<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Neurosci.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Neuroscience</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Neurosci.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">1662-453X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fnins.2024.1367248</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Neuroscience</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Multi-consensus formation control by artificial potential field based on velocity threshold</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>Chang</surname> <given-names>Xiaofei</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001"><sup>&#x002A;</sup></xref>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/conceptualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-review-editing/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Jiao</surname> <given-names>Jiayue</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Li</surname> <given-names>Yuenan</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-review-editing/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Hong</surname> <given-names>Bei</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3"><sup>3</sup></xref>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/conceptualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-review-editing/"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1"><sup>1</sup><institution>Northwestern Polytechnical University</institution>, <addr-line>Xi&#x2019;an</addr-line>, <country>China</country></aff>
<aff id="aff2"><sup>2</sup><institution>CAMA</institution>, <addr-line>Luoyang</addr-line>, <country>China</country></aff>
<aff id="aff3"><sup>3</sup><institution>Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering</institution>, <addr-line>Beijing</addr-line>, <country>China</country></aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by" id="fn0001">
<p>Edited by: Ziming Zhang, Worcester Polytechnic Institute, United States</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by" id="fn0002">
<p>Reviewed by: Linlin You, Sun Yat-sen University, China</p>
<p>Qing Wang, Beihang University, China</p>
<p>Yun Yue, Worcester Polytechnic Institute, United States</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x002A;Correspondence: Xiaofei Chang, <email>changfei83@sina.com</email></corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>25</day>
<month>03</month>
<year>2024</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2024</year>
</pub-date>
<volume>18</volume>
<elocation-id>1367248</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>08</day>
<month>01</month>
<year>2024</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>26</day>
<month>02</month>
<year>2024</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x00A9; 2024 Chang, Jiao, Li and Hong.</copyright-statement>
<copyright-year>2024</copyright-year>
<copyright-holder>Chang, Jiao, Li and Hong</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>This study proposes a multi-consensus formation control algorithm by artificial potential field (APF) method based on velocity threshold. The algorithm improves the multi-consensus technique. This algorithm can split a group of agents into multiple agent groups. Note that the algorithm can easily complete the queue transformation as long as the entire proxy group is connected initially and no specific edges need to be removed. Furthermore, collision avoidance and maintenance of existing communication connectivity should be considered during the movement of all agents. Therefore, we design a new swarm motion potential function. The stability of multi-consensus formation control has proven to be effective in avoiding collisions, maintaining connectivity, and generating formations. The final numerical simulation results show the role of the controller we designed.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>artificial potential field</kwd>
<kwd>formation control</kwd>
<kwd>multi-consensus</kwd>
<kwd>velocity threshold</kwd>
<kwd>swarm motion potential function</kwd>
</kwd-group>
<counts>
<fig-count count="10"/>
<table-count count="1"/>
<equation-count count="42"/>
<ref-count count="26"/>
<page-count count="11"/>
<word-count count="7717"/>
</counts>
<custom-meta-wrap>
<custom-meta>
<meta-name>section-at-acceptance</meta-name>
<meta-value>Decision Neuroscience</meta-value>
</custom-meta>
</custom-meta-wrap>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="intro" id="sec1">
<label>1</label>
<title>Introduction</title>
<p>With its great application potential, multi-agent systems (MAS) have experienced rapid development in both theoretical research and engineering applications in recent years. In terms of information acquisition, fault tolerance, and completion of complex tasks, MAS has incomparable advantages over a single agent (<xref ref-type="bibr" rid="ref17">Sui et al., 2020a</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref18">b</xref>). Currently, MAS has found extensive research applications in precise mapping, environmental monitoring, and military domains, among others.</p>
<p>Formation control is a critical research area in the field of MAS, involving collaborative behaviors among multiple agents to achieve specific tasks or objectives. The primary methods for formation control include leader&#x2013;follower methods, virtual structure methods, APF methods, and distributed control methods (<xref ref-type="bibr" rid="ref21">Wu and Li, 2023</xref>), among others. Leader&#x2013;follower methods (<xref ref-type="bibr" rid="ref25">Yu and Chen, 2021</xref>) are one of the most common strategies in formation control. In this approach, one or more agents are designated as leaders, and their actions dictate the collective behavior of the entire formation. The remaining agents act as followers, adjusting their positions or velocities to maintain specific relative positions with respect to the leaders. This method is often used in hierarchical tasks where leaders provide guidance and objectives for the formation. Virtual structure methods introduce virtual connections or structures, such as spring-mass systems, to achieve formation control. In this approach, each agent is influenced by virtual connections with adjacent agents. These virtual connections are defined using models like spring systems or other forms of interactions to maintain the desired formation shape. Virtual structure methods (<xref ref-type="bibr" rid="ref16">Ren and Beard, 2005</xref>) are typically employed in tasks that require maintaining specific geometric configurations, such as multi-robot formations or aerial vehicle formations. APF methods emulate the concepts of physical fields and forces in the natural world to guide agents toward specific goals or shapes. In this method, each agent is influenced by a potential field that directs them to avoid obstacles and collaborate with other agents. APF methods (<xref ref-type="bibr" rid="ref8">Li et al., 2022</xref>) are widely used in robot navigation and autonomous flight due to their adaptability and real-time characteristics. Distributed control (<xref ref-type="bibr" rid="ref20">Wang et al., 2019</xref>) methods emphasize local communication and decision-making among agents to coordinate their behaviors without the need for a central coordinator. This approach is particularly useful in large-scale MAS, allowing agents to adapt in real time to changing environments and tasks. Distributed control methods include consensus-based methods, model predictive control, and reinforcement learning, among others. The book &#x201C;Graph Theoretic Methods in Multiagent Networks&#x201D; (<xref ref-type="bibr" rid="ref11">Mehran and Egerstedt, 2010</xref>) provides an overview of the application of graph theory methods in multi-agent networks. It explores the applications of distributed control methods in MAS. The choice of formation control method typically depends on the nature of the task, interactions between agents, and environmental conditions. However, traditional control methods are only suitable for scenarios where multiple agents form a single coherent MAS. In practice, situations can be more complex, requiring different formations to accomplish multiple objectives. Therefore, MAS needs to establish multi-consensus formation control as depicted in <xref ref-type="fig" rid="fig1">Figure 1</xref>.</p>
<fig position="float" id="fig1">
<label>Figure 1</label>
<caption>
<p>Concept of multi-consensus formation control.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnins-18-1367248-g001.tif"/>
</fig>
