Transient Control for Leader-follower Multi-agent Systems with Application to Spatiotemporal Logic Tasks

• Over the past few decades, significant research has been directed towards addressing the problem of distributed control of multi-agent systems. The overall tasks include consensus, formation, flocking, and coverage control with the wide applications in multi-robot coordination, manufacturing and intelligent transportation systems. However, the distributed control strategies are usually for all agents and sometimes it may be redundant and costly since the desired tasks may be fulfilled by steering part of the agents through the appropriately designed local control strategy in a way that allows the whole group to complete the  intended tasks. Therefore, we instead consider a general leader-follower framework in this thesis, which is meant in the sense that a group of agents with external inputs are selected as leaders in order to drive the group of followers in a way that the entire system can achieve consensus or target formation within certain transient bounds. The followers are controlled according to some standard protocols and rely solely on their dynamic couplings with the steered leaders, without requiring any additional control effort and knowledge of the prescribed team bounds.   Beyond the traditional considerations of stabilizing and ensuring tracking for multi-agent systems, nowadays more and more applications entail more complex tasks that cannot be easily defined as classic control objectives. Instead, a more advanced level of specification definition is required to address such high-level tasks. Therefore, formal methods based approaches are considered in this thesis in order to specify more complex and high-level task specifications. Signal Temporal Logic (STL), which is based on continuous-time signals, has the added feature of formulating both time and space constraints, and thus provides potentials to deal with quantitative transient constraints for multi-agent systems. In this thesis, we tackle both low-level control and high-level planning of leader-follower multi-agent systems using transient-based approaches. Firstly, in the low-level control part, we consider the classical problem of consensus or formation control for leader-follower multi-agent systems in a distributed manner using a prescribed performance strategy. Both the first and second-order cases are treated. Under the assumption of tree graphs, a distributed control law is proposed for the first-order case when the decay rate of the performance functions is within a sufficient bound. Then, two classes of tree graphs that can have additional followers are investigated. For the second-order case, we propose a distributed control law based on a backstepping approach for the group of leaders to steer the entire system achieving the target formation within the prescribed performance bounds. In the second part, we further discuss the results for general graphs with cycles, which are extended based on the previous results of tree graphs. The extension of general graphs with cycles has more practical applications and offers a complete theory for undirected graphs. In the low-level control part, we finally discuss topological conditions for leader-follower networks such that we can apply previously designed prescribed performance strategy for the leader-follower multi-agent systems to achieve target formation within the transient constraints. Specifically, we derive necessary and sufficient conditions for the leader-follower graph topology in order to achieve the desired formation while satisfying the prescribed performance transient bounds. In the high-level planning part, cooperative control of leader-follower  multi-agent systems subject to certain fragments of STL specifications is considered. We first propose a funnel-based control strategy for the leader-follower multi-agent systems to enforce the satisfaction of the basic STL formulas by prescribing certain transient behavior on the funnels that constrain the closed-loop trajectories. A hybrid control strategy is then leveraged to satisfy the sequential STL formulas. Later on, we consider a large scale leader-follower network which is composed of several leader-follower subsystems with coupled dynamics. Only the leaders know the related STL specifications and are designed in a distributed fashion to drive the followers in a way such that the STL specifications are globally satisfied. Under the local feasibility assumption, we propose a funnel-based control approach for each leader-follower subsystem such that the local STL specifications are achieved, which further implies the global satisfaction of all STL specifications. In order to enforce the satisfaction of the STL formulas, the funnel parameters are appropriately designed to prescribe certain transient behavior that constrains the closed-loop trajectories. 

