上海大学谢少荣团队 | 嵌入预设时间自适应控制与定向拓扑的多机器人系统分布式共识
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2025-01-20 12:01
北京
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研究团队
谢永浩，马新茹，李恒宇，谢少荣：上海大学
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Yonghao XIE, Xinru MA, Hengyu LI & Shaorong XIE. Embedding prescribed-time adaptive control protocol unveiling distributed consensus in multirobot systems via directed topology. Sci China Inf Sci, 2025(68): 129201, doi: 10.1007/s11432-024-4161-y
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多机器人一致性是分布式控制系统的核心问题，在工业制造、协同无人设备组建、紧急救灾等领域得到广泛应用。近年来，针对分布式系统中利用对时间的控制实现系统的调节逐渐成为一致性问题的重要研究对象。具体而言，时间控制策略的应用，使得各机器人节点能够依据预设的时间框架协同工作，避免了传统方法中因信息延迟或同步误差导致的性能下降问题。这种策略极大地简化了分析多机器人复杂动态交互的复杂性，推动了分布式控制理论与实践的深度融合与发展。传统的控制算法，如有限时间控制和固定时间控制，无法满足系统对时间间隔的严格要求。相比之下，预设时间控制应用于拉格朗日系统可以为系统提供卓越的时间调节能力。它可以解决拉格朗日多机器人系统中的共识问题，并在没有系统先验信息的情况下有效设定时间间隔，从而实现精确稳定的控制。本文的研究探讨了有向拓扑中多机器人系统的分布式 预设时间共识控制协议。针对拉格朗日系统提出了新颖的嵌入式预设时间控制，它由两部分组成：变量-系统级预设模块嵌入和误差驱动的自适应法则。图1 本文的主要工作
本文创新点如下：
(1) 提出了一种嵌入预设时间的分布式控制协议，用于多机器人拉格朗日系统的一致性控制。该协议通过引入预设时间模块，实现了对收敛时间的灵活调节，使系统只需调整起始时间和结束时间即可控制收敛过程。(2) 在控制框架中结合了滑模控制与误差驱动的自适应法则，通过对系统估计层的模型和状态进行动态修正，有效消除了系统中的不确定性。 (3) 本文所提出的预设时间共识控制协议，赋予了系统时间调节的能力，同时自适应法则能够动态调整参数，使系统在存在未知参数和未知初始状态的情况下，能够通过设置时间区间来确保分布式系统的一致性。本文通过三个不同方面的验证实验，对所提出的预设时间控制协议进行了评估。图2-4展示了实验准备，图5展示了多机器人系统预设时间控制的实验结果。图2 机器人结构与参数 / 图3 系统的拓扑图 / 图4 系统的邻接矩阵图5 多机器人预设时间控制的实验结果
具体而言，首先，在参数控制实验中，具有拉格朗日动力学和未知参数的多机器人系统通过自适应调节估计向量 θ ̂，消除了系统的不确定性，成功实现了预设时间控制。其次，在始末时间调节实验中，通过更改不同的始末时间，验证了多机器人系统能够精确地控制初始时间和设定时间，从而在期望的时间点实现一致性。最后，在初始条件影响实验中，通过设置不同的初始速度和初始位置进行测试，结果表明，预设时间控制协议和自适应法则不受系统初始状态（位置和速度）的影响。
实验结果证明，在多机器人系统中，通过嵌入预设时间模块与自适应控制协议能够有效实现系统的预设时间控制和一致性。控制器的自适应性可以动态调节系统中的未知参数，而无需依赖初始状态和参数信息，从而确保了精确的控制与收敛。![]()
