Event-triggered pinning control of switching networks

This paper investigates event-triggered pinning control for the synchronization of complex networks of nonlinear dynamical systems. We consider networks described by time-varying weighted graphs and featuring generic linear interaction protocols. Sufficient conditions for the absence of Zeno behavior are derived and exponential convergence of a global normed error function is proven. Static networks are considered as a special case, wherein the existence of a lower bound for interevent times is also proven. Numerical examples demonstrate the effectiveness of the proposed control strategy

Finite-Time Attitude Synchronization with Distributed Discontinuous Protocols

The finite-time attitude synchronization problem is considered in this paper, where the rotation of each rigid body is expressed using the axis-angle representation. Two discontinuous and distributed controllers using the vectorized signum function are proposed, which guarantee almost global and local convergence, respectively. Filippov solutions and non-smooth analysis techniques are adopted to handle the discontinuities. Sufficient conditions are provided to guarantee finite-time convergence and boundedness of the solutions. Simulation examples are provided to verify the performances of the control protocols designed in this paper

Survey on time-delay approach to networked control

This paper provides a survey on time-delay approach to networked control systems (NCSs). The survey begins from a brief summary on fundamental network-induced issues in NCSs and the main approaches to the modelling of NCSs. In particular, a comprehensive introduction to time-delay approach to sampled-data and networked control is provided. Then, recent results on time-delay approach to event-triggered control are recalled. The survey highlights time-delay approach developed to modelling, analysis and synthesis of NCSs, under communication constraints, with a particular focus on Round-Robin, Try-once-discard and stochastic protocols. The time-delay approach allows communication delays to be larger than the sampling intervals in the presence of scheduling protocols. Moreover, some results on networked control of distributed parameter systems are surveyed. Finally, conclusions and some future research directions are briefly addressed

Event-triggered and cloud-support control of multi-robot systems

In control of multi-robot systems, the aim is to obtain a coordinated behavior through local interactions among the robots. A multi-agent system is an abstract model of a multi-robot system. In this thesis, we investigate multi-agent systems where inter-agent communication is modeled by discrete events triggered by conditions on the internal state of the agents. We consider two models of communication. In the first model, two agents exchange information directly with each other. In the second model, all information is exchanged asynchronously over a shared repository. Four contributions on control algorithms for multi-agent systems are offered in the thesis. The first contribution is an event-triggered pinning control algorithm for a network of agents with nonlinear dynamics and time-varying topology. Pinning control is a strategy to steer the behavior of the system in a desired manner by controlling only a small fraction of the agents. We express the controllability of the network in terms of an average value of the network connectivity over time, and we show that all the agents can be driven to a desired reference trajectory. The second contribution is a control algorithm for multi-agent systems where inter-agent communication is substituted with a shared remote repository hosted on a cloud. The communication between each agent and the cloud is modeled as a sequence of events scheduled recursively by the agent. We quantify the connectivity of the network and we show that it is possible to synchronize the multi-agent