具有定向拓扑的二阶多智能体系统的时变群形成分析与设计

在自动化与控制科学领域中，多智能体系统（multi-agent system）是由多个智能体（agent）通过相互协作、信息交换来完成特定任务或达到预定目标的复杂系统。这些智能体可以是机器人、软件代理、传感器节点等。多智能体系统的运行模式常常依赖于它们之间的通信拓扑结构，而这些结构通常可以分为无向拓扑和有向拓扑。无向拓扑是双向对称的通信连接，而有向拓扑则代表着通信是单向的。 二阶多智能体系统指的是每个智能体的动力学模型至少包含两个积分环节，能够描述其位置和速度两个状态变量。在分布式控制领域，群形成（group formation）是智能体系统中的一类重要问题，其主要关注的是智能体如何在空间中自动组织成特定的结构模式。时变群形成则是指群的形态随着时间改变，这是更为复杂和动态的研究课题。 本文研究的标题“具有定向拓扑的二阶多智能体系统的时变群形成分析与设计”表明，研究的对象为基于有向通信拓扑的二阶多智能体系统，且该系统具有动态变化的群结构特征。文章聚焦于如何通过设计控制协议来确保系统的稳定性和群体形态的目标达成。 文章的关键词包括时变群形成、群形成、二阶动力学、多智能体系统、有向拓扑。这些关键词直接关联到研究的核心内容，其中“时变群形成”强调了研究的动态特性，而“有向拓扑”揭示了智能体间通信的非对称性。 研究内容涉及以下几个方面： 1. 通过局部相对位置和速度信息，构建了一个时变群形成控制协议，使得系统中的每个智能体能根据其邻居智能体的状态，调整自己的运动，以达到预期的群结构。 2. 应用图论中的非奇异变换，研究了闭合回路系统的特性，以确保系统达到时变群形成的状态。 3. 提出了实现时变群形成的充分条件和可行性约束，这些条件和约束对于设计时变群形成控制协议至关重要。 4. 导出了描述时变子群形成宏观运动的子群形成参考函数的显式表达式。 5. 通过解决代数Riccati方程，提出了设计时变群形成协议的方法。 6. 通过一个包含三个子群的数值示例，证明了所提出方法的有效性。 在本文的背景介绍部分，作者指出，由于在自然界和工程实践中多智能体系统的重要性和广泛应用，多智能体系统的群体控制问题引起了越来越多的关注。特别是在多智能体系统进行复杂的任务时，如何在动态变化的环境中实现有效的群体控制，是当前研究的热点。 传统的群形成控制通常只能实现一个固定的群体结构，而本文提出的方法中，智能体被划分为不同的子群，每个子群通过子群间和子群内的相互作用形成特定的时变子群体结构。这意味着每个子群都具备高度的自主性，并且能够在保持与其它子群通信的同时完成指定的群体形态变化。 研究的现实意义在于，它能为设计和实现更为复杂和灵活的群体控制任务提供理论基础，比如在灾难救援、智能交通系统和分布式传感网络等领域中具有潜在的应用价值。通过这样的研究，多智能体系统能够更好地适应变化的环境，提高任务执行的效率和鲁棒性。