模塊化自重構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃策略研究.pdf

1、多智能體系統(tǒng)因其魯棒性、低成本和可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、服務(wù)等領(lǐng)域。其中一類(lèi)特殊的模塊化自重構(gòu)系統(tǒng)，更因其構(gòu)型多樣性成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。然而，鑒于要考慮模塊的幾何特征以及剛性或可壓縮性的性質(zhì)，該類(lèi)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題較之傳統(tǒng)的基于點(diǎn)模型或獨(dú)輪車(chē)模型的多智能體系統(tǒng)無(wú)疑增添了難度。模塊化自重構(gòu)系統(tǒng)在自重構(gòu)理論算法方面的研究尚處在起步的階段。因此，此類(lèi)問(wèn)題的研究亦是極具挑戰(zhàn)性的。
　　本文從基于質(zhì)點(diǎn)模型的多智能體系統(tǒng)的

2、一類(lèi)幾何隊(duì)形問(wèn)題的分布式控制研究切入。隨后，分別從三個(gè)不同的視角來(lái)描述基于平面正六邊形模塊的自重構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題。本文的主要研究?jī)?nèi)容及研究成果歸納為如下幾個(gè)方面。
　　以一群質(zhì)點(diǎn)組成的多智能體系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)已有的一種近似圓形隊(duì)形的簡(jiǎn)單切換控制策略進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的控制策略更加合理并接近實(shí)際。運(yùn)用狄尼導(dǎo)數(shù)的相關(guān)性質(zhì)針對(duì)切換控制給出了系統(tǒng)穩(wěn)定性和隊(duì)形收斂性的分析和證明。驗(yàn)證了最終收斂隊(duì)形為一條滿(mǎn)足期望寬度的定寬曲線（不局限于圓

3、）。所提出的參數(shù)選擇方法保證了定寬隊(duì)形可以收斂至任意期望的寬度。
　　基于控制的角度考慮以正六邊形模塊為基本單元的自重構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題。以包含同形狀不同檢測(cè)能力的兩類(lèi)（異構(gòu)）模塊的自重構(gòu)系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出一種分布式的模塊運(yùn)動(dòng)策略，實(shí)現(xiàn)從滿(mǎn)足條件的任意初始系統(tǒng)構(gòu)型重構(gòu)收斂至直鏈構(gòu)型。引入從全局到局部的思想將目標(biāo)（直鏈）構(gòu)型分解為基于模塊局部信息可獲得的局部控制目標(biāo)，從而巧妙地回避了原本依賴(lài)全局信息的單個(gè)模塊對(duì)目標(biāo)構(gòu)型的辨識(shí)步驟

4、。采用曲線收縮的方法保證系統(tǒng)構(gòu)型重構(gòu)過(guò)程的單調(diào)性，進(jìn)而保證目標(biāo)構(gòu)型的收斂性。全局到局部的思想對(duì)于模塊化自重構(gòu)系統(tǒng)的分布式控制研究具有借鑒意義。充分利用目標(biāo)構(gòu)型的幾何特征而不局限于目標(biāo)構(gòu)型本身可以有效地簡(jiǎn)化問(wèn)題。對(duì)于解決某些目標(biāo)構(gòu)型，尤其是具有特殊幾何特征的目標(biāo)構(gòu)型的重構(gòu)問(wèn)題具有啟發(fā)意義。此外，體現(xiàn)了異構(gòu)模塊的引入是既經(jīng)濟(jì)又合理的。
　　基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的角度考慮以正六邊形模塊為基本單元的自重構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題。以一組同構(gòu)模塊構(gòu)成的自

5、重構(gòu)系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出一種分布式的模塊運(yùn)動(dòng)策略，實(shí)現(xiàn)從滿(mǎn)足條件的任意初始系統(tǒng)構(gòu)型重構(gòu)收斂至未預(yù)先精確定義但滿(mǎn)足給定追蹤包圍任務(wù)的目標(biāo)構(gòu)型。通過(guò)保證模塊系統(tǒng)信息流的連續(xù)性，以及被包圍目標(biāo)鄰域內(nèi)模塊的運(yùn)動(dòng)單調(diào)性，最終確保目標(biāo)構(gòu)型在全局坐標(biāo)系缺失的情況下依然是穩(wěn)定并且收斂的。針對(duì)系統(tǒng)的收斂時(shí)間和模塊檢測(cè)半徑的關(guān)系給出了定性分析，可以作為此類(lèi)任務(wù)在應(yīng)用場(chǎng)合參數(shù)選取的參考。此外，指出了對(duì)于允許小偏差（實(shí)際應(yīng)用多是合理的）的目標(biāo)構(gòu)型的自重構(gòu)問(wèn)題，

6、都可以描述成一類(lèi)追蹤包圍問(wèn)題。因而，本工作的分析方法可以解決多數(shù)目標(biāo)構(gòu)型的自重構(gòu)問(wèn)題。
　　基于搜索的角度考慮以正六邊形模塊為基本單元的自重構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題。區(qū)別于傳統(tǒng)的圖示結(jié)合敘述的方法來(lái)描述系統(tǒng)構(gòu)型，提出了矩陣表征的方法數(shù)學(xué)化地描述靜態(tài)模塊系統(tǒng)構(gòu)型，以及相鄰離散時(shí)刻系統(tǒng)構(gòu)型的動(dòng)態(tài)變化。從而將自重構(gòu)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為針對(duì)給定的初始和目標(biāo)構(gòu)型所對(duì)應(yīng)的位置矩陣，尋找可行的變換陣序列的集合。結(jié)合矩陣表征方法，提出一種規(guī)劃模塊重構(gòu)順序的策略