system to the same state trajectory, while guaranteeing that two consecutive cloud accesses by the same agent are separated by a lower-bounded time interval. The third contribution is a family of distributed controllers for coverage and surveillance tasks with a network of mobile agents with anisotropic sensing patterns. We develop an abstract model of the environment under inspection and define a measure of the coverage attained by the sensor network. We show that the network attains nondecreasing coverage, and we characterize the equilibrium configurations of the network. The fourth contribution is a distributed, cloud-supported control algorithm for inspection of 3D structures with a network of mobile sensing agents, similar to those considered in the third contribution. We develop an abstract model of the structure to inspect and quantify the degree of completion of the inspection. We demonstrate that, under the proposed algorithm, the network is guaranteed to complete the inspection in finite time. All results presented in the thesis are corroborated by numerical simulations and sometimes by experiments with aerial robotic platforms. The experiments show that the theory and methods developed in the thesis are of practical relevance.I reglering av multi-robot system är syftet att uppnå ett samordnat beteende genom lokala interaktioner bland robotarna. Ett fleragentsystem är en abstrakt modell av ett multi-robot system. I denna avhandling undersöks fleragentsystem där kommunikationen mellan agenterna modelleras som tidsdiskreta händelser som utlöses av vilkor på agenternas inre tillstånd. Vi betraktar två kommunikationsmodeller. I den första modellen utbyter två agenter direkt information med varandra. I den andra modellen utbyts all information genom asynkron tillgång till ett gemensamt minne. Avhandlingens bidrag består av fyra delar. Det första bidraget är en händelsestyrd pinningregleringsalgoritm för ett nätverk av agenter med olinjär dynamik och tidsvarierande topologi. Pinningreglering är en strategi för att styra beteendet hos ett fleragentsystem på ett önskat sätt genom att endast styra en liten del av agenterna. Vi uttrycker styrbarheten hos nätverket i form av ett medelvärde av nätverkskonnektiviteten över tiden, och vi visar att alla agenter kan drivas till en önskad referenstrajektoria. Det andra bidraget är en regleringsalgoritm för fleragentsystem där kommunikationen mellan agenterna är ersatt av ett gemensamt minne som är installerat på ett moln. Kommunikationen mellan varje agent och molnet modelleras som en följd av händelser som planeras rekursivt av agenten. Vi kvantifierar nätverkets konnektivitet och vi visar att det är möjligt att synkronisera fleragentsystemet till samma tillståndstrajektoria och att två på varandra följande uppkopplingar till molnen av samma agent separeras av ett nedåt begränsat tidsintervall. Det tredje bidraget är en samling av distribuerade regulatorer för täcknings- och övervakningsuppgifter med ett nätverk av mobila sensorer med anisotropa sensormönster. Vi utvecklar en abstrakt modell av den inspekterade miljön och definierar ett mått på den täckning som uppnås av sensornätverket. Vi visar att nätverket uppnår gradvis förbättrad täckning, och vi karaktäriserar nätverkets jämviktskonfigurationer. Det fjärde bidraget är en distribuerad, molnbaserad regleringsalgoritm för inspektion av 3D-strukturer med ett nätverk av mobila sensorer, som liknar dem som betraktas i det tredje bidraget. Vi utvecklar en abstrakt modell av strukturen som ska inspekteras och kvantifierar omfattningen av inspektionen. Vi visar att nätverket enligt den föreslagna algoritmen är garanterat att slutföra inspektionen inom begränsad tid. Alla resultat som presenteras i avhandlingen bekräftas av numeriska simuleringar och ibland av experiment med flygrobotplattformar. Experimenten visar att teorin och metoderna som utvecklas i avhandlingen är av praktisk relevans.QC 20180531</p

