9992019银河国际点击部工学院谢广明课题组在多智

2019-11-27 00:15栏目:国际学校教育
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2018年4月30日,工学院向北大120周年校庆献礼海陆空项目之“空”——无人机群自主协同编队视频展示在五四操场大屏幕、工学院1号楼大屏幕如期开始展播。该项目的创意、研发、制作由工学院谢广明教授领衔的智能仿生设计实验室完成,既展示了工学院在前沿科技领域的强大实力,又为北京大学120周年校庆送上了一份独特而珍贵的生日礼物。

近期,工学院谢广明课题组在多智能体系统的编队控制研究中取得了一系列研究进展,相关论文发表于控制科学的国际顶级期刊 IEEE Transactions on Automatic ControlAutomatica

在短短十多分钟的视频中,谢广明教授团队展示了无人机研发工作的忙碌日常、在室外进行无人机飞行试验的情况、多无人机编队巡航飞行、献礼校庆的多无人机仿真编队等。

多智能体系统涉及控制、数学、生物、物理、计算机、机器人、通讯和人工智能等学科,是近年来多学科前沿交叉领域的重要研究方向之一,受到国内外学者的广泛关注。

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谢广明教授的团队是国内较早展开多智能体系统相关研究的人员,强调以多机器人协作控制为应用背景,在若干方向取得了创新性结果。在以往研究的研究基础上,谢广明团队进一步研究了多智能体系统的编队控制问题,特别针对环形编队问题,取得了系统深入的成果。

用于编队的无人机

谢广明及合作者首先针对一阶动态描述个体的系统,提出了一种分布式控制协议来实现任意环形编队,严格证明了控制协议的收敛性。从理论上严格证明所提出的控制协议具有一个重要特性——保持在形成期望环形编队的过程中,个体之间不会发生碰撞。作者进一步研究了基于采样数据的控制协议和能够保证在给定的任意有限时间内形成期望环形编队的有限时间控制协议。此外,将有关结果推广到二阶系统上。该成果发表于IEEE Transactions on Automatic and Control (C. Wang, G. Xie, M. Cao, Forming circle formations of anonymous mobile agents with order preservation, IEEE Transactions on Automatic Control, 58(12), 3248–3254, 2013)。

在献礼校庆的多机编队部分,54架无人机和120架无人机同时飞向天空,依次形成“PKU”“120”“COE”等字样。“五四精神薪火盛,守正创新正气兴”,54架无人机象征着北京大学5月4日的生日和传承至今的五四精神;“百廿北大常为新,引领未来使命行”,120架无人机表达了工学院对北大120周岁深切的生日祝福。北大学子殷殷的爱校之情,深深的痴迷科研之意,生动地展现在有序不紊的飞行画面上。

考虑到一些机器人在运动时无法倒退的特性,谢广明及其合作者研究了具有单向运动限制的多智能体系统的环形编队问题,提出了一种基于采样控制的分布式控制协议,严格证明了控制协议的收敛性以及整个过程中个体之间不会碰撞。值得注意的是,此类系统属于受限类动力学系统,基于传统的李雅普诺夫稳定性的方法已经无法处理。为此,作者通过大量仿真获得对系统全面完整的观察,深入分析了问题的具体特性,发现了系统运行过程中始终会出现静止不动个体的现象并给出严格证明,基于这个特性最终给出了协议收敛性的严格完整证明。该成果以长文 (Regular Paper) 的形式发表于 Automatica (C. Wang, G. Xie, M. Cao, Controlling anonymous mobile agents with unidirectional locomotion to form formations on a circle, Automatica, 50(4), 1100–1108, 2014)。

9992019银河国际点击部 254架无人机形成“PKU”字样

两篇论文的通讯作者为谢广明教授,第一作者为谢广明课题组的博士王晨。该研究得到了国家自然科学基金等项目的资助。本项目的合作者包括荷兰格罗宁根大学的Ming Cao教授,双方保持了密切的合作关系。

多机编队一直是无人机开发领域的一个难点,各无人机要实现一致的队列变换,必须要有实时畅通的通讯方式、精确稳定的控制方法、精准正确的位置估计;需要根据无人机数量配置多基站通讯、基站间的通讯、基站与多无人机的通讯,保证尽量同步,同时互相不干扰。在控制方法上,要保证无人机之间严格的避碰,还要保持队形变换的优美,其中会涉及到空气动力学、自稳控制、集群协作等技术难点。经过7个多月的自主研发和试验,谢广明教授团队成功地解决了多无人机编队巡航的种种困难,最终给校庆献上了一份完美的“空中贺礼”。

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120架无人机形成“120”字样

在北大120周年校庆之际,工学院新成立了“智能仿生设计实验室”,由谢广明、孙智利、崔悦等教授带领团队,定位于智能仿生装备的设计、研发与实际应用。无人机编队巡航实际上属于群体控制技术,是谢广明教授团队的主要科研课题之一,无论在民用还是军用等方面都具有广泛的应用前景。除了无人机外,团队在智能仿生机器鱼方向也走在国际前沿,其研发的智能仿生机器鱼曾成功遨游遥远的南极和北极。在校庆日,机器鱼也作为工学院献礼海陆空项目中的“海”,在未名湖中畅游。

校庆期间,无人机编队视频将在五四操场和工学院1号楼的大屏幕进行轮播,欢迎广大师生前往观看,大家也可以通过网络平台快速进行欣赏

校庆专题网站:9992019银河国际点击部 5

编辑:山石

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