Skip to main content
SUPERVISOR
فرزانه عبدالهی (استاد مشاور) محمدرضا پوریای ولی (استاد مشاور) جعفر قیصری (استاد راهنما)
 
STUDENT
Kobra Ghasemi
کبری قاسمی آقبلاغی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391

TITLE

Consensus based formation control of multi agent systems on lie groups
Cooperative control of multi-agent systems (MAS) has been an active area in the past decade. Cooperative agents in MAS must achieve a common goal under communication constraints. The goal is to design a distributed control law such that each agent can exhibit a specified behavior, such as consensus, formation, rendezvous, flocking, synchronization, coordination, and covering, using only local information from its neighbors. In several applications, agents are modeled as rigid bodies, where the state of each agent is on nonlinear space that is called Lie group. In this study, in the first step, the geometric properties of the Lie group SO(3) has been exploited in a global and coordinate-free approach to avoid singularity and ambiguities associated with the attitude representation of Euler angles and quaternion. Without embedding the Lie group SO(3) in Euclidean spaces, a new approach for analyzing the attitude synchronization problem for multiple rigid bodies is developed. Using the same procedure as that for the Euclidean case, the consensus law is proposed based on the gradient of a smooth cost function which depends on the relative attitude of neighboring agents. It is proved that for every connected and undirected graph, convergence to synchronization can be achieved using the proposed consensus law and a sufficiently small step size if the initial attitudes of agents are adequately close. The sets of initial attitudes that ensure convergence to synchronization are obtained for three types of graph topologies, i.e. tree, complete, and ring. It is shown that the initial set is more restrictive for ring graph topology with N 5 agents, owing to the existence of other critical points for the cost function induced by graph topology. Moreover, the exceptional case in which the ring graph has four agents has been discussed. However, characterizing the set of initial conditions depends on the critical points of the cost function which depends on communication graph topology. Hence, using the appropriate Lyapunov function, sufficient condition has been derived that guarantees synchronization occurs for any connected and undirected graph. Using the obtained results and the idea of auxiliary variable on the Lie group SO(3), the consensus law for any initial attitude of rigid bodies in a connected graph is proposed. Then, the consensus-based formation control laws for MAS which is described by the kinematic equation, with or without a leader, are proposed. Applying the viscosity solution for the Hamilton Jacobi problem on the rotational group, in the reverse approach, the consensus laws designed on the Lie algebra so(3) are transferred to the equivalent consensus laws on the Lie group SO(3). The advantage of these consensus laws lies in the fact that convergence to the synchronization doesn't depend on the graph topology. In the next step, considering bounded external disturbance in the dynamic equation of rigid bodies and using the robust sliding mode control, the formation problem on Lie group SE(3) is discussed in virtual structure and consensus-based approach. To deal with external disturbance in a network of rigid body an adaptive intrinsic PID sliding mode control is proposed to the formation control of MAS in a virtual structure. The advantage of this control method is that it is robust with respect to external disturbances and parametric uncertainties. Since in real applications, the performance of virtual structure-based method was greatly deteriorated by failure in central unit, or existence of communication constraint, the new error vector based on the gradient of modified error function on the Lie group SE(3) is applied to design sliding mode law for consensus-based leader-follower formation control. Finally, in the presence of uncertainty in the inertial matrix and existence of known and unknown external disturbance the robust consensus laws based on the adaptive control are proposed. Numerical simulation results have also illustrated the effectiveness of the proposed control schemes.