Pinning Control of Networks: Choosing the Pinned Sites

In this master thesis we address the problem of optimal pin selection in four elementary topologies. The augmented connectivity of a graph is defined as an extension of the algebraic connectivity in a pinning control scenario, and its key role in the pinning control problem is illustrated. For each of the considered topologies several pinning configurations are examined and they are compared in terms of the control strength they require to yield a desired value for the augmented connectivity. For each of the examined configurations a direct expression is provided for the control strength as a function of the augmented connectivity

Event-triggered and cloud-support control of multi-robot systems

In control of multi-robot systems, the aim is to obtain a coordinated behavior through local interactions among the robots. A multi-agent system is an abstract model of a multi-robot system. In this thesis, we investigate multi-agent systems where inter-agent communication is modeled by discrete events triggered by conditions on the internal state of the agents. We consider two models of communication. In the first model, two agents exchange information directly with each other. In the second model, all information is exchanged asynchronously over a shared repository. Four contributions on control algorithms for multi-agent systems are offered in the thesis. The first contribution is an event-triggered pinning control algorithm for a network of agents with nonlinear dynamics and time-varying topology. Pinning control is a strategy to steer the behavior of the system in a desired manner by controlling only a small fraction of the agents. We express the controllability of the network in terms of an average value of the network connectivity over time, and we show that all the agents can be driven to a desired reference trajectory. The second contribution is a control algorithm for multi-agent systems where inter-agent communication is substituted with a shared remote repository hosted on a cloud. The communication between each agent and the cloud is modeled as a sequence of events scheduled recursively by the agent. We quantify the connectivity of the network and we show that it is possible to synchronize the multi-agent system to the same state trajectory, while guaranteeing that two consecutive cloud accesses by the same agent are separated by a lower-bounded time interval. The third contribution is a family of distributed controllers for coverage and surveillance tasks with a network of mobile agents with anisotropic sensing patterns. We develop an abstract model of the environment under inspection and define a measure of the coverage attained by the sensor network. We show that the network attains nondecreasing coverage, and we characterize the equilibrium configurations of the network. The fourth contribution is a distributed, cloud-supported control algorithm for inspection of 3D structures with a network of mobile sensing agents, similar to those considered in the third contribution. We develop an abstract model of the structure to inspect and quantify the degree of completion of the inspection. We demonstrate that, under the proposed algorithm, the network is guaranteed to complete the inspection in finite time. All results presented in the thesis are corroborated by numerical simulations and sometimes by experiments with aerial robotic platforms. The experiments show that the theory and methods developed in the thesis are of practical relevance.I reglering av multi-robot system är syftet att uppnå ett samordnat beteende genom lokala interaktioner bland robotarna. Ett fleragentsystem är en abstrakt modell av ett multi-robot system. I denna avhandling undersöks fleragentsystem där kommunikationen mellan agenterna modelleras som tidsdiskreta händelser som utlöses av vilkor på agenternas inre tillstånd. Vi betraktar två kommunikationsmodeller. I den första modellen utbyter två agenter direkt information med varandra. I den andra modellen utbyts all information genom asynkron tillgång till ett gemensamt minne. Avhandlingens bidrag består av fyra delar. Det första bidraget är en händelsestyrd pinningregleringsalgoritm för ett nätverk av agenter med olinjär dynamik och tidsvarierande topologi. Pinningreglering är en strategi för att styra beteendet hos ett fleragentsystem på ett önskat sätt genom att endast styra en liten del av agenterna. Vi uttrycker styrbarheten hos nätverket i form av ett medelvärde av nätverkskonnektiviteten över tiden, och vi visar att alla agenter kan drivas till en önskad referenstrajektoria. Det andra bidraget är en regleringsalgoritm för fleragentsystem där kommunikationen mellan agenterna är ersatt av ett gemensamt minne som är installerat på ett moln. Kommunikationen mellan varje agent och molnet modelleras som en följd av händelser som planeras rekursivt av agenten. Vi kvantifierar nätverkets konnektivitet och vi visar att det är möjligt att synkronisera fleragentsystemet till samma tillståndstrajektoria och att två på varandra följande uppkopplingar till molnen av samma agent separeras av ett nedåt begränsat tidsintervall. Det tredje bidraget är en samling av distribuerade regulatorer för täcknings- och övervakningsuppgifter med ett nätverk av mobila sensorer med anisotropa sensormönster. Vi utvecklar en abstrakt modell av den inspekterade miljön och definierar ett mått på den täckning som uppnås av sensornätverket. Vi visar att nätverket uppnår gradvis förbättrad täckning, och vi karaktäriserar nätverkets jämviktskonfigurationer. Det fjärde bidraget är en distribuerad, molnbaserad regleringsalgoritm för inspektion av 3D-strukturer med ett nätverk av mobila sensorer, som liknar dem som betraktas i det tredje bidraget. Vi utvecklar en abstrakt modell av strukturen som ska inspekteras och kvantifierar omfattningen av inspektionen. Vi visar att nätverket enligt den föreslagna algoritmen är garanterat att slutföra inspektionen inom begränsad tid. Alla resultat som presenteras i avhandlingen bekräftas av numeriska simuleringar och ibland av experiment med flygrobotplattformar. Experimenten visar att teorin och metoderna som utvecklas i avhandlingen är av praktisk relevans.QC 20180531</p