<p>In the realm of formation control, achieving consensus among multiple agents is a fundamental and intricate challenge. Beyond traditional consensus, where agents aim to converge to a single common value, multi-consensus adds a layer of complexity by targeting agreement on multiple quantities of common interest. This nuanced concept opens up new avenues for research and applications, addressing scenarios where diverse objectives must be met within a multi-agent system (<xref ref-type="bibr" rid="ref7">Han et al., 2016</xref>). <xref ref-type="bibr" rid="ref16">Ren and Beard (2005)</xref> made significant contributions to the field by analyzing the convergence of high-order MAS operating under consensus algorithms. Their work not only delved into the theoretical underpinnings of convergence but also provided necessary and sufficient conditions for achieving it. Their research is instrumental in understanding the theoretical foundations of multi-consensus. <xref ref-type="bibr" rid="ref6">Guo et al. (2014)</xref> introduced an innovative distributed event-triggered transmission strategy. This strategy facilitates MAS in achieving multi-consensus by allowing agents to converge to different values at different stages of the interaction. This adaptive approach recognizes that within complex tasks, not all agents need to reach the same consensus simultaneously, but rather, multiple consensuses can evolve iteratively, aligning with the dynamics of the task. <xref ref-type="bibr" rid="ref26">Zhu et al. (2015)</xref> proposed a segmental unmanned aerial vehicle (UAV) formation control strategy founded on the principle of information consistency. They not only presented the concept but also conducted comprehensive simulations to validate the rationality and effectiveness of the strategy. Such real-world application of multi-consensus strategies is crucial for confirming their practical utility.</p>
<p>In addition, it is crucial to underscore the paramount significance of collision avoidance and the maintenance of connectivity in the realm of multi-subgroup formation control. These two aspects remain pivotal challenges that MAS grapple with, particularly during the intricate process of switching network topologies (<xref ref-type="bibr" rid="ref3">Dong et al., 2021</xref>). Current research indicates that MAS network topologies are often artificially designed, introducing a level of uncertainty and sub-optimality. This uncertainty can pose hindrances to the stable preservation of formations under multi-agent control, necessitating innovative solutions. To address the trajectory tracking problem, noteworthy efforts have been made by researchers. For instance, Mondal et al. have devised a pioneering multi-agent formation control approach that not only steers clear of collisions but also meticulously upholds connectivity within the system (<xref ref-type="bibr" rid="ref12">Mondal et al., 2017</xref>). On a similar note, <xref ref-type="bibr" rid="ref9">Liu et al. (2019)</xref> have proposed a distinctive MAS formation generation strategy hinged on a network topology that employs an event-triggered mechanism. Although this method showcases promise, it does require the establishment of internal topology connections within sub-formations. These endeavors mark significant advancements in the field and offer potential solutions to these persistent challenges.</p>
<p>Based on the aforementioned analysis, this study conducts research on the multi-agent formation control problem and presents an APF method suitable for multi-subgroup formations based on velocity thresholds. This approach constructs communication topologies, allowing agents to maintain predefined formations effectively. The main contributions are summarized as follows:</p>
<list list-type="roman-lower">
<list-item>
<p>Based on an enhancement of established multi-consensus algorithms, we introduce a novel decentralized multi-agent consensus formation control algorithm. This innovation involves the decentralization of a set of MAS into multiple groups, eliminating the requirement for subgroup network conditions;</p>
</list-item>
<list-item>
<p>In our quest to achieve precise trajectory tracking and ensure sustained connectivity in the domain of multi-subgroup formation control, we have developed a sophisticated group motion potential energy function inspired by the principles of artificial potential fields. This innovative approach serves as a guiding force, orchestrating the coordinated movement of the agents in complex environments, thereby enabling seamless trajectory tracking and effective maintenance of connectivity;</p>
</list-item>
<list-item>
<p>Furthermore, our comprehensive strategy involves the implementation of tailored velocity thresholds for each individual agent. These specific thresholds are meticulously designed to optimize the stability and safety of the system while enhancing the ability of the agents to navigate within the formation. This dual-pronged approach not only advances the field of MAS but also opens new avenues for addressing collaborative control challenges across various domains.</p>
</list-item>
</list>
</sec>
<sec id="sec2">
<label>2</label>
<title>Preliminaries</title>
<sec id="sec3">
<label>2.1</label>
<title>Graph theory</title>
<p>In this paper, the weighted undirected graph is used to describe the communication relationship between the agents in the system (<xref ref-type="bibr" rid="ref10">Luo and Cao, 2014</xref>).</p>
<p>First, in this paper, the undirected graph is defined as <inline-formula>
<mml:math id="M1">
<mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. We define the set of points of the undirected graph as <inline-formula>
<mml:math id="M2">
<mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="}" separators=",,,">
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula> and the set of edges as <inline-formula>
<mml:math id="M3">
<mml:mi>&#x0395;</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="true">|</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula>. Then, the adjacency matrix is defined as <inline-formula>
<mml:math id="M4">
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x00D7;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>. <inline-formula>
<mml:math id="M5">
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the number of agents in the system. The elements of the adjacency matrix are <inline-formula>
<mml:math id="M6">
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>, indicating the adjacency of the <inline-formula>
<mml:math id="M7">
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>-th vertex at the <inline-formula>
<mml:math id="M8">
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>-th vertex. Agent <inline-formula>
<mml:math id="M9">
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and agent <inline-formula>
<mml:math id="M10">
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> are concatenated when <inline-formula>
<mml:math id="M11">
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula>
<mml:math id="M12">
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>, but not vice versa. Furthermore, when <inline-formula>
<mml:math id="M13">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>. In addition, if agent <inline-formula>
<mml:math id="M14">
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is connected to agent <inline-formula>
<mml:math id="M15">
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, information about each other can be obtained when <inline-formula>
<mml:math id="M16">
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> exists between agents. The connection set for agent <inline-formula>
<mml:math id="M17">
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is defined as <inline-formula>
<mml:math id="M18">
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">|</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula>. The degree matrix of the graph is defined as <inline-formula>
<mml:math id="M19">
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> <inline-formula>
<mml:math id="M20">
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mspace width="0.5em"/>
<mml:mi mathvariant="italic">diag</mml:mi>
<mml:mfenced open="{" close="}" separators=",,,">
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula> where <inline-formula>
<mml:math id="M21">
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo stretchy="true">&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>. The Laplacian matrix <inline-formula>
<mml:math id="M22">
<mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> of the unweighted undirected graph can be expressed as follows:</p>
<disp-formula id="EQ1">
<label>(1)</label>
<mml:math id="M23">
<mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>When the communication is restricted, the communication strength between agent <inline-formula>
<mml:math id="M24">
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and agent <inline-formula>
<mml:math id="M25">
