Decentralized consensus-based formation control of autonomous vehicles

Pedro Miguel Dias Pateiro Trindade

Key information

Authors:

Pedro Miguel Dias Pateiro Trindade (Pedro Miguel Dias Pateiro Trindade)

Supervisors:

Pedro Tiago Martins Batista (Pedro Tiago Martins Batista); Rita Maria Mendes de Almeida Correia da Cunha (Rita Maria Mendes de Almeida Correia da Cunha)

Published in

January 15, 2026

Abstract

Esta tese aborda o tema de controlo descentralizado baseado em consenso de modo a possibilitar o movimento coordenado de veículos em formação. O principal foco da tese é a analise de algoritmos de consenso numa perspetiva inovadora, a fim de fornecer novas metodologias para o projeto destes algoritmos e novos resultados de estabilidade e desempenho, que são fundamentais para uma operação autónoma de elevado desempenho. Este trabalho começa por investigar a convergência de um algoritmo de consenso para sistemas do tipo triplo integrador e estabelecer novas condições necessárias e suficientes para a convergência. Esse algoritmo é depois aplicado ao desenvolvimento de um controlador robusto e descentralizado para a estabilização de formações de veículos modelados como duplos integradores, e os benefícios desta abordagem são exemplificados através de experiências com multirrotores. Considerando a relação entre os problemas de consenso e de controlo de formações, a analise foca-se nos protocolos de consenso. Abordam-se três temas centrais: 1) convergência, 2) convergência com atrasos e 3) desempenho. Inicialmente, analisa-se o problema de consenso para agentes modelados com qualquer número de integradores, quando existem atrasos na malha de retroação. Daí resulta uma metodologia para o desenho de algoritmos de consenso que permite alcançar uma margem de atraso desejada. Esta análise permitiu ainda revisitar o problema de consenso sem atrasos, e derivar novas condições necessárias e suficientes para o consenso de agentes modelados com qualquer número de integradores, que generalizam os resultados obtidos anteriormente para triplos integradores. De seguida, esta tese aborda o problema de desenho ótimo do protocolo de consenso, propondo algoritmos para calcular os seus parâmetros de forma a otimizar o desempenho. Por fim, apresentam-se dois exemplos para ilustrar como os resultados, procedimentos e algoritmos desenvolvidos nesta tese podem ser aplicados de forma integrada ao desenho do controlador de formações, e a solução final é validada através de experiências com multirrotores. Resumindo, esta tese contribui com avanços para o controlo descentralizado de formações de veículos, fornecendo algoritmos e metodologias essenciais para a coordenação eficiente do movimento de veículos autónomos. This thesis considers the problem of designing decentralized consensus-based control algorithms that enable teams of vehicles to seamlessly maneuver in formation. A strong focus is placed on analysing consensus protocols from a new perspective to provide novel methods for control design and new results for stability and performance, which are instrumental in high-performance autonomous operation. The study begins by analyzing the convergence properties of a third-order consensus algorithm and establishing novel necessary and sufficient conditions for convergence. This algorithm is then applied to achieve robust decentralized formation tracking control for a team of double integrator vehicles, with its benefits exemplified through experiments with multirotors. Building on the connection between consensus protocols and the formation control problem, the focus of the analysis is shifted towards the convergence properties of consensus protocols. Concretely, the analysis targets three main topics: 1) convergence, 2) convergence with time-delays, and 3) performance. Initially, this thesis analyzes the consensus problem for agents modeled with any number of integrators in the presence of time-delays, resulting in a methodology for designing consensus algorithms such that a prescribed delay-margin is achieved. This analysis also allowed for revisiting the delay-free consensus problem, leading to convergence conditions for the high-order consensus protocol that generalize the results previously derived for the third-order case. Next, this thesis addresses the optimal design of the consensus protocol parameters, proposing algorithms that enable computing these parameters based on given optimality criteria. Finally, two examples are presented to illustrate how the algorithms, procedures, and convergence results developed in this thesis, can be integrated into the design of the proposed formation control algorithms. The resulting solutions are again validated through experiments with multirotors. In summary, the work developed in this thesis contributes with advancements to the field of decentralized formation control of autonomous vehicles, providing key enabling algorithms and methodologies for efficient motion coordination in autonomous teams of vehicles, which are experimentally validated through experiments with multirotor vehicles.