Event-triggered and cloud-support control of multi-robot systems

In control of multi-robot systems, the aim is to obtain a coordinated behavior through local interactions among the robots. A multi-agent system is an abstract model of a multi-robot system. In this thesis, we investigate multi-agent systems where inter-agent communication is modeled by discrete events triggered by conditions on the internal state of the agents. We consider two models of communication. In the first model, two agents exchange information directly with each other. In the second model, all information is exchanged asynchronously over a shared repository. Four contributions on control algorithms for multi-agent systems are offered in the thesis. The first contribution is an event-triggered pinning control algorithm for a network of agents with nonlinear dynamics and time-varying topology. Pinning control is a strategy to steer the behavior of the system in a desired manner by controlling only a small fraction of the agents. We express the controllability of the network in terms of an average value of the network connectivity over time, and we show that all the agents can be driven to a desired reference trajectory. The second contribution is a control algorithm for multi-agent systems where inter-agent communication is substituted with a shared remote repository hosted on a cloud. The communication between each agent and the cloud is modeled as a sequence of events scheduled recursively by the agent. We quantify the connectivity of the network and we show that it is possible to synchronize the multi-agent system to the same state trajectory, while guaranteeing that two consecutive cloud accesses by the same agent are separated by a lower-bounded time interval. The third contribution is a family of distributed controllers for coverage and surveillance tasks with a network of mobile agents with anisotropic sensing patterns. We develop an abstract model of the environment under inspection and define a measure of the coverage attained by the sensor network. We show that the network attains nondecreasing coverage, and we characterize the equilibrium configurations of the network. The fourth contribution is a distributed, cloud-supported control algorithm for inspection of 3D structures with a network of mobile sensing agents, similar to those considered in the third contribution. We develop an abstract model of the structure to inspect and quantify the degree of completion of the inspection. We demonstrate that, under the proposed algorithm, the network is guaranteed to complete the inspection in finite time. All results presented in the thesis are corroborated by numerical simulations and sometimes by experiments with aerial robotic platforms. The experiments show that the theory and methods developed in the thesis are of practical relevance.I reglering av multi-robot system är syftet att uppnå ett samordnat beteende genom lokala interaktioner bland robotarna. Ett fleragentsystem är en abstrakt modell av ett multi-robot system. I denna avhandling undersöks fleragentsystem där kommunikationen mellan agenterna modelleras som tidsdiskreta händelser som utlöses av vilkor på agenternas inre tillstånd. Vi betraktar två kommunikationsmodeller. I den första modellen utbyter två agenter direkt information med varandra. I den andra modellen utbyts all information genom asynkron tillgång till ett gemensamt minne. Avhandlingens bidrag består av fyra delar. Det första bidraget är en händelsestyrd pinningregleringsalgoritm för ett nätverk av agenter med olinjär dynamik och tidsvarierande topologi. Pinningreglering är en strategi för att styra beteendet hos ett fleragentsystem på ett önskat sätt genom att endast styra en liten del av agenterna. Vi uttrycker styrbarheten hos nätverket i form av ett medelvärde av nätverkskonnektiviteten över tiden, och vi visar att alla agenter kan drivas till en önskad referenstrajektoria. Det andra bidraget är en regleringsalgoritm för fleragentsystem där kommunikationen mellan agenterna är ersatt av ett gemensamt minne som är installerat på ett moln. Kommunikationen mellan varje agent och molnet modelleras som en följd av händelser som planeras rekursivt av agenten. Vi kvantifierar nätverkets konnektivitet och vi visar att det är möjligt att synkronisera fleragentsystemet till samma tillståndstrajektoria och att två på varandra följande uppkopplingar till molnen av samma agent separeras av ett nedåt begränsat tidsintervall. Det tredje bidraget är en samling av distribuerade regulatorer för täcknings- och övervakningsuppgifter med ett nätverk av mobila sensorer med anisotropa sensormönster. Vi utvecklar en abstrakt modell av den inspekterade miljön och definierar ett mått på den täckning som uppnås av sensornätverket. Vi visar att nätverket uppnår gradvis förbättrad täckning, och vi karaktäriserar nätverkets jämviktskonfigurationer. Det fjärde bidraget är en distribuerad, molnbaserad regleringsalgoritm för inspektion av 3D-strukturer med ett nätverk av mobila sensorer, som liknar dem som betraktas i det tredje bidraget. Vi utvecklar en abstrakt modell av strukturen som ska inspekteras och kvantifierar omfattningen av inspektionen. Vi visar att nätverket enligt den föreslagna algoritmen är garanterat att slutföra inspektionen inom begränsad tid. Alla resultat som presenteras i avhandlingen bekräftas av numeriska simuleringar och ibland av experiment med flygrobotplattformar. Experimenten visar att teorin och metoderna som utvecklas i avhandlingen är av praktisk relevans.QC 20180531</p

Event-triggered control of multi-agent systems: pinning control, cloud coordination, and sensor coverage

A multi-agent system is composed of interconnected subsystems, or agents. In control of multi-agent systems, the aim is to obtain a coordinated behavior of the overall system through local interactions among the agents. Communication among the agents often occurs over a wireless medium with finite capacity. In this thesis, we investigate multiagent control systems where inter-agent communication is modelled by discrete events triggered by state conditions. In the first part, we consider event-triggered pinning control for a network of agents with nonlinear dynamics and time-varying topologies. Pinning control is a strategy to steer the behavior of a multi-agent system in a desired manner by controlling only a small fraction of the agents. We express the controllability of the network in terms of an average value of the network connectivity over time, and we show that all the agents can be driven to a desired reference trajectory. In the second part, we propose a control algorithm for multi-agent systems where inter-agent communication is substituted with a shared remote repository hosted on a cloud. Communication between each agent and the cloud is modelled as a sequence of events scheduled recursively by the agent. We quantify the connectivity of the network and we show that it is possible to synchronize the multi-agent system to the same state trajectory, while guaranteeing that two consecutive cloud accesses by the same agent are separated by a finite time interval. In the third part, we propose a family of distributed algorithms for coverage and inspection tasks for a network of mobile sensors with asymmetric footprints. We develop an abstract model of the environment under inspection and define a measure of the coverage attained by the sensor network. We show that the sensor network attains nondecreasing coverage, and we characterize the equilibrium configurations. The results presented in the thesis are corroborated by simulations or experiments.QC 20160909</p