Distributed Formation Control of Multi-Agent Systems: A Novel Fast-Optimal Balanced Differential Game Approach

微分博弈 计算机科学 纳什均衡 最佳反应 微分包含 弹道 多智能体系统 差速器(机械装置) 时间范围 停留时间 分布式计算 数学优化 数学 人工智能 工程类 物理 天文 航空航天工程 医学 临床心理学
作者
Wenyan Xue,Jie Huang,Nan Chen,Yutao Chen,Dingci Lin
出处
期刊:Unmanned Systems [World Scientific]
卷期号:: 1-21
标识
DOI:10.1142/s230138502550013x
摘要

This paper proposes an efficient fast-optimal balanced differential game (DG) approach to address the formation control problem in dynamic environments for networked multi-agent systems (MASs). Compared to existing receding horizon distributed differential game (RH-DDG) approaches, the proposed approach employs a two-layer game structure to balance optimality and real-time performance, with a focus on formation control, collision avoidance and obstacle avoidance. In the offline layer, the problem is converted into a distributed differential game (DDG) where each agent computes strategies using distributed information from locally neighboring agents. The strategy of each agent self-enforces a unique global Nash equilibrium (G-NE) with a strongly connected communication topology, providing an optimal reference trajectory for the online game. In the online layer, a receding horizon differential game with an event-trigger mechanism (RH-DGET) is presented to track the G-NE trajectory. Ego players are triggered to update online Nash strategies only when the event-triggering condition is satisfied, ensuring the real-time safety certificate. Rigorous proofs demonstrate that the online Nash strategies converge to the offline G-NE until the trigger ends, and a certain dwell time condition is given to prevent the Zeno behavior. Simulation results validate the effectiveness of the proposed approach.
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