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is affected by the relative distance. Considering the above situation, the element <inline-formula>
<mml:math id="M26">
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> in the adjacency matrix <inline-formula>
<mml:math id="M27">
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> needs to be modified. The modified matrix elements are values on a continuous space, and <inline-formula>
<mml:math id="M28">
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> can be expressed as follows:</p>
<disp-formula id="EQ2">
<label>(2)</label>
<mml:math id="M29">
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x00AF;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="true">{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr columnalign="center">
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr columnalign="center">
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo>cos</mml:mo>
<mml:mo stretchy="true">(</mml:mo>
<mml:mi>&#x03C0;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x03C4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x03C4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr columnalign="center">
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
<mml:mspace width="0.25em"/>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr columnalign="center">
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mspace width="0.25em"/>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.25em"/>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="true">[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x03C4;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr columnalign="center">
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.25em"/>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.25em"/>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="true">[</mml:mo>
<mml:mi>&#x03C4;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr columnalign="center">
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mspace width="0.25em"/>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.25em"/>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="true">[</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>inf</mml:mo>
<mml:mo stretchy="true">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>where we define <inline-formula>
<mml:math id="M30">
<mml:mi>&#x03C4;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> as the communication-limited decay rate and <inline-formula>
<mml:math id="M31">
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> as the farthest communication boundary. <inline-formula>
<mml:math id="M32">
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula> is denoted as the distance between agent <inline-formula>
<mml:math id="M33">
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and agent <inline-formula>
<mml:math id="M34">
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> at moment <inline-formula>
<mml:math id="M35">
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mfenced>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> <inline-formula>
<mml:math id="M36">
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
<mml:mo>&#x00B7;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> is the 2-norm. The model is referenced from <xref ref-type="bibr" rid="ref4">Fang et al. (2016)</xref>. <inline-formula>
<mml:math id="M37">
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x00AF;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:math>
</inline-formula> can be defined as a <inline-formula>
<mml:math id="M38">
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x00D7;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> matrix whose <inline-formula>
<mml:math id="M39">
<mml:mfenced open="(" close=")" separators=",">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula> element is <inline-formula>
<mml:math id="M40">
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x00AF;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mspace width="0.5em"/>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mspace width="0.5em"/>
<mml:mi mathvariant="italic">diag</mml:mi>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x00AF;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.5em"/>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x00AF;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.5em"/>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x00AF;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula>
<mml:math id="M41">
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x00AF;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo stretchy="true">&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x00AF;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>. The weighted Laplacian matrix is defined as follows:</p>
<disp-formula id="EQ3">
<label>(3)</label>
<mml:math id="M42">
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x00AF;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x00AF;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x00AF;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>It is worth noting that each element in <inline-formula>
<mml:math id="M43">
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x00AF;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:math>
</inline-formula> is a time-varying continuous function between related agents. Furthermore, the elements of <inline-formula>
<mml:math id="M44">
<mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> are closely related to the undirected time-varying graph <inline-formula>
<mml:math id="M45">
<mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. <inline-formula>
<mml:math id="M46">
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> may jump when <inline-formula>
<mml:math id="M47">
<mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> changes. Unless otherwise stated, all graphs in this paper are undirected graphs.</p>
</sec>
<sec id="sec4">
<label>2.2</label>
<title>Multi-consensus</title>
<list list-type="simple">
<list-item>
<p>We describe the dynamics of a second-order multi-agent system with <inline-formula>
<mml:math id="M48">
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> agents as follows:</p>
</list-item>
</list>
<disp-formula id="EQ4">
<label>(4)</label>
<mml:math id="M49">
<mml:mo stretchy="true">{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x02D9;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mfenced>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#x02D9;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mfenced>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>where <inline-formula>
<mml:math id="M50">
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula> is the control method to be designed in this study. It is obvious that <inline-formula>
<mml:math id="M51">
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> represents the position of agent <inline-formula>
<mml:math id="M52">
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula>
<mml:math id="M53">
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> represents the velocity of agent <inline-formula>
<mml:math id="M54">
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. Additionally, all assumed states in this study are one-dimensional. The Kronecker (<xref ref-type="bibr" rid="ref1">Choi et al., 2020</xref>) product can be used if it is necessary to extend the methods of this study and the states such as position to multiple dimensions.</p>
<p>In a second-order (<xref ref-type="bibr" rid="ref15">Pan and Nian, 2014</xref>) multi-intelligence system (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ4">Eq. 4</xref>) with <italic>n</italic> agents, multi-agent is considered to have reached consensus if they achieve a smooth consistency. Smooth consistency between agents <inline-formula>
<mml:math id="M55">
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula>
<mml:math id="M56">
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is defined as follows (<xref ref-type="bibr" rid="ref7">Han et al., 2016</xref>):</p>
<disp-formula id="EQ5">
<label>(5)</label>
<mml:math id="M57">
<mml:mrow>
<mml:mfenced close="" open="{">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="left" equalrows="true" equalcolumns="true">
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>lim</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221E;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfenced>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfenced>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>lim</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221E;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfenced>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mfenced>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>lim</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221E;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfenced>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mfenced>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>The consensus of agents implies that their states reach an agreement. By achieving identical states, the MAS can accomplish collective behavior (<xref ref-type="bibr" rid="ref5">Gulzar et al., 2018</xref>).</p>
