群集运动控制及其相关特性的研究

论文摘要

近年来，分布式大规模网络化群体系统的协调控制问题逐渐成为国内外智能系统理论界研究的热点。这源于自然界中广泛存在的群体现象，大规模群体系统不仅可以描述和解释大多数生物群体的群体协调行为和白组织现象，而且在工程上具有广阔的应用前景。因此，研究大规模群体系统的理论与应用具有重大的意义。本论文在前人的研究基础上，对现有生物群体行为的涌现机制进行深入理解，研究分析群体系统群集行为以及与之相关的动态特性问题。首先综述了大规模群体系统的发展历程，以及当前国内外关于群集行为建模与控制方法的理论研究和应用研究的现状。然后采用人工势能结合速度一致的策略，提出了一类带虚拟领航者的自适应的群集运动控制模型并分析了固定／切换两种拓扑结构下系统的稳定性，讨论了群体系统中局部外界环境和个体自身内部因素对群集行为的影响。随后，在此基础上，将该问题推广到有障碍物空间，探讨了全局环境未知且存在静态障碍物的情况下群集运动控制与避障问题；并将个体扩展为具有记忆能力的智能个体，提出了一类基于记忆能力的大规模智能群体群集运动和避障控制策略，使群体能安全地穿过障碍区。群体对应的拓扑结构为连通图是系统收敛必要条件；本文对连通性控制问题进行了深入研究，分析了连通性保持的实质；针对任意初始状态的群体系统提出了两种连通性控制策略；并采用相应的策略分别在系统对应的初始邻接图连通和不连通的两种条件下实现了连通性保持和群集运动控制，从而扩宽放松群集运动收敛的条件。时延是网络系统中普遍存在的现象；本文以跟踪动态的领航者的群集现象为研究对象，研究分析了带时延的群集运动控制的稳定性问题。首先采用了时域和频域稳定性分析方法分析了固定时延和时变时延系统的稳定性，得出了带相同时延的群体系统收敛的条件。然后，采用频域法分析带多时延的群体系统的稳定性，该方法不要求时延的导数已知，从而放松拓宽了以往研究的限制条件；得出了系统按衰减度为α＞0的指数稳定的条件；并采用线性矩阵不等式方法(LMI)进一步探讨了带参数扰动的多时延的群集系统，得出了系统稳定运行的条件。最后，通过Lyapunov方法分析估计系统的跟踪误差，探讨了时延对系统性能(跟踪误差)的影响。反馈机制是提高系统性能的有效方法；本文采用两种策略将反馈机制引入到有领航者的群集运动控制中，分析了该策略的鲁棒性以及容错性。模型中领航者按事先确定的轨迹运行，同时领航者需根据跟随者的状态信息自适应的调节自身的运行跟踪轨迹。研究分析表明该策略具有容错性，且减小了系统的跟踪误差，提高了系统的鲁棒性。本文最后针对基于最小外接圆方法的群集模型的局限性，在前人的研究基础上，采用求解任意维空间点集的凸壳的方法，将该模型推广到n维空间中，对n维空间中群体的聚集以及迁徙行为进行建模和稳定性分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 网络化群体系统的理论研究现状
• 1.3 网络化群体系统的在应用领域中的研究现状
• 1.4 课题来源和主要工作
• 2 基于虚拟领航者的大规模智能群体群集运动控制
• 2.1 引言
• 2.2 基本的群集运动控制模型
• 2.3 基于自适应虚拟领航者的群集运动
• 2.4 基于有限记忆的智能群体的群集运动
• 2.5 小结
• 3 全局未知环境下智能群体的群集运动与避障控制
• 3.1 引言
• 3.2 单个个体的避障运动
• 3.3 未知环境下群集运动与避障控制
• 3.4 有限记忆的智能群体
• 3.5 小结
• 4 基于连通性保持的群集运动控制
• 4.1 引言
• 4.2 邻接图G（t）的连通性
• 4.3 连通性保持的群集运动控制建模
• 4.4 连通性保持的有领航者的群集控制及其鲁棒性分析
• 4.5 仿真分析
• 4.6 小结
• 5 具有通信时延的有领航者的群集运动控制
• 5.1 引言
• 5.2 具有相同时延的有领航者的群集运动的稳定性分析
• 5.3 具有多时延的有领航者的群集运动稳定性分析
• 5.4 具有参数扰动的多时延的有领航者的群集运动控制
• 5.5 带时延的有领航者的群集运动系统的跟踪性能分析
• 5.6 小结
• 6 基于反馈控制策略的有领航者的群集控制
• 6.1 引言
• 6.2 有领航者的群集控制模型和基本理论
• 6.3 信息反馈控制策略
• 6.4 系统的稳定性及相关性能分析
• 6.5 仿真分析
• 6.6 小结
• 7 一种任意维空间中的群集行为的建模及稳定性分析
• 7.1 引言
• 7.2 群体集结和迁徙模型的代表性结论
• 7.3 任意维空间中的群体集结与迁徙行为的建模及稳定性分析
• 7.4 一种求任意维凸壳的算法的介绍
• 7.5 仿真
• 7.6 结论
• 8 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 今后工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读博士学位期间发表的论文目录
• 附录B 公开发表的学术论文与博士学位论文的关系