Observer-Based Control for Multi-Agent Systems under Communication-Task Graph Mismatch

QC 20261104

Abstract

Den ökande användningen av robotplattformar i komplexa och storskaliga miljöer har medfört en förskjutning inom utformningen av styrsystem, från centraliserade arkitekturer mot distribuerade och samverkande ramverk. I dessa system samordnar agenter sina handlingar utifrån lokalt tillgänglig information och information som tas emot från deras kommunikationsgrannar. Effektiviteten i denna samordning beror inte enbart på agenternas individuella dynamik och styrlagar, utan även på tillgången till den tillståndsinformation som krävs för det gemensamma uppgiftsmålet. I synnerhet kan de tillstånd som är relevanta för en uppgift tillhöra agenter med vilka det inte finns någon direkt kommunikationslänk. Denna skillnad mellan uppgiftskrav och tillgängliga kommunikationslänkar (communication-task graph mismatch) utgör en grundläggande utmaning för distribuerad reglering.

För att hantera denna utmaning utvecklar avhandlingen decentraliserade observatörsbaserade regleringsmetoder för multiagentsystem, där varje agent lokalt rekonstruerar den saknade informationen om agenter utanför dess kommunikationsgrannskap med hjälp av enbart kommunikation med närmaste grannar. De resulterande skattningarna används i styrlagarna i stället för de otillgängliga tillstånden, vilket gör det möjligt att eftersträva den ursprungliga uppgiften över det befintliga kommunikationsnätverket. För att beakta skattningsfelens inverkan på det återkopplade systemet fastställer varje observatörskonstruktion övre gränser för skattningsfelen. Dessa gränser används sedan för att härleda villkor under vilka de gemensamma uppgifterna uppnås trots skattningsfelen, för mål som sträcker sig från konsensus till spatiotemporala specifikationer.

Den första delen av avhandlingen introducerar en distribuerad k-hoppsobservatör för homogena multiagentsystem, som gör det möjligt för varje agent att inom en finit tid skatta tillstånden och insignalerna hos agenterna i dess k-hoppsgrannskap, det vill säga agenter som befinner sig mellan två och k kommunikationshopp bort. Observatören omformuleras därefter inom ramen för reglering med föreskriven prestanda, vilket ger k-hoppsobservatörer med föreskriven prestanda (k-hop Prescribed Performance Observers), vars skattningsfel hålls inom prestandatrattar som specificeras på förhand. Ramverket utvidgas vidare till heterogena agenter som utsätts för begränsade yttre störningar, utan krav på inställning av förstärkningar eller global nätverksinformation. I samtliga fall karakteriserar input-to-state-stabilitet med avseende på en mängd (set-ISS) hos det skattningsbaserade återkopplade systemet hur skattningsfelen påverkar uppnåendet av gruppens mål.

Den andra delen behandlar spatiotemporala mål uttryckta i Signal Temporal Logic (STL), vilka kan innefatta uppgiftsberoenden utanför de direkta kommunikationsgrannskapen. Gränserna för skattningsfelen införlivas i en omformulering av specifikationernas rumsliga robusthet, som tar hänsyn till skattningsfelens värsta fall. Med utgångspunkt i denna omformulering utformas en decentraliserad återkopplad regulator i kontinuerlig tid, som garanterar att STL-specifikationerna uppfylls, även under observatörernas transientförlopp.

Den sista delen utvidgar det observatörsbaserade regleringsramverket till riktade kommunikationsgrafer med växlande topologier, där agenter kan tillkomma i eller lämna k-hoppsgrannskapen vid växlingstidpunkterna. För att bevara den föreskrivna prestandan konstrueras hjälptrattar online vid varje växling, och villkor som säkerställer att dessa trattar är genomförbara fastställs tillsammans med en undre gräns för uppehållstiden mellan växlingar. Liksom i de föregående delarna karakteriserar set-ISS hos det skattningsbaserade återkopplade systemet hur skattningsfelen påverkar avståndet till gruppens mål. Effekterna av kommunikationsfördröjningar och paketförluster, tillsammans med experimentell validering av de föreslagna metoderna, diskuteras som riktningar för framtida forskning.

Link to DiVA