基于局部信息的若干群體行為研究.pdf

1、自然界中很多種類的生物中都存在著復(fù)雜的群體行為，生物學(xué)家曾對(duì)此作了大量研究，也取得了很多重要的研究成果，一般來說，這些群體行為有著各種不同的產(chǎn)生機(jī)制，例如：某些菌類或昆蟲類的生物個(gè)體直接受食物源或其它個(gè)體遺留的生物信息素的影響而產(chǎn)生群體行為；某些魚類/鳥類或其它哺乳類生物直接與其它個(gè)體發(fā)生交互作用而導(dǎo)致群體行為等等。如何對(duì)這種群體行為進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并將其應(yīng)用于人工世界，如一組機(jī)器人的協(xié)作編隊(duì)控制等，是目前復(fù)雜性科學(xué)的前沿課題。

2、生物群體動(dòng)態(tài)行為的進(jìn)化過程可以看作是一種算法的設(shè)計(jì)過程，該算法就是要設(shè)計(jì)生物的行為使之最適合它們所處的環(huán)境，而這個(gè)過程已經(jīng)歷了百萬年的發(fā)展，因此通過研究生物群體的動(dòng)態(tài)行為可以揭示控制這些生物系統(tǒng)運(yùn)作的優(yōu)化規(guī)則，而這些規(guī)則對(duì)發(fā)展類似的工程群體系統(tǒng)有著極為重要的作用。 本學(xué)位論文主要研究了大規(guī)模群體系統(tǒng)的集結(jié)行為和遷徙行為的可擴(kuò)展建模與穩(wěn)定性問題。 首先介紹了群體系統(tǒng)的定義及該領(lǐng)域所研究的主要問題；生物學(xué)領(lǐng)域群體集結(jié)行為和群

3、體遷徙行為的研究現(xiàn)狀；工程領(lǐng)域機(jī)器人群體集結(jié)和遷徙行為的相關(guān)研究以及受生物學(xué)群體行為中的粒子交互思想的啟發(fā)而建立的粒子群優(yōu)化算法。 然后針對(duì)大規(guī)模群體系統(tǒng)集結(jié)行為的研究，我們提出了一種基于最小外接圓方法的群體集結(jié)模型，并分析了其可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，該模型中每個(gè)個(gè)體的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)作用力決定：(1)趨向包含個(gè)體鄰域內(nèi)所有個(gè)體的最小外接圓圓心的吸引力作用；(2)逃避排斥域內(nèi)距其最近的個(gè)體的排斥力作用。結(jié)果表明所有個(gè)體能在有限時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)

4、集中的群體，而且我們得出了關(guān)于個(gè)體之間的穩(wěn)定距離以及收斂時(shí)間的結(jié)論。 隨后我們將基于最小外接圓的收斂原則推廣到群體遷徙行為的研究中，提出了一類改進(jìn)的基于領(lǐng)導(dǎo)者－跟隨者模式的協(xié)調(diào)跟蹤模型，其中領(lǐng)導(dǎo)者引導(dǎo)群體其它成員完成趨向目標(biāo)/避開障礙物的路徑規(guī)劃任務(wù)，而跟隨者個(gè)體跟蹤的是面向全局目標(biāo)的正半?yún)^(qū)域內(nèi)的個(gè)體組成的最小外接圓圓心位置。另外，我們分析了自由空間和障礙物空間中群體遷徙行為的可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，同時(shí)提出了一類適合于群體避障的進(jìn)化

5、規(guī)劃算法。 在研究了群體規(guī)模的可擴(kuò)展性之后，我們進(jìn)一步研究了個(gè)體鄰域規(guī)模的可擴(kuò)展性，通過對(duì)個(gè)體不同的吸引源集合切換不同的控制作用，能夠保證個(gè)體之間可觀測性的延續(xù)，在提高整個(gè)群體規(guī)模的擴(kuò)展性的同時(shí)也提高了個(gè)體鄰域規(guī)模的可擴(kuò)展性。通過將個(gè)體趨向其鄰域最小外接圓圓心的行為理解為個(gè)體與其鄰域內(nèi)幾個(gè)最遠(yuǎn)的個(gè)體之間交互作用的涌現(xiàn)結(jié)果，我們提出了一種適合于理解大規(guī)模群體系統(tǒng)集結(jié)和遷徙行為的兩層涌現(xiàn)結(jié)構(gòu)。另外，我們提出了一類模糊隸屬度函數(shù)來描述

6、個(gè)體運(yùn)動(dòng)的不確定位置信息，分析了不確定環(huán)境中群體行為的動(dòng)態(tài)特性。 群體模型確立以后，需要設(shè)計(jì)實(shí)際的機(jī)器人使之動(dòng)態(tài)特征方程與預(yù)先設(shè)定的理論群體動(dòng)態(tài)性能相符合。我們采取基于滑模控制理論的到達(dá)律控制方法設(shè)計(jì)個(gè)體跟蹤理想群體動(dòng)態(tài)性能的動(dòng)態(tài)方程，介紹了群體行為研究在機(jī)器人群體柔性編隊(duì)任務(wù)中的應(yīng)用。 總之，對(duì)群體系統(tǒng)中交互智能個(gè)體之間的協(xié)調(diào)機(jī)制與群體所涌現(xiàn)出來的協(xié)調(diào)行為的內(nèi)在關(guān)聯(lián)的研究無論是對(duì)生物群體涌現(xiàn)行為的理解還是對(duì)工程群體的應(yīng)