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Fully Decentralized Design of Distributed Observer for Linear Time Invariant Systems
선형 시불변 시스템에 대한 분산 관측기의 비집중 설계

DC Field Value Language
dc.contributor.advisor심형보-
dc.contributor.author김태규-
dc.date.accessioned2019-10-21T02:16:57Z-
dc.date.available2019-10-21T02:16:57Z-
dc.date.issued2019-08-
dc.identifier.other000000156992-
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/10371/161989-
dc.identifier.urihttp://dcollection.snu.ac.kr/common/orgView/000000156992ko_KR
dc.description학위논문(박사)--서울대학교 대학원 :공과대학 전기·정보공학부,2019. 8. 심형보.-
dc.description.abstractUnlike the classical observer designed for a single sensor, the distributed observer
is used when the plant is monitored by a network of agents (sensors), and
it consists of multiple local observers, each of which is implemented in its corresponding
agent. Each local observer generates the estimate for the full state of
the plant by using the associated agent’s local measurements and by communicating
with the neighboring agents. The essential benefit of distributed estimation
is that through the inter-agent cooperation, each agent can reconstruct the
full state with a very limited sensor capacity, which leads to improved estimation
performance over the networked agent systems.
However, most of the distributed estimation schemes in the literature lack
i) flexibility in performance over various types of communication topologies, ii)
feasibility in implementing the scheme for networked agent systems, and iii) applicability
to various forms of plants.
In this dissertation, we propose a novel design scheme of the distributed observer
for continuous linear time-invariant systems. The main idea is to let each
agent recover the self-reconstructible portion by itself using its own measurement
and accept only insufficient information by the projected diffusive coupling of the
neighbors’ estimates via the specially designed communication protocol called
agent-wise decomposed diffusive coupling.
In addition, the performance of the proposed distributed observer design technique
is analyzed and improved from the three points of view mentioned above.
i) We provide an equivalent condition to the existence of the proposed observer
for the general linear time invarinat plant over the general communication
network, which is not necessarily strongly connected.
ii) We devise an adaptive distributed observer that can be constructed in a ‘fully
decentralized manner’; each agent can implement the proposed algorithm by
itself without any global information such as the shape of entire network
or the parameters of other agents. In consequence, this proposed adaptive
observer has plug and play features; the estimation is conducted robustly to
the joining and leaving of members.
iii) Going further from the distributed estimation for autonomous plants, we consider
the plant with input, where the input is measured in a distributed fashion
as well as the plant state is. The unknown input observer from geometrical
control theory is employed to estimate the plant state despite the locally
unknown input. As a result, it is shown that the estimates approximately
converge to the plant state assuming that the plant input is bounded.
Lastly, we apply our approach to the distributed multi-robot localization problem
and present simulation results to confirm the effectiveness of the proposed
scheme.
-
dc.description.abstract본 논문은 연속시간 선형 시불변 시스템에 대해 새로운 형태의 분산 관측기
(distributed observer)를 제안한다.
단일 센서를 이용해 설계되는 고전적인 관측기와 달리 분산 관측기는 다수의
개체(센서)들이 네트워크를 형성하여 분산적으로 플랜트를 측정하는 경우에 이용
되며, 각 개체마다 설계된 다수의 국소(local) 관측기로 구성된다. 각 국소 관측
기는 자체 측정값과 통신을 통해 수집한 이웃 개체들의 추정값(estimate)을 융합
하여 플랜트의 전체 상태변수(full state)를 추정한다. 분산 관측은 개체간 협력을
통해 단일 개체의 제한된 성능을 극복함으로써 큰 규모의 개체로 구성된 네트워크
시스템(networked agent system)에 대해 향상된 추정 성능을 보인다.
분산 관측에 대한 기존의 연구결과들은, i) 센서 간 통신망의 형태에 대한 유
연성, ii) 단일 개체가접근 가능한 정보 만을 이용한 설계 구현, iii) 다양한 형태의
플랜트에 대한 수용성, 세 가지 측면에서 비교적 실용성이 부족하다.
본 논문에서는 새로운 형태의 분산 관측기 설계 기법을 제안한다. 핵심 아이디
어는, 플랜트의 전체 상태변수를 추정하기 위하여, 각 개체가 개체 스스로의 측정
치만을 이용하여 추정할 수 있는 부분은 스스로 추정하되, 스스로 추정이 불가한
부분은 개체별 분해기반 확산결합(agent-wise decomposed diffusive coupling)이라
는 특별한 통신 규약을 통해 이웃한 개체로부터 수집한 정보를 이용하는 것이다.
