生命群集协调行为模型的改进及同步控制研究

论文摘要

近几十年来,来自物理学、生物学、数学、控制科学、计算机科学以及社会科学等领域的科学家逐渐开始对生命群集的协调运动现象产生出兴趣。生命群集是对现实世界中的生物群体（如鱼群、鸟群、蚁群）和人工群体（如机器人群、无人飞行器机群）的一种高度抽象,它由大量相互作用的智能体组成,而每个智能体都遵循相同的控制规则。生命群集运动中让人惊叹的地方在于个体之间简单的控制规则却能够产生出极为复杂的群集运动形式。数值模拟和解析求证是目前在生命群集协调运动研究领域主要采用两种研究方法。本文详细分析了五个典型的生命群集协调行为模型,包括Vicsek模型、A/R模型、Three-Circle模型Circular Motion模型以及恐慌群集行为模型并对以上模型在速度同步方法、逃避捕食者策略和低代价环绕运动的实现等方面进行了扩展研究。将部分通信和滤波的思想引入Vicsek模型后,仿真结果显示可以达到几乎与完全通信相同的同步效果并且有助于群集的凝聚,同时还解决了高噪声环境下群集个体难以实现同步的问题。在Three-Circle模型中加入捕食者后,发现了模型同步区宽度的变化速率与群集个体生存频率的关系,这一结果对生物学上的相关研究具有积极的启示。在对α-lattice模型和最小模型研究的基础上,本文提出了一个能够实现个体速度自适应同步并防止碰撞的新模型。通过严格的理论分析,给出了该模型中的群集个体速度达到同步的充分条件。以新模型为平台进行扩展,设计出了针对简单障碍物的避障机制和线性运动目标的跟踪策略,使得该模型具有更广阔的应用空间。在对群集模型的扩展以及新的自适应防碰撞模型的构建过程中,本文主要从工程实际出发考虑节省能量消耗、减轻强噪声干扰和个体间的碰撞等问题并尽可能简化群集个体间的控制规则,这使得本文的研究结果具有较强的应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 生命群集协调行为研究的由来
• 1.2 生命群集协调行为研究的进展
• 1.3 本论文的研究任务和规划
• 2 五种主要群集模型的分析
• 2.1 Vicsek 模型
• 2.2 A/R 模型
• 2.3 Three-Circle 模型
• 2.4 Circular Motion 模型
• 2.5 恐慌群集行为模型
• 2.6 本章小结
• 3 群集协调行为模型的改进
• 3.1 速度同步的方法
• 3.2 逃避捕食者的策略
• 3.3 低代价环绕运动的实现
• 3.4 本章小结
• 4 自适应防碰撞群集模型的构建、分析和扩展
• 4.1 自适应防碰撞模型的建立
• 4.2 模型的稳定性分析
• 4.3 避障机制设计与目标跟踪策略研究
• 4.4 本章小结
• 5 总结和展望
• 5.1 研究总结
• 5.2 主要缺陷及今后的研究重点
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间发表的论文