<p><bold>Lemma 1 [Laplacian matrix (</bold><xref ref-type="bibr" rid="ref7">
<bold>Han et al., 2016</bold></xref><bold>)].</bold> <italic>We define a Laplacian matrix</italic> <inline-formula>
<mml:math id="M58">
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>under multiple consensus:</italic></p>
<disp-formula id="EQ6">
<label>(6)</label>
<mml:math id="M59">
<mml:mrow>
<mml:mover>
<mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi>
<mml:mo>&#x0302;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22EF;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22EF;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22EE;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22EE;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22F1;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22EE;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22EF;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p><italic>where</italic> <inline-formula>
<mml:math id="M60">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>means the intelligence degree of the agent</italic> <inline-formula>
<mml:math id="M61">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>indicates the</italic> <inline-formula>
<mml:math id="M62">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>element of the Laplacian matrix</italic> <inline-formula>
<mml:math id="M63">
<mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>In an MAS, agents, <inline-formula>
<mml:math id="M64">
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula>
<mml:math id="M65">
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> can achieve a common consensus if agent <inline-formula>
<mml:math id="M66">
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula>
<mml:math id="M67">
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> have the same degree of intelligence, i.e., the agents <inline-formula>
<mml:math id="M68">
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula>
<mml:math id="M69">
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> satisfy <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ5">Eq. (5)</xref> if <inline-formula>
<mml:math id="M70">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In another sentence, with multiple different degrees of intelligence, the MAS can achieve multiple consensus. Accordingly, the MAS can form different numbers of clusters through assigning the appropriate degree of intelligence. Compared to traditional consensus protocols that aggregate all agents to the same state, this study uses intelligence to achieve multiple consensuses in a more convenient way. More details can be found in <xref ref-type="bibr" rid="ref7">Han et al. (2016)</xref>.</p>
</sec>
<sec id="sec5">
<label>2.3</label>
<title>Artificial potential field</title>
<p>The APF method is a classic control algorithm with universality. Various APF methods have been proposed for formation control (<xref ref-type="bibr" rid="ref24">Yu and Chen, 2020</xref>). The algorithm regards the target and the obstacle as objects with attraction and repulsion to the agent, respectively, and the agent moves along the resultant force of attraction and repulsion.</p>
<p>The sticking point to the algorithm is to construct an artificial potential field. Suppose the agents move in a plane, we would get the potential field as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2</xref>. The peak in the figure is the potential field at the location of each agent. The potential field generates attractive forces at a distance from the agent before reaching the position specified in the formation, and the potential field can also generate repulsive forces at a closer distance from the agent.</p>
<fig position="float" id="fig2">
<label>Figure 2</label>
<caption>
<p>Example of the potential field.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnins-18-1367248-g002.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="sec6">
<label>2.4</label>
<title>Problem formation</title>
<p>In multi-subgroup decentralized control, agents need to consider avoiding collisions and maintaining connectivity.</p>
<p>To this end, we design a suitable artificial potential energy field algorithm. The group motion potential functions <inline-formula>
<mml:math id="M71">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> we designed include collision avoidance potential function <inline-formula>
<mml:math id="M72">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and connectivity preserving potential function<inline-formula>
<mml:math id="M73">
<mml:mrow>
<mml:mspace width="0.25em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Due to the potential energy field having a certain range of action, the collision avoidance potential function satisfies <inline-formula>
<mml:math id="M74">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x003C;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>max</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Similarly, <inline-formula>
<mml:math id="M75">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x003C;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>max</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to maintain connectivity. To ensure that the designed formation control law works at all times, the designed group motion potential function should satisfy</p>
<disp-formula id="EQ7">
<label>(7)</label>
<mml:math id="M76">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>max</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>max</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</sec>
</sec>
<sec id="sec7">
<label>3</label>
<title>Controller design and stability analysis</title>
<p>This section proposes the multi-consensus control method, and we prove the stability of the control method theoretically using the Lyapunov function approach.</p>
<sec id="sec8">
<label>3.1</label>
<title>Obstacle avoidance strategy design</title>
<p>The safe distance from the obstacle is <inline-formula>
<mml:math id="M77">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the working boundary is <inline-formula>
<mml:math id="M78">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In other words, the obstacle avoidance potential function takes effect when <inline-formula>
<mml:math id="M79">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The obstacle avoidance boundary is smaller than the communication distance, so each agent can detect obstacles within the obstacle avoidance area.</p>
<p>Define the collision avoidance neighbor of agent <inline-formula>
<mml:math id="M80">
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> as <inline-formula>
<mml:math id="M81">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which can be denoted as</p>
<disp-formula id="EQ8">
<label>(8)</label>
<mml:math id="M82">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22EF;</mml:mo>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mspace width="0.25em"/>
<mml:mspace width="0.25em"/>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.25em"/>
<mml:mspace width="0.25em"/>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>out</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>where <inline-formula>
<mml:math id="M83">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the position of the obstacle.</p>
<p>The potential function is designed as follows:</p>
<disp-formula id="EQ9">
<label>(9)</label>
<mml:math id="M84">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x222B;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">out</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">in</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">out</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mspace width="thickmathspace"/>
<mml:mi mathvariant="normal">otherwise</mml:mi>
<mml:mspace width="thickmathspace"/>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="EQ10">
<label>(10)</label>
<mml:math id="M85">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo>cos</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C0;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>Then, the collision avoidance control for agent <inline-formula>
<mml:math id="M86">
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> at <inline-formula>
<mml:math id="M87">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is defined as</p>