در سال‌های اخیر، توجه ویژه‌ای به کنترل مشارکتی سیستم‌های چند عاملی شده است و انواع مسائل مطرح در زمینه‌ی کنترل سیستم‌های چند عاملی مانند اجماع، آرایش‌بندی، قرار ملاقات، حرکت گروهی، سنکرون‌سازی، هماهنگی و پوشش مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. در برخی از کاربردهای سیستم‌های چند عاملی که عامل‌ها اجسام صلب هستند علاوه بر موقعیت، جهت‌گیری عامل‌ها نیز مهم است. از آنجایی که در این کاربردها جهت‌گیری هر عامل در هر لحظه از زمان عضوی از فضای گروه لی است لذا برای آنکه عامل‌ها به یک جهت‌گیری در صفحه یا فضا برسند و یا جهت‌گیری خاصی را دنبال کنند باید مسائل اجماع و یا آرایش‌بندی بر روی گروه لی که یک فضای غیرخطی است بررسی و حل شوند. اما از آنجایی که گروه‌های لی به طور سراسری همان‌ریخت با فضای اقلیدسی نیستند، توسعه‌ی الگوریتم های خطی بدست آمده، برای مسائل اجماع و هماهنگی و آرایش‌بندی روی فضای خطی در این فضا معتبر نخواهد بود. با وجود کاربردهای وسیع، تحقیقات اندکی در زمینه‌ی اجماع و آرایش‌بندی در سیستم‌های چندعاملی روی گروه‌های لی انجام شده است. در این پژوهش، ابتدا مسئله‌ی اجماع و سنکرون‌سازی برای سیستم چندعاملی توصیف شده با معادلات سینماتیک روی گروه لی (SO(3 بررسی شده و روشی جدید برای تحلیل اثر توپولوژی گراف ارتباطی بر روی همگرایی قانون اجماع به حالت سنکرون شده پیشنهاد شده است. در روش تحلیل پیشنهادی بر خلاف روش‌های موجود نیازی به نشاندن گروه لی در فضای اقلیدسی و استفاده از روش‌های تصویرسازی نیست و مبتنی بر نقاط بحرانی تابع هزینه‌ای است که بر حسب عامل‌های مجاور در گراف تعریف می‌شود. از آنجایی که این روش مبتنی بر ساختار هندسی گروه لی است و از تابع فاصله‌ی مبتنی بر لگاریتم استفاده نمی‌شود، تابع هزینه هموار بوده و نیازی به استفاده از توابع شکل‌دهی نیست. نشان داده شده است که همگرایی به حالت سنکرون‌شده بر خلاف حالت اقلیدسی علاوه بر همبندی گراف به نوع گراف و شرایط اولیه نیز بستگی دارد. همچنین شرط کافی که تضمین‌کننده‌ی همگرایی به حالت سنکرون‌شده در هر گراف همبند و بدون جهت است نیز بدست آمده است. با استفاده از نتایج بدست آمده و ایده‌ی متغیر مجازی روی خود گروه لی، قوانین اجماع برای همگرایی به پیکربندی سنکرون شده برای هر گراف همبند با شرایط اولیه دلخواه پیشنهاد شده است. از همین ایده برای طراحی قوانین اجماع برای گراف متغیر با زمان نیز استفاده شده است. در نهایت، از مجموعه‌ی نتایج بدست آمده برای حل مسئله‌ی آرایش‌بندی بر اساس اجماع برای سیستم چندعاملی با معادلات سینماتیک با وجود رهبر و نیز بدون رهبر، روی گروه لی (SE(3 استفاده شده است. در ادامه، با استفاده از روابط بدست آمده برای پاسخ ویسکوزیتی معادله‌ی همیلتون ژاکوبی روی گروه لی ماتریس‌های دوران، در روندی معکوس، قوانین اجماع برای سیستم چندعاملی با معادلات سینماتیک و دینامیک پیشنهاد شده است. در این روش، قوانین اجماع روی جبر لی، مشابه باحالت اقلیدسی طراحی شده، سپس به کنترل مورد نیاز روی گروه لی تبدیل می‌شود. قانون اجماع بدست آمده مشکلات مربوط به عدم همگرایی به حالت سنکرون شده برای برخی از گراف‌های ارتباطی را ندارد. با در نظر گرفتن اغتشاش خارجی‌ در دینامیک عامل‌ها، قانون کنترل مود لغزش مبتنی بر کنترل PID با بهره‌های تطبیقی برای حل مسئله‌ی آرایش‌بندی با روش ساختار مجازی به همراه رهبر مجازی، پیشنهاد شده است. مزیت این قانون آرایش‌بندی در آن است که نسبت به نامعینی‌های پارامتری موجود در دینامیک عامل‌ها نیز مقاوم است. اما از آنجایی که روش ساختار مجازی در اصل یک روش متمرکز است و در عمل با مشکل پهنای باند ارتباطی روبرو است؛ با تعریف یک بردار خطای جدید، قانون آرایش‌بندی مقاوم مبتنی بر مود لغزش در ساختار رهبر پیرو نیز پیشنهاد می‌شود. در ادامه، با در نظر گرفتن نامعینی‌های پارامتری در ماتریس اینرسی عامل‌ها که به صورت غیرقطری در نظر گرفته شده است، همچنین با وجود اغتشاش کراندار با دامنه‌ی معلوم و اغتشاش کراندار با دامنه‌ی نامعلوم، قانون اجماع مقاوم مبتنی بر کنترل تطبیقی نیز پیشنهاد شده است. قانون اجماع تطبیقی طراحی شده، در دو چارچوب جداگانه، با استفاده از نگاشت لگاریتمی و پاسخ ویسکوزیتی ارائه شده است. در نهایت با استفاده از نتیجه‌ی بدست آمده به همراه متغیر مجازی، قانون اجماع برای معادلات سینماتیک و دینامیک عامل‌ها برای هر گراف همبند با شرایط اولیه‌ی دلخواه روی گروه لی (SO(3 پیشنهاد شده است. برای هر یک از قوانین اجماع و آرایش‌بندی پیشنهادی، شبیه‌سازی‌های مربوطه کارایی قوانین کنترلی ارائه شده را نشان می‌دهند.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی