耦为估计领导者状态和设计控制器跟踪估计状态两部分,简化了多智能体系统的控制,且带来了更多的设计灵活性。目前关于分布式观测器的研究都是针对具有线性、已知非线性或未知线性参数动态的领导者,对于未知非线性领导者的分布式观测器研究结果极少。然而,实际系统大多具有非线性结构且不可避免地存在建模不确定性,因而研究未知非线性领导者的分布式观测器设计具有重要的价值。本文主要针对具有非线性动态领导者的非线性多智能体系统,提出了基于分布式观测器的领导-跟随控制策略,主要工作概述如下:首先,针对领导者动态为已知非线性的多智能体系统,设计分布式观测器准确估计领导者的状态,并利用观测到的领导者状态作为跟踪信号设计分散式自适应神经网络跟踪控制器。通过结合该控制器和分布式观测器,实现多智能体系统的一致性控制。随后,针对领导者动态为未知非线性的多智能体系统,首先在领导者上利用确定学习理论设计动态估计器来学习、存储领导者的未知动态知识。然后,通过将领导者动态表示成常值的径向基函数神经网络,设计基于确定学习的分布式观测器。最后,基于所观测的领导者状态设计分散式自适应神经网络跟踪控制器。通过结合该控制器和分布式观测器,实现具有未知非线性领导者的多智能体系统一致性控制。最后,针对领导者动态为未知非线性的多智能体系统,为了简化上述分布式观测器设计步骤,利用径向基函数神经网络直接为领导者设计分布式神经网络观测器。通过给出一类具有非线性摄动项的线性时变系统指数稳定性引理,证明该观测器不但能准确观测领导者的状态,还能学习领导者的未知动态知识。然后,对于相似的领导者轨迹,利用所存储的领导者未知动态知识,设计经验利用分布式观测器。经验的利用可以避免额外计算损耗,并且提升对领导者状态的观测性能。最后基于两种观测器设计对应的领导-跟随控制策略。

关键词：分布式观测器领导-跟随一致性确定学习非线性多智能体系统

基于分布式观测器的多无人机系统容错控制技术研究

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基于分布式观测器的多无人机系统容错控制技术研究

作者：蒋银行南京航空航天大学

学位级别：硕士

近二三十年来,无人机在民用和军事领域发挥着越来越多的作用,如情报侦察、物资运输、农林植保等。随着集成芯片、人工智能、信息与通信等技术的发展,无人机的发展朝着更加自主化、智能化、集群化的方向发展。多无人机协同控制技术因潜... 详细信息

近二三十年来,无人机在民用和军事领域发挥着越来越多的作用,如情报侦察、物资运输、农林植保等。随着集成芯片、人工智能、信息与通信等技术的发展,无人机的发展朝着更加自主化、智能化、集群化的方向发展。多无人机协同控制技术因潜在的军用和商用价值而成为各国争相研究的热点,其中多无人机协同系统的安全性和可靠性至关重要。因此,多无人机协同系统故障诊断和容错控制技术的研究受到学者的极大关注,但同时通信网络和结构的复杂性,给诊断和容错技术的实现带来挑战。本文基于分布式观测器方法,研究了多无人机协同系统的故障诊断和容错控制技术,搭建了半物理仿真实验平台,验证了所提方法的有效性。首先,阐述课题的研究背景和意义,并对多无人机协同系统的故障诊断与容错控制技术的国内外研究现状进行了综述。然后,使用图论的方法对多无人机协同系统中无人机之间的通信关系建模,同时建立了无人机飞行控制系统的非线性模型和线性模型。其次,为解决故障导数和扰动上界需要已知的问题,针对含有扰动和传感器故障的多无人机协同系统,提出了一种基于分布式奇异观测器的故障估计算法,利用矩阵变换将无人机控制系统转换为奇异系统,并设计分布式奇异观测器进行故障估计,满足全局误差系统稳定性,且通过仿真验证了算法的有效性。然后,考虑到多无人机协同系统的可靠性和安全性,需要整个系统具有容错能力。为此,提出了一种基于分布式故障估计观测器的多无人机系统主动容错控制方法,完成了全局跟踪误差系统的稳定性证明,给出多无人机协同系统实现协同容错一致性的充分条件。仿真对比分析了无容错控制算法和有主动容错控制算法时传感器故障对单机和整体系统的影响,证明了所设计的容错控制算法的有效性。最后,为验证本文所设计算法的工程实用性,搭建多无人机系统容错控制半物理仿真实验平台,设计了执行器故障、传感器故障、通信故障的注入方法,并设计多无人机协同系统的通信拓扑网络具体工程实现方式。通过插值增益调度PID容错实验验证了执行器故障注入下容错控制方法的有效性,并使用一架四旋翼无人机和两辆地面无人机进行多无人机故障诊断和容错控制半物理仿真实验,验证了四旋翼无人机传感器故障情况下所设计的基于分布式观测器的多无人机协同系统容错控制方法的适用性。