<disp-formula id="EQ11">
<label>(11)</label>
<mml:math id="M88">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>where <inline-formula>
<mml:math id="M89">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the gradient along <inline-formula>
<mml:math id="M90">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>In the collision avoidance area, the relative distance between the two agents is less than <inline-formula>
<mml:math id="M91">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The smaller the relative distance, the greater the input of the control law. The MAS can comply with collision avoidance.</p>
</sec>
<sec id="sec9">
<label>3.2</label>
<title>Connectivity preservation</title>
<p>This part is designed to keep the intelligent agent connection within a certain range <inline-formula>
<mml:math id="M92">
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. When <inline-formula>
<mml:math id="M93">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x003C;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the formation maintenance function works. As communication between agents is limited, for agent <inline-formula>
<mml:math id="M94">
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> in the communication range, there is a set of connectable agent ensembles denoted as <inline-formula>
<mml:math id="M95">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<disp-formula id="EQ12">
<label>(12)</label>
<mml:math id="M96">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22EF;</mml:mo>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x223C;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>where <inline-formula>
<mml:math id="M97">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x223C;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> indicates <inline-formula>
<mml:math id="M98">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula>
<mml:math id="M99">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which means that communication is possible between agent <inline-formula>
<mml:math id="M100">
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and agent <inline-formula>
<mml:math id="M101">
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>The connectivity-preserving potential function is designed as follows:</p>
<disp-formula id="EQ13">
<label>(13)</label>
<mml:math id="M102">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x222B;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mspace width="thickmathspace"/>
<mml:mi mathvariant="normal">otherwise</mml:mi>
<mml:mspace width="thickmathspace"/>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="EQ14">
<label>(14)</label>
<mml:math id="M103">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr columnalign="center">
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo>cos</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C0;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>out</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>out</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>out</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr columnalign="center">
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo>cos</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C0;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>where <inline-formula>
<mml:math id="M104">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> refers to the required relative position. <inline-formula>
<mml:math id="M105">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> refers to the target state of the agent <inline-formula>
<mml:math id="M106">
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> when forming a formation shape.</p>
<p>Then, the connectivity preservation control input of agent <inline-formula>
<mml:math id="M107">
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> can be designed as</p>
<disp-formula id="EQ15">
<label>(15)</label>
<mml:math id="M108">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>In addition, we design the potential function <inline-formula>
<mml:math id="M109">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> when <inline-formula>
<mml:math id="M110">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x003E;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This design allows the connection to be broken between agents if necessary. Therefore, the network can be flexibly changed to achieve the desired formation.</p>
<p>Another point to note, the agent spacing of the expected formation should be set between on <inline-formula>
<mml:math id="M111">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In other words, the states of agent <inline-formula>
<mml:math id="M112">
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and agent <inline-formula>
<mml:math id="M113">
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> need to satisfy the following inequation:</p>
<disp-formula id="EQ16">
<label>(16)</label>
<mml:math id="M114">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x003C;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>out</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.25em"/>
<mml:mspace width="0.25em"/>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.25em"/>
<mml:mspace width="0.25em"/>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.25em"/>
<mml:mspace width="0.25em"/>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</sec>
<sec id="sec10">
<label>3.3</label>
<title>Decentralized multi-consensus formation control method</title>
<p>For each sub-formation in the MAS system described in <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ4">Eq. (4)</xref>, the relative configurations between the agents of the formation subgroups designed in this study need to satisfy the following requirements:</p>
<disp-formula id="EQ17">
<label>(17)</label>
<mml:math id="M115">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>This study is designed with displacement-based formations. Displacement-based formation (<xref ref-type="bibr" rid="ref4">Fang et al., 2016</xref>) is a different type of formation than distance-based formation that may flip or rotate a designated graph. The configuration of MAS is unique under this method.</p>
<p>To solve the multi-subgroup formation problem, we propose a multi-consensus formation algorithm. The key of this algorithm is to redistribute the formation of different subgroups by changing the intelligence degree <inline-formula>
<mml:math id="M116">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the agent. The difference in <inline-formula>
<mml:math id="M117">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> also affects the different distances between subgroups (<xref ref-type="bibr" rid="ref13">Oh et al., 2015</xref>).</p>
<p>During formation control, only the subgroup formation information including <inline-formula>
<mml:math id="M118">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula>
<mml:math id="M119">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> needs to be specified and no other manual settings are required. In the initial state, there can be agents that are not connected to the subgroups in each subgroup formation, but the network of the MAS needs to be connected.</p>
<p><bold>Definition 1.</bold> <italic>As usual, the condition for formation of a formation is that the state between agents satisfies (</italic><xref ref-type="disp-formula" rid="EQ17">
<italic>Eq. 17</italic></xref><italic>). Referring to the quasi</italic><inline-formula>
<mml:math id="M120">
<mml:mi>&#x03B1;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula><italic>-lattice concept in (</italic><xref ref-type="bibr" rid="ref2">Choi et al., <italic>2019</italic></xref><italic>), this study considers the effect of error</italic> <inline-formula>
<mml:math id="M121">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03B4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x003E;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>in the formation of the formation. The following inequality is generated.</italic></p>
<disp-formula id="EQ18">
<label>(18)</label>
<mml:math id="M122">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x03B4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>&#x03B4;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mspace width="0.25em"/>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.25em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>The above inequality shows that the formation formed by MAS is a formation with a certain error influenced by <inline-formula>
<mml:math id="M123">
<mml:mi>&#x03B4;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<disp-formula id="EQ19">
<label>(19)</label>
