Funnel-Inspired Closed-Form Control for Satisfaction of Spatiotemporal Constraints and Multi-Agent Coordination

QC 20260402

Abstract

Autonoma system har blivit en integrerad del av både industri och samhälle, med tillämpningar från robotplattformar till autonoma fordon och vidare. De flesta moderna tekniska system uppvisar komplex icke-linjär dynamik och är ofta utsatta för tidsvarierande osäkerheter, vilket gör högupplöst modellering svår att genomföra. Samtidigt krävs i allt högre grad att dessa system utför komplexa uppgifter, bortom klassiska mål såsom börvärdesspårning och stabilisering. I många verkliga scenarier måste systemen uppfylla spatiotemporala specifikationer, det vill säga krav som beror gemensamt av rum och tid. Sådana specifikationer kan formuleras som tidsvarierande begränsningar i reglersystem, och att upprätthålla dem är avgörande för förbättrad prestanda, garanterad säkerhet samt tillförlitlig och tidsmässigt korrekt uppgiftsutförande.

Trattbaserade styrmetoder erbjuder slutna återkopplingslagar som upprätthåller vissa klasser av tidsvarierande begränsningar för osäkra icke-linjära system. Huvudfokus i denna avhandling är att utveckla nya robusta slutna styrmetoder, förankrade i kärnidéerna bakom trattbaserad reglering, för att hantera bredare klasser av tidsvarierande begränsningar vilka inte kan behandlas direkt med konventionella trattbaserade metoder. Därutöver undersöker avhandlingen distribuerad koordinering av multiagentsystem under rumsliga begränsningar, samt tillämpningen av trattbaserade metoder på formationsreglering för multiagentsystem med prestandakrav under övergångsfasen.

Den första delen av avhandlingen ägnas åt att utvidga trattbaserade styrmetoder, i synnerhet prescribed performance control (PPC), för att hantera tidsvarier-ande hårda (säkerhets-) och mjuka (prestanda-) tratt-typspecifikationer. Därefter återvänder vi till den standardiserade PPC-designen för att belysa dess begränsnin-gar och motivera behovet av ett nytt regleringsramverk. Med utgångspunkt i PPC:s designfilosofi föreslår vi en nytt robust slutet styrmetod som säkerställer generisk tidsvarierande mängdinvarians för osäkra icke-linjära multi-input multi-output-system med högt relativt gradtal, och som därmed kan hantera klasser av tidsvarier-ande begränsningar bortom dem som standard-PPC omfattar. Slutligen utvidgar vi den föreslagna designen för att behandla potentiellt motstridiga generaliserade tidsvarierande hårda och mjuka specifikationer, vilket ytterligare breddar metodens tillämpbarhet.

I den andra delen av avhandlingen skiftar vi fokus, till koordinationsproblem för multiagentsystem. Först presenterar vi en ny koordinatoberoende formationsregleringsmetod för riktade leader–follower-multiagentsystem som uppnår nästan global konvergens till en föreskriven formation. Fullt decentraliserade robusta regulatorer syntetiseras genom att utnyttja PPC-ramverket för att införa föreskriven övergångsfas och stationär prestanda på agenternas formationsfel, samtidigt som robusthet mot systemosäkerheter säkerställs. En nyckelkomponent i angreppssättet är användningen av bipolära koordinater för att erhålla ortogonala (frånkopplade) formationsfelskoordinater för varje följare (follower). Detta leder inte bara till nästan global konvergens till den önskade formen utan möjliggör också en systematisk och effektiv tillämpning av PPC. Slutligen introducerar vi ett distribuerat, uppgiftsbaserat implicit problem för formationsbestämning och reglering, där varje agent är föremål för rumsliga begränsningar i förhållande till andra agenter och till omgivningen. Vi omformulerar problemet som ett distribuerat optimeringsproblem och utvecklar, baserat på denna formulering, ett reglerprotokoll för kinematiska agenter.

Link to DiVA