关键词：多无人机协同故障估计容错控制分布式观测器多无人机实验平台

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基于事件触发的分布式观测器设计

基于事件触发的分布式观测器设计

作者：田辉华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着分布式控制和多智能体系统的发展,分布式估计/观测器技术引起了科学界越来越多的关注。分布式观测器由于具有灵活性和鲁棒性,在复杂环境监测、目标跟踪等场景中得到广泛应用。本论文主要研究分布式观测器的设计问题,并将事件触发控... 详细信息

随着分布式控制和多智能体系统的发展,分布式估计/观测器技术引起了科学界越来越多的关注。分布式观测器由于具有灵活性和鲁棒性,在复杂环境监测、目标跟踪等场景中得到广泛应用。本论文主要研究分布式观测器的设计问题,并将事件触发控制,量化控制运用到分布式观测器中,最后通过数值仿真验证设计方法的有效性。全文主要工作包括以下方面:1.对于无向通信拓扑结构,为了实现（子）观测器之间的离散时间通信,提出了一种动态事件触发机制来降低相邻观测器之间的通信频率,同时保证所设计的观测器的准确估计。通过李雅普诺夫方程和LMI（矩阵不等式）求解系统矩阵。在事件触发机制情况下,每个观测器只有在满足相关的事件触发条件时才会广播自己的信息给它的邻居,并且证明了两个事件触发之间存在最小时间间隔,避免了 Zeno行为。2.为实现观测器与被观测对象之间的离散通信,提出了一种依赖于时间的事件触发机制降低观测器与被观测对象之间的通信频率,同时保证观测器估计的准确性。当事件触发条件满足时,观测器才会接收到来自被观测对象的部分输出。同时事件触发条件存在最小时间间隔,避免了 Zeno行为。3.研究了在量化约束的情况下的分布式观测器的设计问题,通过设计均匀量化器和对数量化器,实现分布式观测器之间的量化通信。此外,还设计了通过事件触发控制实现量化信息通信的分布式观测器。最后对全文工作进行总结,指出目前分布式观测器研究中存在的研究不充分的地方和发展方向,并对以后的工作进行展望。

关键词：多智能体系统分布式观测器分布式估计事件触发控制量化

基于分布式观测器的异质多自主车辆协同控制算法研究

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基于分布式观测器的异质多自主车辆协同控制算法研究

作者：朱章谋广州大学

学位级别：硕士

多自主车辆协同作为智能交通系统的一个重要研究方向,通过车辆间的通信(Vehicle-to-Vehicle,V2V)在一定范围内获取周围车辆信息(如速度、位置),从而建立起高效协同的线性车队编队运行模式,其优势在于有效提高交通安全、增加高速公路容... 详细信息