<mml:math id="M124">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03B4;</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>max</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>In this study, we propose decentralized multi-consensus control methods with collision avoidance and connectivity preservation:</p>
<disp-formula id="EQ20">
<label>(20)</label>
<mml:math id="M125">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="right">
<mml:mtr columnalign="right">
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr columnalign="right">
<mml:mtd columnalign="right">

</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03B1;</mml:mi>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x03B2;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="EQ21">
<label>(21)</label>
<mml:math id="M126">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x225C;</mml:mo>
<mml:mfenced close="" open="{">
<mml:mrow>
<mml:mtable equalrows="true" equalcolumns="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced close="|" open="|">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtable equalrows="true" equalcolumns="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mspace width="thickmathspace"/>
<mml:mfenced close="|" open="|">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x003E;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mspace width="thickmathspace"/>
<mml:mfenced close="|" open="|">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x003E;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>where <inline-formula>
<mml:math id="M127">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the maximum safe speed <inline-formula>
<mml:math id="M128">
<mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <inline-formula>
<mml:math id="M129">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula>
<mml:math id="M130">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03B1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x03B2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x003E;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. When the subgroup reaches the target, <inline-formula>
<mml:math id="M131">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We can also obtain the APF function between <inline-formula>
<mml:math id="M132">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of agent <inline-formula>
<mml:math id="M133">
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> in the group, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3</xref>.</p>
<fig position="float" id="fig3">
<label>Figure 3</label>
<caption>
<p>APF function area between agents.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnins-18-1367248-g003.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="sec11">
<label>3.4</label>
<title>Stability analysis</title>
<p>This part is about the proof of system stability. First, we define the Lyapunov function (<xref ref-type="bibr" rid="ref22">Xin et al., 2023</xref>).</p>
<p><bold>Definition 2.</bold> <italic>(</italic><xref ref-type="bibr" rid="ref2">Choi et al., <italic>2019</italic></xref><italic>) For the input (</italic><xref ref-type="disp-formula" rid="EQ20">
<italic>Eq. 20</italic></xref><italic>) proposed in this study, the Lyapunov function is defined as follows:</italic></p>
<disp-formula id="EQ22">
<label>(22)</label>
<mml:math id="M134">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="right" equalrows="true" equalcolumns="true">
<mml:mtr columnalign="right">
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mrow>
<mml:mspace width="thickmathspace"/>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:mfenced close="" open="{">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr columnalign="right">
<mml:mtd columnalign="right">

</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mrow>
<mml:mfenced close="}" open="">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x03B1;</mml:mi>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x222B;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p><italic>where</italic> <inline-formula>
<mml:math id="M135">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>is</italic> <inline-formula>
<mml:math id="M136">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>We want to prove the stability proof of the system needs to consider two cases. First, we demonstrate the stability of the MAS network when the connection is fixed. Then, this study proves the stability when the topology is dynamically changed.</p>
<p><bold>Theorem 1.</bold> <italic>(</italic><xref ref-type="bibr" rid="ref22">Xin et al., <italic>2023</italic></xref><italic>) When the control input is multi-consensus control method (</italic><xref ref-type="disp-formula" rid="EQ20">
<italic>Eq. 20</italic></xref><italic>), the MAS with a fixed network topology of static and dynamics of</italic> <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ4">
<italic>Eq. (4)</italic></xref> <italic>can achieve any number (</italic><inline-formula>
<mml:math id="M137">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula><italic>) of formation control. For the target formation, there are the following conditions to be satisfied:</italic></p>
<list list-type="roman-lower">
<list-item>
<p><inline-formula>
<mml:math id="M138">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula></p>
</list-item>
<list-item>
<p><inline-formula>
<mml:math id="M139">
<mml:mrow>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>is bounded</italic></p>
</list-item>
<list-item>
<p><italic>The displacement between agents needs to satisfy</italic> <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ16">
<italic>Eq. (16)</italic></xref></p>
</list-item>
</list>
<p><bold><italic>Proof.</italic></bold> To prove the stability of the Lyapunov function <inline-formula>
<mml:math id="M140">
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, it is necessary to derive it. We first compute the <inline-formula>
<mml:math id="M141">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> part of the Lyapunov function.</p>
<disp-formula id="EQ23">
<label>(23)</label>
<mml:math id="M142">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mo>&#x02D9;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x02D9;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>where <inline-formula>
<mml:math id="M143">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x02D9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and</p>
<disp-formula id="EQ24">
<label>(24)</label>
<mml:math id="M144">
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x222B;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x222B;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mspace width="thickmathspace"/>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>According to the above equation, the derivative of <inline-formula>
<mml:math id="M145">
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> can be transformed into</p>
<disp-formula id="EQ25">
<label>(25)</label>
<mml:math id="M146">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x02D9;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:mfenced close="}" open="{">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msup>
<mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x02D9;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x02D9;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>&#x03B1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x0307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>in <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ25">Eq. (25)</xref>, the following equation exists</p>
<disp-formula id="EQ26">
<label>(26)</label>
<mml:math id="M147">
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x0307;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>where <inline-formula>
<mml:math id="M148">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced close="]" open="[">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula>
<mml:math id="M149">
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x02D9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:math>
</inline-formula> can be rewritten as</p>
<disp-formula id="EQ27">
<label>(27)</label>
<mml:math id="M150">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x02D9;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:mfenced close="}" open="{">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msup>
<mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>&#x03B1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>here, <inline-formula>
<mml:math id="M151">
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Let <inline-formula>
<mml:math id="M152">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x039B;</mml:mi>
<mml:mo>&#x225C;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and we define</p>
<disp-formula id="E2">
