多剛體系統(tǒng)姿態(tài)協(xié)同控制研究.pdf

1、多智能體系統(tǒng)的研究始于對(duì)自然界中生物集群現(xiàn)象的探索，研究者們從生物學(xué)、數(shù)學(xué)、人工智能、通信科學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)各個(gè)角度抽象出多智能體系統(tǒng)的基本模型并總結(jié)其基本控制規(guī)律。憑借著低成本、高效率、高靈活性、高容錯(cuò)性及易于部署等諸多優(yōu)點(diǎn)，多智能體系統(tǒng)迅速成為世界范圍內(nèi)的研究焦點(diǎn)。作為一類特殊的多智能體系統(tǒng)，多剛體系統(tǒng)具有多智能體系統(tǒng)的上述所有優(yōu)點(diǎn)，又因其在分布式航天器系統(tǒng)、群體機(jī)器人系統(tǒng)、多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)及分布式攝像機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等諸多工程應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛適

2、用性，使其受到越來(lái)越多的研究者關(guān)注。姿態(tài)協(xié)同控制是多剛體系統(tǒng)的一個(gè)核心研究課題，在航天器及機(jī)器人編隊(duì)、分布式視頻檢測(cè)等工程應(yīng)用中具有重要價(jià)值，其目的在于通過(guò)設(shè)計(jì)分布式姿態(tài)協(xié)同控制器使系統(tǒng)中所有的剛體姿態(tài)達(dá)到所期望的狀態(tài)。但由于剛體姿態(tài)控制模型的狀態(tài)方程及狀態(tài)空間的非線性特性，使得對(duì)多剛體系統(tǒng)姿態(tài)協(xié)同控制的分析較為復(fù)雜，目前對(duì)其研究尚處于初步階段?，F(xiàn)有研究較少深入考慮在執(zhí)行器故障、系統(tǒng)參數(shù)未知及外部干擾等因素下高性能控制器設(shè)計(jì)問(wèn)題，同時(shí)缺

3、乏對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信壓力問(wèn)題的有效解決手段。此外，現(xiàn)有的對(duì)建立在非線性流形SO(3)上的多剛體系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的姿態(tài)協(xié)同控制器僅能完成較為簡(jiǎn)單的控制任務(wù)，對(duì)于復(fù)雜的控制任務(wù)尚缺乏深入探討。
　　本文在綜述現(xiàn)有研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，分析了目前多剛體系統(tǒng)姿態(tài)協(xié)同控制研究中存在的不足，進(jìn)一步地，針對(duì)若干關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)研究。全文主要內(nèi)容概括如下：
　　研究了魯棒有限時(shí)間姿態(tài)協(xié)同控制問(wèn)題。由于在有限時(shí)間控制策略下系統(tǒng)往往能夠獲得更高的控制精度、更好的抗干

4、擾性及更快的穩(wěn)定速度，為此我們結(jié)合變結(jié)構(gòu)控制和自適應(yīng)控制的思想設(shè)計(jì)了多剛體系統(tǒng)有限時(shí)間分布式姿態(tài)協(xié)同控制器，使得系統(tǒng)中所有追隨者剛體的姿態(tài)能夠在有限時(shí)間內(nèi)進(jìn)入由領(lǐng)導(dǎo)者剛體構(gòu)成的凸包中。在設(shè)計(jì)過(guò)程中我們綜合考慮了驅(qū)動(dòng)器故障、外部干擾及系統(tǒng)參數(shù)未知等因素的影響，所設(shè)計(jì)的控制器更具應(yīng)用價(jià)值。
　　研究了基于事件觸發(fā)機(jī)制的姿態(tài)協(xié)同控制問(wèn)題。在工程應(yīng)用中，為了執(zhí)行以往文獻(xiàn)中所設(shè)計(jì)的姿態(tài)協(xié)同控制器，剛體間需要經(jīng)由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等周期地進(jìn)行信息交互。

5、這種過(guò)于保守的信息交互方式會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)通信壓力，進(jìn)而出現(xiàn)通信時(shí)滯、丟包甚至控制任務(wù)失敗的情況。為避免這種現(xiàn)象發(fā)生，考慮到實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題中網(wǎng)絡(luò)壓力因素的影響，我們將事件觸發(fā)機(jī)制引入到多剛體系統(tǒng)姿態(tài)協(xié)同控制問(wèn)題中，針對(duì)系統(tǒng)中的每個(gè)剛體設(shè)計(jì)了相應(yīng)的分布式觸發(fā)流程。在確?？刂迫蝿?wù)有效完成的基礎(chǔ)上，使得系統(tǒng)中每個(gè)剛體能夠以離散的形式按需地發(fā)送自身信息，從而大幅度降低了網(wǎng)絡(luò)通信壓力并實(shí)現(xiàn)了個(gè)體節(jié)能。
　　分析了流形SO(3)上的多剛體系統(tǒng)姿態(tài)協(xié)同

6、控制問(wèn)題。為了更加精準(zhǔn)地描述剛體姿態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，我們研究了在非線性流形SO(3)上的多剛體系統(tǒng)姿態(tài)協(xié)同控制問(wèn)題。我們針對(duì)每個(gè)剛體引入了位于李代數(shù)so(3)中的虛擬變量，基于此變量運(yùn)用非線性流形的相關(guān)知識(shí)及漸近自治系統(tǒng)的穩(wěn)定性理論，設(shè)計(jì)了基于一致性協(xié)議的姿態(tài)協(xié)同構(gòu)形控制器，使得流形SO(3)上的多剛體系統(tǒng)能夠完成更為復(fù)雜的姿態(tài)協(xié)同控制任務(wù)。
　　探討了流形SO(3)上的多群組剛體系統(tǒng)事件觸發(fā)姿態(tài)協(xié)同控制問(wèn)題。運(yùn)用流形SO(3)上的控制