• Under de senaste decennierna har betydande forskning riktats mot att ta itu med problemet med distribuerad kontroll av multi-agent system. De övergripande uppgifterna inkluderar konsensus, formation, flockbeteende och täckningskontroll med breda tillämpningar inom multirobotkoordination, tillverkning och intelligenta transportsystem. Dock använder distribuerade kontrollstrategier vanligtvis till alla agenter och ibland kan det vara onödigt och kostsamt eftersom de önskade uppgifterna kan uppfyllas genom att styra en del av agenterna genom en lämpligt utformad lokal kontrollstrategi på ett sätt som tillåter hela gruppen att slutföra de avsedda uppgifterna. Därför överväger vi istället i denna avhandling en allmän ledare-följare ram, vilket innebär att en grupp agenter med externa insignaler väljs som ledare för att driva följargruppen på ett sätt så att hela systemet kan uppnå konsensus eller målformation inom vissa övergångsgränser. Följarna styrs enligt något standardprotokoll och förlitar sig helt på sin dynamiska koppling med de styrda ledarna, utan att kräva någon ytterligare kontrollinsats och kunskap om de föreskrivna gruppbegränsingarna. Utöver de traditionella tillvägagångsätten att stabilisera och säkerställa spårning för fleragentssystem, innebär allt fler applikationer idag att mer komplexa uppgifter som inte kan definieras som klassiska styrproblem. Istället krävs en mer avancerad nivå av specifikationsdefinition för att hantera sådana högnivåuppgifter. Därför används tillvägagångssätt baserade på formella metoder i denna avhandling för att hantera specifikationer som är mer komplexa och specificerade på hög nivå. Signal Temporal Logic (STL), som baseras på kontinuerliga signaler, har den extra funktionen att de kan formulera både tids- och rumsbegränsningar och ger därmed potential att hantera kvantitativa transientbegränsningar för fleragentssystem. I denna avhandling tar vi itu med både lågnivåkontroll och högnivåplanering av ledare-följare fleragentssystem med hjälp av transientbaserade metoder. Först behandlar vi i lågnivåkontrollen det klassiska problemet med konsensus eller formationskontroll för fleragentssystem med ledare-följare på ett distribuerat sätt med hjälp av en föreskriven prestationsstrategi. Både första och andraordningens fall behandlas. Under antagandet om trädgrafer föreslås en distribuerad styrningslag för förstaordningens fall när avtagningstakten för prestandafunktionerna är inom en tillräcklig gräns. Sedan undersöks två klasser av trädgrafer som kan ha ytterligare följare. För andraordningensfall föreslår vi en distribuerad styrningslag baserad på en backstepping-metod för ledargruppen för att styra hela systemet och uppnå målformationen inom de föreskrivna prestandagränserna. I den andra delen diskuterar vi ytterligare resultat för allmänna grafer med cykler, som utökas utifrån de tidigare resultaten för trädgrafer. Utökningen av allmänna grafer med cykler har fler praktiska tillämpningar och erbjuder en komplett teori för ickeriktade grafer. För lågnivåkontrollen diskuterar vi slutligen topologiska villkor för ledareföljare nätverk så att vi kan tillämpa tidigare designade prestandastrategier för ledare-följare fleragentssystem för att uppnå målformationen inom transientbegränsningarna. Specifikt härleder vi nödvändiga och tillräckliga villkor för ledare-följare graf-topologin för att uppnå önskad formation samtidigt som man uppfyller de föreskrivna prestandatransientbegränsningarna.I den högnivåplaneringsdelen övervägs samarbetande kontroll av fleragentsystem med ledare och följare som är föremål för vissa fragment av STL-specifikationer. Först föreslår vi en trattbaserad kontrollstrategi för fleragentsystem med ledare och följare för att tvinga fram tillfredsställelsen av de grundläggande STL-formlerna genom att föreskriva viss övergångsbeteende på trattarna som begränsar de slutna systemtrajektorierna. En hybrid kontrollstrategi används sedan för att uppfylla de sekventiella STL-formlerna. Senare hanterar vi ett stort nätverk av ledare och följare som består av delsystem med flera ledare och följare med kopplad dynamik. Endast ledarna känner till de relaterade STL-specifikationerna och är utformade på ett distribuerat sätt för att driva följarna på ett sätt som uppfyller STL-specifikationerna globalt. Under antagandet om lokal genomförbarhet föreslår vi en trattbaserad kontrollmetod för varje delsystem av ledare och följare så att de lokala STLspecifikationerna uppfylls, vilket ytterligare innebär den globala uppfyllandet av alla STL-specifikationer. För att tvinga fram tillfredsställelsen av STLformlerna utformas trattparametrarna på ett lämpligt sätt för att beskriva viss övergångsbeteende som begränsar de slutna systemtrajektorierna.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Elektroteknik och elektronik -- Reglerteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering -- Control Engineering (hsv//eng)

Nyckelord

multi-agent systems

leader-follower networks

transient constraints

temporal logics

Electrical Engineering

Elektro- och systemteknik

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)