<mml:math id="M153">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfenced close="" open="[">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:mo>&#x22EF;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced close="]" open="">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>The definition of <inline-formula>
<mml:math id="M154">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the same as that of <inline-formula>
<mml:math id="M155">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and</p>
<disp-formula id="E3">
<mml:math id="M156">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22EF;</mml:mo>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>according to the <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ20">Eq. (20)</xref>, then</p>
<disp-formula id="EQ28">
<label>(28)</label>
<mml:math id="M157">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x02D9;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>&#x03B1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x039B;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>one can easily notice <inline-formula>
<mml:math id="M158">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x039B;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.25em"/>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x039B;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula>
<mml:math id="M159">
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> can be written as</p>
<disp-formula id="EQ29">
<label>(29)</label>
<mml:math id="M160">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x039B;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x039B;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x03B1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x03B2;</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>Bringing the multi-consensus control law <inline-formula>
<mml:math id="M161">
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> into the derivative of the Lyapunov function, we get</p>
<disp-formula id="E4">
<mml:math id="M162">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x02D9;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x03BD;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>&#x03B1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x039B;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x039B;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x039B;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x039B;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x03B1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x03B2;</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="E5">
<mml:math id="M163">
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>&#x03B1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x039B;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x03B1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x039B;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x03B2;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="EQ30">
<label>(30)</label>
<mml:math id="M164">
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x03B2;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mspace width="thickmathspace"/>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>The Lyapunov&#x2019;s stability determination requires two proofs. The first point is that <inline-formula>
<mml:math id="M165">
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is a semi-positive definite and the second point is that the derivative of <inline-formula>
<mml:math id="M166">
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is negative semi-definite. According to <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ30">Eq. (30)</xref>, the second point can be obtained. In this study, the initial value <inline-formula>
<mml:math id="M167">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the Lyapunov function is constant and <inline-formula>
<mml:math id="M168">
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is positive and constant at all times, so it is always positive and finite.</p>
<disp-formula id="EQ31">
<label>(31)</label>
<mml:math id="M169">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>&#x0398;</mml:mi>
<mml:mo>&#x226A;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221E;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>The Lyapunov function needs to satisfy two threshold constraints to achieve collision avoidance and connectivity preservation.</p>
<disp-formula id="EQ32">
<label>(32)</label>
<mml:math id="M170">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>We <inline-formula>
<mml:math id="M171">
<mml:mrow>
<mml:mtext>set</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2250;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and let</p>
<disp-formula id="EQ33">
<label>(33)</label>
<mml:math id="M172">
<mml:mrow>
<mml:mfenced close="" open="{">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="left" equalrows="true" equalcolumns="true">
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x00AF;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2250;</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x222B;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mfenced>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mfenced>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x00AF;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2250;</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x222B;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mfenced>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mfenced>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>There is the maximum collision avoidance potential function <inline-formula>
<mml:math id="M173">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x00AF;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the maximum collision avoidance potential function <inline-formula>
<mml:math id="M174">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x00AF;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Then, <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ32">Eq. (32)</xref> can be transformed as</p>
<disp-formula id="EQ34">
<label>(34)</label>
<mml:math id="M175">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x00AF;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x00AF;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>To ensure collision avoidance, connectivity preservation, and multi-subgroup formation generation, it is necessary to set <inline-formula>
<mml:math id="M176">
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> to the larger value between <inline-formula>
<mml:math id="M177">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula>
<mml:math id="M178">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Let <inline-formula>
<mml:math id="M179">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x0393;</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfenced close="}" open="{">
<mml:mrow>
<mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x00AF;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mfenced>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mfenced>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>|</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. According to LaSalle&#x2019;s invariance principle (<xref ref-type="bibr" rid="ref19">Tong et al., 2015</xref>), each of the solutions starting in <inline-formula>
<mml:math id="M180">
<mml:mtext>&#x0393;</mml:mtext>
</mml:math>
</inline-formula> closes to the largest invariant set <inline-formula>
<mml:math id="M181">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x00AF;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi>&#x0393;</mml:mi>
<mml:mo>|</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x02D9;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as <inline-formula>
<mml:math id="M182">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221E;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ30">Eq. (30)</xref>, <inline-formula>
<mml:math id="M183">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x02D9;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> if <inline-formula>
<mml:math id="M184">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> which yields <inline-formula>
<mml:math id="M185">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x02D9;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula>
<mml:math id="M186">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>&#x22EF;</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; i.e., this indicates that all agents have reached the same speed and all have a speed of 0. In other words, the speed of the agent reaches a stable consensus. When <inline-formula>
<mml:math id="M187">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221E;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be simplified from <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ20">Eq. (20)</xref> to:</p>
