第1章　緒論

1.1　研究背景與意義

在自然界，生物群體的合作和協(xié)同行為可以提高群體的智能性，比如鳥(niǎo)群遷徙、魚(yú)群集結(jié)等。受此啟發(fā)，在控制領(lǐng)域，融合“計(jì)算、通信與控制”的多智能體協(xié)調(diào)控制得到了很大的發(fā)展。由于具有高靈活性、高效率、高容錯(cuò)性和并行性等優(yōu)點(diǎn)，近20年來(lái)，多智能體協(xié)調(diào)控制一直是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)［1-3］。以美國(guó)為例，早在21世紀(jì)初，由著名學(xué)者組成的國(guó)家科技顧問(wèn)小組已將以航天器編隊(duì)和無(wú)人機(jī)編隊(duì)為代表的協(xié)調(diào)控制技術(shù)列為21世紀(jì)美國(guó)優(yōu)先發(fā)展的核心技術(shù)［4］，并率先啟動(dòng)實(shí)施了著名的類(lèi)地星座成像（SI， Stellar Imager），軌道快車(chē)（OE， Orbit Express），行星搜尋器（TPF， Terrestrial Planet Finder）和戰(zhàn)場(chǎng)協(xié)同等（圖1-1）等項(xiàng)目［5-7］。目前，各國(guó)正逐步探索將多智能體協(xié)調(diào)控制技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、地質(zhì)勘探、災(zāi)難救援、深空探測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域并初步取得了一些研究成果。

圖1-1　協(xié)調(diào)控制技術(shù)的應(yīng)用

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下多EL系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的研究是MAS協(xié)調(diào)控制研究領(lǐng)域的重要分支。EL方程主要用于刻畫(huà)諸如機(jī)器人、機(jī)械臂、航天器（衛(wèi)星）姿態(tài)等大量機(jī)械系統(tǒng)及一些電力系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。截至目前，控制界已對(duì)單EL系統(tǒng)的分析與綜合進(jìn)行了廣泛、深入的研究并將研究成果廣泛應(yīng)用于以上工程領(lǐng)域。未來(lái)空間站多機(jī)械臂協(xié)調(diào)裝配、在軌遙操作、航天器協(xié)調(diào)高精度干涉測(cè)量與合成孔徑成像、地面輪式機(jī)器人編隊(duì)等都屬于多EL系統(tǒng)協(xié)調(diào)任務(wù)范疇。這些系統(tǒng)不僅可廣泛應(yīng)用于空間探索、衛(wèi)星保障、氣象預(yù)警、災(zāi)難救援等民用領(lǐng)域，而且還可應(yīng)用于偵察監(jiān)視、空間對(duì)抗、航天器協(xié)同攻擊等軍事領(lǐng)域，并極大提升單一武器平臺(tái)的作戰(zhàn)效能，具有廣闊的應(yīng)用前景。區(qū)別于單EL系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)化多EL系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互與共享，并達(dá)到群體的控制目標(biāo)。

在協(xié)調(diào)控制領(lǐng)域，目前大多數(shù)研究對(duì)象為一階或高階網(wǎng)絡(luò)化線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。一方面，由于EL系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)具有本質(zhì)非線(xiàn)性特征，因此現(xiàn)有針對(duì)線(xiàn)性系統(tǒng)的研究成果不能直接推廣至網(wǎng)絡(luò)化EL系統(tǒng)中；另一方面，目前針對(duì)單EL系統(tǒng)控制相對(duì)成熟的研究成果也不能直接推廣至網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)中，這是因?yàn)榛诰W(wǎng)絡(luò)的信息交互是多體系統(tǒng)與單體系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別，而網(wǎng)絡(luò)特性（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、時(shí)延等）則直接決定系統(tǒng)的本質(zhì)特性。特別是在外層空間、戰(zhàn)場(chǎng)等復(fù)雜環(huán)境條件下，受傳輸距離、電磁干擾、人為干擾壓制等因素影響，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和信息丟失不可避免；而在一些軍事應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)碾[蔽性與安全性，則要根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)及任務(wù)綜合決定多智能體通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些因素決定了針對(duì)網(wǎng)絡(luò)化EL系統(tǒng)的分布式協(xié)調(diào)控制較之單個(gè)EL系統(tǒng)的控制具有更高的技術(shù)難度和挑戰(zhàn)性。

從控制結(jié)構(gòu)來(lái)看，目前針對(duì)多EL系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制主要有兩種控制方式：集中式和分布式。集中式控制方式是假設(shè)存在一個(gè)主控臺(tái)，能和所有個(gè)體通信并且有能力對(duì)所有個(gè)體實(shí)施全局控制。從本質(zhì)上講，集中式控制方式是對(duì)傳統(tǒng)單體控制方法的直接推廣。而分布式控制方式則不需要主控臺(tái)，只需要個(gè)體之間進(jìn)行局部信息交換或反饋以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體目標(biāo)。盡管這兩種方式在實(shí)際系統(tǒng)中都有所應(yīng)用，然而，相對(duì)于集中式控制方式，分布式控制方式具有更多的優(yōu)勢(shì)，比如較少的能量消耗，較低的通信計(jì)算成本和較高的容錯(cuò)性等。因此，分布式控制方式能夠自然地反映多EL系統(tǒng)之間的信息交互，且具有更高的魯棒性和更好的可擴(kuò)展性，所以將研究的焦點(diǎn)放在分布式控制方式上。