Contrôle coopératif des systèmes multi-agents dans un réseau en cluster

Cooperative Control of Multi-Agent Systems in Clustered Network

• Auteur / Autrice : Van Thiem Pham
• Direction : Noureddine Manamanni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : ATS - Automatique et Traitement de Signal
• Date : Soutenance le 14/01/2021
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques Physique Sciences du Numérique et de l'Ingénieur (Reims ; 2018-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche en Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Reims, Marne ; 2004-....)
• Jury : Président / Présidente : Michel Basset
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Noureddine Manamanni, Frédéric Kratz, Seddik M. Djouadi, Nadhir Messai, Lydie Nouvelière
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Kratz, Seddik M. Djouadi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement réparti

Mots clés libres

Estimation coopérative

Systèmes multi-Robots

Réseau en cluster

Cooperative control

Multi-Robot systems

Clustered network

Résumé

Le fait d'avoir plusieurs agents autonomes pour travailler ensemble efficacement afin d'obtenir des comportements collectifs de groupe est généralement appelé contrôle coopératif des systèmes multi-agents (MAS). Le contrôle coopératif des MAS a reçu une attention particulière de la part de diverses communautés scientifiques, en particulier de la communauté des systèmes et du contrôle. En raison du fait que les agents des SMA sont généralement limités en termes de ressources, telles que la portée limitée des communications sans fil (pour échanger des informations entre les agents), des capteurs (pour mesurer les informations relatives entre agents voisins) et des actionneurs (pour piloter les agents), ainsi que des contraintes énergétiques liées aux interactions de longue durée, un ingénieur doit parfois diviser un grand réseau en grappes. Nous abordons d'abord le problème du consensus dans le réseau en grappes, où chaque nœud du graphe du réseau représente un agent à dynamique linéaire. Le comportement coopératif des MAS linéaires avec la dynamique générale du système dans le réseau en grappe est défini non seulement par les protocoles de contrôle dynamique concernant les grappes isolées, mais aussi par les interactions discrètes entre les leaders. Cela rend un problème de consensus dans le réseau en grappe avec des agents linéaires généraux beaucoup plus difficile que celui du cas de l'intégrateur. Ainsi, un contrôle impulsif basé sur l'observation est proposé pour traiter le problème de consensus. Ensuite, nous étudions le problème du contrôle de la formation dans les systèmes de réseaux groupés d'agents linéaires qui sont soumis à des contraintes d'état. La structure de communication en temps continu dans chaque grappe est représentée par un graphique fixe et non dirigé. Pour ce faire, un protocole de formation robuste, qui traite de la communication en temps continu à l'intérieur des grappes et de l'échange d'informations en temps discret entre les grappes, est introduit. Il est ensuite montré que le problème de contrôle de la formation robuste considéré peut être indirectement résolu en étudiant la stabilité robuste d'un système équivalent basé sur la théorie des matrices et la théorie des graphes algébriques. De plus, il montre le rôle important de la communication entre les leaders à certains moments discrets spécifiques, représentés par la matrice stochastique. Enfin, nous discutons du problème du consensus de sortie dans les réseaux groupés composés de MAS hétérogènes qui sont soumis à différentes perturbations. Chaque grappe est représentée par un graphique fixe et dirigé. Un modèle de référence interne dynamique pour chaque agent est introduit, qui prend en compte les communications en temps continu entre les modèles de référence internes dans les grappes virtuelles et les échanges d'informations discrètes entre ces grappes virtuelles. Par conséquent, le consensus de sortie des agents hétérogènes est indirectement résolu par le consensus des références virtuelles. Pour y parvenir, un protocole de contrôle de consensus hybride est proposé pour le réseau en grappe virtuel. Grâce aux résultats de la théorie des matrices et de la théorie des graphes algébriques, le consensus du réseau en grappes virtuel est résolu. Une condition suffisante et nécessaire est dérivée pour le consensus de sortie des agents hétérogènes linéaires sous différentes perturbations dans le réseau en grappe.

Having multiple autonomous agents to work together efficiently to achieve collective group behaviors is usually referred to as cooperative control of multi-agent systems (MASs). Cooperative control of MASs has received compelling attention from various scientific communities, especially the systems and control community. An arise from the fact that agents in MASs are usually resource-limited, such as limited ranges of wireless communication (for exchanging information among agents), sensors (for measuring relative information between neighboring agents) and actuators (for driving the agents), as well as energy constraints related to long time interactions, an engineer should sometimes partition a large network into clusters. We first address the problem of consensus in the clustered network, where each node of the network graph represents an agent with linear dynamics. The cooperative behavior of linear MASs with general system dynamics in the clustered network is defined by not only the dynamical control protocols concerning the isolated clusters but also the discrete interactions among the leaders. This makes a consensus problem in the clustered network with general linear agents much more challenging than that of the integrator case. Thus, an impulsive observer-based control is proposed to handle the consensus problem. Next, we study the formation control problem in clustered network systems of linear agents that are subjected to state constraints. The continuous-time communication structure in each cluster is represented by a fixed and undirected graph. To do this, a robust formation protocol, which deals with the continuous-time communication inside clusters and discrete-time information exchange between clusters, is introduced. It is then shown that the considered robust formation control problem can be indirectly solved by studying the robust stability of an equivalent system based on matrix theory and algebraic graph theory. Moreover, it shows the important role of communication between leaders at some specific discrete instants, represented by the stochastic matrix. Finally, we discuss the output consensus problem in the clustered networks composed of heterogeneous MASs that are subjected to different disturbances. Each cluster is represented by a fixed and directed graph. A dynamic internal reference model for each agent is introduced, which takes into account the continuous-time communications among internal reference models in virtual clusters and discrete information exchanges between those virtual clusters. Therefore, the output consensus of heterogeneous agents is indirectly solved through the consensus of the virtual references. To achieve that, a hybrid consensus control protocol is proposed for the virtual clustered network. Thanks to results from matrix theory and algebraic graph theory, the consensus of the virtual clustered network is solved. A sufficient and necessary condition is derived for the output consensus of linear heterogeneous agents under different disturbances in the clustered network.