뿐만 아니라, 제안된 분산 관측기 설계 기법의 성능을 위에서 언급한 세 가지
관점에서 분석하고 개선한다.
i) 제약이 없는 가장 일반적인 유향 그래프(directed graph)로 표현되는 개체간
네트워크에서 분산 관측기가 설계 가능할 필요충분조건을 제시한다.
ii) 적응 제어 기법을 이용하여 비집중식으로(decentralized) 설계 가능한 적응 분
산 관측기를 제시한다. 제시된 국소 관측기는 네트워크 및 다른 개체에 대한
정보를 필요로 하지 않으며 개체 자체적으로 구현이 가능하다. 따라서 제시된
분산 관측기는 플러그 앤 플레이(plug and play) 방식으로 작동 가능하여 개
체의 드나듦으로 인한 네트워크 변화에 유연하게 동작한다.
iii) 입력을 고려하지 않는 관측기 설계 문제에서 더 나아가, 입력이 있는 플랜트에
서 입력 또한 상태변수와 같이 개별 개체에 의해 분산되어 측정되는 상황을 가
정한다. 이 때 분산 관측기를 설계하기 위하여 기하학적 제어이론(geometrical
control theory) 기반의 미지 입력 관측기(unknown input observer)를 이용한
다. 이를 통해 유계(bounded) 입력에 대해 설계된 분산 관측기의 추정치가
플랜트의 상태에 근사적으로(approximately) 수렴함을 증명한다.
마지막으로 실용성을 향상시킨 새로운 분산 관측기 설계 기술을 군집 로봇의
위치 인식 문제(distributed multi-robot localization problem)에 적용하고 시뮬레
이션 결과를 제시함으로써 제안된 설계법의 효과를 검증한다.
-
dc.description.tableofcontents1 Introduction 1
1.1 Research Background 1
1.2 Contributions and Outline of Dissertation 6
2 Graph Theory for Distributed Estimation 11
2.1 Basic Definitions of Graph Theory 12
2.2 Connected Graph and Laplacian Matrix 13
2.3 Partitioning Directed Graph using Independent Strongly Connected Component 15
3 Geometrical Subspaces and the Special Coordinate Basis Decomposition 17
3.1 Basic Definitions and Properties of Geometrical Subspaces 18
3.2 Special Coordinate Basis Decomposition 20
3.3 Interconnections between Geometrical Subspaces and Special Coordinate Basis Decomposition 29
4 Distributed State Observer for Linear Systems 31
4.1 Problem Statement 33
4.2 Detectability and Detectability Decomposition 34
4.3 Distributed Observer with Agent-wise Decomposed Diffusive Coupling 36
4.4 Summary and Discussion 50
5 Adaptive Distributed State Observer for Completely Decentralized Construction 53
5.1 Problem Statement 54
5.2 Distributed Observer with Adaptive Agent-wise Decomposed Diffusive Coupling 55
5.3 Summary and Discussion 67
6 Distributed State Observer for Linear Systems with Input 71
6.1 Problem Statement 72
6.2 Partial Unknown Input Observer for Individual Agent 74
6.3 Practical Distributed State Observer for Plants with Input 81
6.4 Summary and Discussion 89
7 Application to Distributed Multi-robot Localization 91
7.1 Problem Statement 92
7.2 Localization for Robots Moving under Unforced Condition 94
7.2.1 Approach using Distributed Observer with Static Coupling Gain 95
7.2.2 Approach using Fully Distributed Observer with Adaptive Coupling Gain 97
7.3 Localization for Robots Moving under Forced Condition 97
7.4 Summary and Discussion 101
8 Conclusions 105
APPENDIX 109
A.1 Detectability Decomposition 109
BIBLIOGRAPHY 115
국문초록 123
-
dc.language.isoeng-
dc.publisher서울대학교 대학원-
dc.subjectdistributed estimation-
dc.subjectdistributed observer-
dc.subjectmulti-agent systems-
dc.subjectsensor network-
dc.subjectfully decentralized design-
dc.subjectgeometrical decomposition-
dc.subjectadaptive observer-
dc.subject.ddc621.3-
dc.titleFully Decentralized Design of Distributed Observer for Linear Time Invariant Systems-
dc.title.alternative선형 시불변 시스템에 대한 분산 관측기의 비집중 설계-
dc.typeThesis-
dc.typeDissertation-
dc.contributor.AlternativeAuthorTaekyoo Kim-
dc.contributor.department공과대학 전기·정보공학부-
dc.description.degreeDoctor-
dc.date.awarded2019-08-
dc.identifier.uciI804:11032-000000156992-
dc.identifier.holdings000000000040▲000000000041▲000000156992▲-
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College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Electrical and Computer Engineering (전기·정보공학부)Theses (Ph.D. / Sc.D._전기·정보공학부)
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