多航行体协同控制中的分布式一致性

第1章　协同控制中一致性算法概述 1

1.1　引言 1

1.2 文献综述：一致性算法 5

1.2.1 基本一致性算法 5

1.2.2 一致性算法的收敛性分析 8

1.2.3 一致性算法的设计与扩展 15

1.2.4 基于一致性算法的协作策略设计 18

1.3 本书概况 21

1.4 注释 23

致谢 23

第2章　关于单积分动力系统的一致性算法 24

2.1　基本算法 24

2.2　时不变通信拓扑下的一致性 27

2.2.1　采用连续时间算法的一致性 27

2.2.2　采用离散时间算法的一致性 40

2.3　时变通信拓扑下的一致性 43

2.3.1　采用连续时间算法的一致性 47

2.3.2　采用离散时间算法的一致性 51

2.3.3　仿真结果 53

2.4　注释 55

致谢 56

第3章　关于基准状态的一致性跟踪 57

3.1　问题描述 57

3.2　时不变一致基准状态 58

3.3　时变一致基准状态 61

3.3.1　基本的一致性跟踪算法 63

3.3.2　关于有界控制输入的一致性跟踪算法 70

3.3.3　一致基准状态的信息反馈 72

3.4　基于相对状态偏差的扩展 74

3.5　注释 75

致谢 76

第4章　关于双积分动力系统的一致性算法 77

4.1　一致性算法 77

4.1.1　时不变通信拓扑下的收敛性分析 79

4.1.2　切换通信拓扑下的收敛性分析 91

4.2　具有有界控制输入的一致性 97

4.3　无相对状态导数量测的一致性 101

4.4　注释 104

致谢 104

第5章 扩展到基准模型的双积分一致性算法 106

5.1 问题描述 106

5.2 具有信息状态导数基准模型的一致性 107

5.2.1 邻里航行体之间的信息状态导数相互耦合时的一致性 108

5.2.2 邻里航行体之间的信息状态导数没有耦合时的一致性 111

5.3 具有信息状态基准模型和信息状态导数基准模型的 一致性 113

5.3.1 所有航行体均可获知基准模型 113

5.3.2 领航-跟随策略 115

5.3.3 一般情况 116

5.4 注释 121

致谢 121

第6章 关于刚体姿态动力系统的一致性算法 122

6.1 问题描述 122

6.2 姿态一致性与最终角速度为零的情况 123

6.3 没有绝对和相对角速度量测的姿态一致性 128

6.4 姿态一致性与最终角速度非零的情况 130

6.5 仿真结果 131

6.6 注释 139

致谢 139

第7章 相对姿态保持与基准姿态跟踪 141

7.1 相对姿态保持 141

7.1.1 时不变相对姿态与最终角速度为0 141

7.1.2 时变相对姿态和时变角速度 142

7.2 基准姿态跟踪 143

7.2.1 刚体姿态由欧拉参数表示的基准姿态跟踪 143

7.2.2 刚体姿态由修正Rodriguez参数表示的基准姿态跟踪 149

7.3 仿真结果 151

7.4 注释 154

致谢 156

第8章 基于一致性的分布式多航行体协同控制设计方法 157

8.1 引言 157

8.2 协同控制问题中的耦合 159

8.2.1 目标耦合 160

8.2.2 局部耦合 160

8.2.3 全局耦合 161

8.2.4 时变耦合 162

8.3 具有最优协同目标的分布式协同控制方法 162

8.3.1 协同条件和协同目标 163

8.3.2 协作变量和协作函数 164

8.3.3 集中式协同方案 165

8.3.4 建立一致性 166

8.4 没有最优协同目标的分布式协同控制方法 168

8.4.1 由编队级（group-level）基准状态构成的协作变量 169

8.4.2 由航行体状态构成的协作变量 171

8.5 文献评述 173

8.5.1 编队队形控制 173

8.5.2 多个UAV的协同 176

8.6 本书后续内容 177

8.7 注释 178

致谢 178

第9章 多轮式移动机器人的集结和轴向校准 179

9.1 试验平台 179

9.2 试验运行 180

9.3 试验结果 183

9.3.1 集结问题 183

9.3.2 轴向校准问题 188

9.3.3 已得到的经验 189

9.4 注释 190

致谢 190

第10章 拥有虚拟领航者的多轮式移动机器人分布式队形控制 191

10.1 分布式编队队形控制体系结构 191

10.2 在多机器人平台上的试验结果 195

10.2.1 试验平台和试验运行 196

10.2.2 具有单个子编队领航者的编队队形控制 198

10.2.3 具有多个子编队领航者的编队队形控制 200

10.2.4 具有时变子编队领航者和时变通信拓扑的编队队形控制 201

10.3 注释 202

致谢 202

第11章 关于轮式移动机器人编队机动的分散行为方法 204

11.1 问题描述 204

11.2　编队机动 207

11.3　编队控制 209

11.3.1　耦合动力系统编队控制 210

11.3.2　基于无源化机器人阻尼的耦合动力系统编队控制 212

11.3.3　饱和控制 214

11.4　实物试验 217

11.5　注释 221

致谢 221

第12章 太空航天器的编队飞行 222

12.1 问题描述 222

12.1.1 基准坐标系 223

12.1.2 每艘航天器的期望状态 223

12.1.3 航天器动力系统 225

12.2 采用虚拟构造物方法的分散化体系结构 225

12.2.1 集中式体系结构 226

12.2.2 分散体系结构 226

12.3 编队分散控制策略 230

12.3.1 关于每艘航天器的编队控制策略 230

12.3.2 关于每个实例化虚拟构造物的编队控制策略 231

12.3.3 收敛分析 234

12.3.4 讨论 237

12.4 仿真结果 239

12.5 注释 244

致谢 244

第13章 多架空中无人航行体对火灾的协同监测 246

13.1 问题描述 246

13.2 关于单UAV的火线跟踪 249

13.3 编队协同跟踪 250

13.3.1 埋藏时间最小化 251

13.3.2 分布式火灾监视算法 253

13.4 仿真结果 257

13.4.1 火灾模型 257

13.4.2 火线跟踪 258

13.4.3 协同跟踪 259

13.5 注释 263

致谢 263

第14章 多架空中无人航行体协同监视问题 264

14.1 试验测试床 264

14.2 分散式协同监视 267

14.2.1 解决方法 269

14.2.2 分散协同识别问题的仿真结果 270

14.2.3 集中式相继摄像与集中式协同识别问题的飞行试验 273

14.3 注释 276

致谢 277

附录 278

参考文献 293

本专著分为14章，主要内容包括：协同控制中的一致性算法概述；关于单积分动力系统和双积分动力系统的一致性算法；关于刚体姿态动力系统的一致性算法；编队集结和轴向校准、编队队形控制、太空编队航行、火灾监测和空中监视等应用问题。书中所列的六个附录分别介绍了图论和矩阵理论的相关概念，以及线性系统和非线性系统的背景知识。另外，作者还保留了一个网站，从中可以找到与本书若干章节相关的仿真实例和试验视频资料。【作者简介】吴晓锋，海军陆战学院教授、博士生导师。先后毕业于海军工程大学（学士、硕士）和中山大学（博士），并从华南理工大学控制科学与工程博士后流动站出站。曾由国家留学基金委公派前往美国加州大学河滨分校从事高级研究学者工作。