多自主车辆协同作为智能交通系统的一个重要研究方向,通过车辆间的通信(Vehicle-to-Vehicle,V2V)在一定范围内获取周围车辆信息(如速度、位置),从而建立起高效协同的线性车队编队运行模式,其优势在于有效提高交通安全、增加高速公路容量、提高燃油经济性并减少碳排放。在编队方法中,领导-跟随者是一种被广泛采用的模式,其核心是由领导者牵引所有跟随车辆,而领导者可以是实际的车辆或者虚拟的设定轨迹。因此,获取领导者完整信息对车队协同控制至关重要。基于此,本文重点研究分布式观测器的设计方法,使得每个节点只需获取领导者部分输出信息,通过节点间信息交换实现对领导者状态信息的完整估计,并将其用于解决多自主车辆的输出调节问题。本文主要研究内容如下:1)研究了理想环境、乘性噪声环境以及马尔可夫随机切换拓扑下的分布式观测器设计方法。在被观测系统满足联合能观性假设的前提下,结合Lyapunov理论和It(?)公式,对分布式观测器相关参数进行理论分析,确定参数的范围。仿真结果显示利用分布式观测器可以准确估计被观测系统的完整状态信息。2)针对多自主车辆的输出调节问题,其中只有部分车辆能够获得外部系统部分输出信息,本文提出新的解决方案。每辆车结合分布式观测器,通过互相协作实现对外部系统信息的完整估计。随后,将估计到的信息用于车辆控制器设计中,提出相应控制策略,有效解决多自主车辆的输出调节问题。为了进一步减少通信次数节省资源,提出了动态事件驱动输出调节控制器设计方法。系统能够智能地调整通信频率,仅在必要时触发通信,保证系统性能的同时进一步降低通信触发次数。

关键词：车辆协同控制分布式观测器动态事件驱动输出调节问题

基于观测器的无人机编队分布式故障诊断与调节研究

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基于观测器的无人机编队分布式故障诊断与调节研究

作者：印磊南京航空航天大学

学位级别：硕士

自上个世纪九十年代以来,无人机在军事以及民用领域都得到了广泛的应用,如目标打击、农林植保、航拍娱乐等。相较于单架无人机,无人机编队在容错性、灵活性以及协作性方面都有着无可比拟的优势,因而成为当今世界无人机领域中的研究热点... 详细信息

自上个世纪九十年代以来,无人机在军事以及民用领域都得到了广泛的应用,如目标打击、农林植保、航拍娱乐等。相较于单架无人机,无人机编队在容错性、灵活性以及协作性方面都有着无可比拟的优势,因而成为当今世界无人机领域中的研究热点。然而,由于飞行环境以及编队系统自身的复杂特性等客观原因,发生故障的概率也随之增大。因此,为了保证无人机编队系统具有很强的安全性与可靠性,设计有效可行的无人机编队系统故障诊断与容错控制方法是一个至关重要且意义重大的研究领域。本文基于分布式观测器的方法对发生了执行器故障的无人机编队系统设计了故障诊断与容错控制算法,并在Quanser无人工具实验平台上验证了所提方法的实际工程应用价值。首先,阐述了课题的研究背景与意义,并对无人机编队的故障诊断与容错控制技术的国内外研究现状进行了综述。然后,建立无人机飞控系统的数学模型,并借助图论的方法建立编队中无人机之间的通信拓扑结构。其次,采用有向图描述无人机编队系统的通信拓扑结构,针对含有扰动和执行器故障的无人机编队系统,通过引入相对输出估计误差,提出了一种基于带有可调参数的分布式区间观测器的故障估计方法,完成了基于Lyapunov函数的全局误差系统的稳定性证明,且通过仿真验证了方法的有效性。然后,为了更加符合真实情况,在无人机编队中进一步考虑了时滞问题。另外,考虑到了无人机编队必须要有一定的容错能力来增强系统的可靠性。为此,设计出一种基于分布式故障估计观测器的时滞无人机编队系统的主动容错控制方法,完成了基于Lyapunov-Krasovskii泛函的稳定性证明,并给出了主动容错控制系统存在的充分条件。仿真对比分析了只有标称控制算法与有主动容错控制算法时执行器故障对被控输出的影响,证明了所提主动容错算法的有效性。最后,为了验证本课题所设计方法的工程应用效果,基于实验室提供的实验设备,在Quanser公司研制的无人工具平台上进行了半物理仿真实验验证,并设计了执行器故障注入方法。本实验使用了两台地面无人机Qbot2与一架无人飞行器Qball-X4组成一个编队进行故障诊断与容错控制半物理仿真实验,实验结果表明所设计的分布式观测器故障估计性能良好,即使在发生执行器故障情况下,整个编队系统依然可以保持稳定,从而验证了主动容错控制算法在工程上有一定的实用价值。

关键词：无人机编队故障估计容错控制分布式观测器有向通信拓扑

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带有观测器的广义多智能体系统二分一致性

控制理论与应用 2023年第1期40卷 32-38页

作者：韩涛关治洪詹习生严怀成陈洁湖北师范大学电气工程与自动化学院湖北黄石435002 华中科技大学人工智能与自动化学院湖北武汉430074 华东理工大学信息科学与工程学院上海200237 湖北工业大学理学院湖北武汉430074

本文研究了带有观测器的广义多智能体系统的二分一致性问题.根据符号图的特性,提出了一种基于广义观测器的分布式二分一致性控制协议.以广义系统稳定性理论和代数图论为主要研究工具,分析并得到了广义多智能体系统实现二分一致性的充分... 详细信息

本文研究了带有观测器的广义多智能体系统的二分一致性问题.根据符号图的特性,提出了一种基于广义观测器的分布式二分一致性控制协议.以广义系统稳定性理论和代数图论为主要研究工具,分析并得到了广义多智能体系统实现二分一致性的充分条件.利用广义观测器的相对和绝对信息设计了两种新的二分一致性控制协议.数值仿真验证了理论结果的准确性和有效性.

关键词：广义多智能体系统二分一致性分布式观测器

仅考虑位置信息连通性保持的群体机器人集结控制

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控制与决策 2013年第5期28卷 791-796页

作者：李文锋董文涛武汉理工大学物流工程学院武汉430063

研究速度信息未知情形下的群体机器人集结控制问题.分别针对未设置虚拟领导者和设置虚拟领导者两种情形,提出了仅考虑位置信息的观测器和具有网络连通性保持的分布式控制方法.理论分析表明该算法具有网络连通性保持功能,并且保证所有机... 详细信息

研究速度信息未知情形下的群体机器人集结控制问题.分别针对未设置虚拟领导者和设置虚拟领导者两种情形,提出了仅考虑位置信息的观测器和具有网络连通性保持的分布式控制方法.理论分析表明该算法具有网络连通性保持功能,并且保证所有机器人的速度信息收敛到一致,机器人最终也会聚集到一起.数值仿真实验验证了所提出分布式控制算法的有效性.

关键词：集结群集控制连通性分布式观测器

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主-从多飞行器三维分布式协同制导方法

航空学报 2021年第11期42卷 229-238页

作者：李国飞朱国梁吕金虎刘克新武春风北京航空航天大学网络空间安全学院北京100191 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 航天科工微电子系统研究院有限公司成都610200

针对三维空间下的多飞行器协同打击问题,基于主飞行器和从飞行器架构提出了两种分布式协同制导方法,实现了所有飞行器最终对目标的同时命中。方法1在定义协调变量的基础上,通过对所选协调变量的一致性协同控制使从飞行器状态同步于主飞... 详细信息

针对三维空间下的多飞行器协同打击问题,基于主飞行器和从飞行器架构提出了两种分布式协同制导方法,实现了所有飞行器最终对目标的同时命中。方法1在定义协调变量的基础上,通过对所选协调变量的一致性协同控制使从飞行器状态同步于主飞行器状态。方法2提出了分布式观测器对主飞行器的状态进行准确估计,各从飞行器通过跟踪观测的主飞行器状态信息实现命中时间的一致。理论分析表明,两种方法都可保证多飞行器同时命中目标。仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。

关键词：协同制导主从飞行器同时命中分布式观测器一致性控制