Control law and state estimators design for multi-agent system with reduction of communications by event-triggered approach

par Christophe Viel

Thèse de doctorat en Robotique

Sous la direction de Hélène Piet-Lahanier.

  • Titre traduit

    Loi de guidage coopérative et estimateurs d'état pour système multi-agent avec réduction des communications par méthode event-triggered


  • Résumé

    Les systèmes multi-agents (MAS) et la commande coopérative ont fait l'objet de nombreuses recherches ces dernières années. Les domaines d'application sont très diverses et dans le cas des systèmes multi-véhicules, des approches ont été développées pour des unmanned air vehicles (UAVs), satellites, avions... Les types de missions envisagées sont des missions complexes telles l’exploration ou la surveillance de zones, la recherche et le suivi de cibles d'intérêt. Cependant, la coopération requière des échanges de communication entre les agents. Lorsque ceux-ci sont nombreux, cet échange peut conduire à des saturations du réseau, à l'augmentation des délais de transmission ou l’occurrence de pertes de paquets, d'où l'intérêt de réduire le nombre de communication. Dans les méthodes event-triggered, une communication est envoyée quand une condition, basée sur des paramètres choisis et un seuil prédéfini, est remplie. La principale difficulté est de définir une condition qui permettra de limiter les échanges sans dégrader l'exécution de la mission choisie. Dans le cas d'un système distribué, chaque agent doit maintenir une estimation de la valeur de l'état des autres agents afin de remplacer l'absence d'informations due à la communication réduite. L'objectif de cette thèse est de développer des lois de commandes et des estimateurs distribuées pour un système multi-agent afin de réduire le nombre de communication par méthode event-triggered, tout en prenant en compte la présence de perturbations. L'étude est divisée en deux grandes parties. La première décrit une méthode de communication event-triggered permettant de converger vers un consensus pour un système multi-agents de modèle d'évolution dynamique linéaire généralisée et en présence de perturbations d'état. Pour réduire les communications, un estimateur précis de l'état des agents est proposé, couplé à un estimateur de l'estimation de l'erreur, ainsi qu'un protocole de communication adapté. En prenant en compte la commande appliquée à chaque agent, l'estimateur proposé permet d'obtenir un consensus avec un nombre bien inférieur de communication que de la méthode de référence dans l'état de l'art. La seconde partie propose une stratégie de réduction de communication pour une commande de vol en formation permettant de suivre une trajectoire de référence. La dynamique des agents est décrite par un système Euler-Lagrange incluant des perturbations et des méconnaissances sur les paramètres du modèle. Différentes structures d'estimateurs sont proposées pour reconstruire les informations manquantes. La condition d'event-triggered distribuée proposée est basée sur l'écart relatif entre les positions et vitesses réelles et désirées des agents, ainsi que l'erreur relative entre la valeur estimée de l'état de l'agent et la valeur réelle. Une trajectoire de référence unique est déterminée pour guider la flotte. L'effet des perturbations sur la formation et la communication a été analysé. Enfin, les méthodes proposées ont été adaptées pour tenir compte des dégradations de performances dues aux pertes de données et aux délais de communication. Pour les deux types d'approches présentées les conditions de la stabilité du MAS ont été obtenues par l'intermédiaire de fonctions de Lyapunov et l'absence de paradoxe de Zeno a été étudiée.


  • Résumé

    A large amount of research work has been recently dedicated to the study of Multi-Agent System and cooperative control. Applications to mobile robots, like unmanned air vehicles (UAVs), satellites, or aircraft have been tackled to insure complex mission such as exploration or surveillance. However, cooperative tasking requires communication between agents, and for a large number of agents, the number of communication exchanges may lead to network saturation, increased delays or loss of transferred packets, from the interest in reducing them. In event-triggered strategy, a communication is broadcast when a condition, based on chosen parameters and some threshold, is fulfilled. The main difficulty consists in determining the communication triggering condition (CTC) that will ensure the completion of the task assigned to the MAS. In a distributed strategy, each agent maintains an estimate value of others agents state to replace missing information due to limited communication. This thesis focuses on the development of distributed control laws and estimators for multi-agent system to limit the number of communication by using event-triggered strategy in the presence of perturbation with two main topics, i.e. consensus and formation control. The first part addresses the problem of distributed event-triggered communications for consensus of a multi-agent system with both general linear dynamics and state perturbations. To decrease the amount of required communications, an accurate estimator of the agent states is introduced, coupled with an estimator of the estimation error, and adaptation of communication protocol. By taking into account the control input of the agents, the proposed estimator allows to obtain a consensus with fewer communications than those obtained by a reference method. The second part proposes a strategy to reduce the number of communications for displacement-based formation control while following a desired reference trajectory. Agent dynamics are described by Euler-Lagrange models with perturbations and uncertainties on the model parameters. Several estimator structures are proposed to rebuild missing information. The proposed distributed communication triggering condition accounts for inter-agent displacements and the relative discrepancy between actual and estimated agent states. A single a priori trajectory has to be evaluated to follow the desired path. Effect of state perturbations on the formation and on the communications is analyzed. Finally, the proposed methods have been adapted to consider packet dropouts and communication delays. For both types of problems, Lyapunov stability of the MAS has been developed and absence of Zeno behavior is studied.


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