<disp-formula id="EQ35">
<label>(35)</label>
<mml:math id="M188">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="right">
<mml:mtr columnalign="right">
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x02D9;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr columnalign="right">
<mml:mtd columnalign="right">

</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x03B1;</mml:mi>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>When the system converges, <inline-formula>
<mml:math id="M189">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be rewritten as</p>
<disp-formula id="EQ36">
<label>(36)</label>
<mml:math id="M190">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x03B1;</mml:mi>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi>&#x03B1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x03B5;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x03C1;</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>accordingly,</p>
<disp-formula id="EQ37">
<label>(37)</label>
<mml:math id="M191">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x03B1;</mml:mi>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x00AF;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x03B1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x039B;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p>We expect that the control input <inline-formula>
<mml:math id="M192">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to be 0 only when the agents in MAS reach multi-consensus.</p>
<p>The above proof is in the case where the MAS connection is a static network. We need to extend Lyapunov&#x2019;s stability proof to the case where the network topology is dynamic. We define the network topology graph at moment <inline-formula>
<mml:math id="M193">
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> as <inline-formula>
<mml:math id="M194">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Laplace matrix at moment <inline-formula>
<mml:math id="M195">
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. The <inline-formula>
<mml:math id="M196">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> changes when the subgroup assigned by the agent changes dynamically (<xref ref-type="bibr" rid="ref14">Olfati-Saber, 2006</xref>). In line with this, the multi-consensus control method is a segmented continuous function. The control input function jumps when the network topology graph of the target formation changes. From <xref ref-type="bibr" rid="ref2">Choi et al. (2019)</xref>, we can obtain that the system whose network topology changes with time is the switching system.</p>
<p>Then, this study requires a stability analysis of the above system with dynamic networks. In this study, we refer to the definition of residence time for analysis. In the switching system, this study refers to the concept of minimum dwell time (MDT). In the concept, the subsystem before and after switching is a progressively stable system, and then, the switching system is also a progressively stable system (<xref ref-type="bibr" rid="ref23">Xu et al., 2021</xref>). We assume that the network changes at moment <inline-formula>
<mml:math id="M197">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the next moment of change is <inline-formula>
<mml:math id="M198">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. However, the topology is fixed in the time from <inline-formula>
<mml:math id="M199">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula>
<mml:math id="M200">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and this time interval is large enough. The residence time is defined as <inline-formula>
<mml:math id="M201">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C4;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in this study and refers to the time interval between moments of network change, as follows:</p>
<disp-formula id="EQ38">
<label>(38)</label>
<mml:math id="M202">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C4;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<p><bold>Assumption 1.</bold> <italic>In this study, the minimum residence time is defined as</italic> <inline-formula>
<mml:math id="M203">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula><italic>, and the minimum residence time</italic> <inline-formula>
<mml:math id="M204">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>is large enough to ensure the switching system stability. All time intervals of network topology switching are longer than the minimum residence time, that is,</italic> <inline-formula>
<mml:math id="M205">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C4;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x003E;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula><italic>. Following this, the ensemble of all possible network topology diagrams in the MAS system is</italic> <inline-formula>
<mml:math id="M206">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>Furthermore, according to Theorem 1, if the initial topological map of the MAS is an element in <inline-formula>
<mml:math id="M207">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, then the transformed topological map remains in the <inline-formula>
<mml:math id="M208">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> under the action of the control methods, i.e., if <inline-formula>
<mml:math id="M209">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, then <inline-formula>
<mml:math id="M210">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p><bold>Corollary 1.</bold> <italic>If Theorem 1 and Assumption 1 established, then this MAS can have stability in dynamic network.</italic></p>
<p><bold><italic>Proof.</italic></bold> Since <inline-formula>
<mml:math id="M211">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03C4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>&#x03C4;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the network topology of the MAS is asymptotically stable from <inline-formula>
<mml:math id="M212">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The system network topology <inline-formula>
<mml:math id="M213">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at time <inline-formula>
<mml:math id="M214">
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is asymptotically stable, and then, the intermediate switching system is also stable.</p>
<p>It is worth noting that the control method (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ20">Eq. 20</xref>) proposed in this study requires a network constraint that is the initial network connection of the MAS. The algorithm in this study allows networks between subgroups to be disconnected. Although the agents may not receive the information of other agents in the same sub-term, each subgroup can reach the split formation based on <inline-formula>
<mml:math id="M215">
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="sec12">
<label>4</label>
<title>Simulation</title>
<sec id="sec13">
<label>4.1</label>
<title>Multi-consensus formation simulation</title>
<p>This part is the simulation part of the study, which can verify our proposed algorithm. This study generates three formations using 20 agents with initial network connections. The initial position of all agents is random within a certain range. The number of agents for the three separate formations is 8, 6, and 6, respectively (<xref ref-type="bibr" rid="ref19">Tong et al., 2015</xref>). They have slightly different degrees of intelligence (<inline-formula>
<mml:math id="M216">
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>), 1, 1.1, and 1.2.</p>
<p>The whole system satisfies the initial network constraints. The initial network is connected between all agents. In addition, the algorithm allows the agents between each grouping to exist disconnected at the beginning. The formation configuration that the simulation wants to form in this section is a diamond, rectangle, and triangle. <xref ref-type="table" rid="tab1">Table 1</xref> contains the relevant parameters required for the simulation in this subsection. The state space of agents is two-dimensional in the simulation.</p>
<table-wrap position="float" id="tab1">
<label>Table 1</label>
<caption>
<p>Parameters for numerical simulations.</p>
</caption>
<table frame="hsides" rules="groups">
<thead>
<tr>
<th align="left" valign="top">Parameter</th>
<th align="center" valign="top">Value</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td align="left" valign="middle">Communication boundary, <inline-formula>
<mml:math id="M217">
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula></td>
<td align="center" valign="middle">50[m]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left" valign="middle">Formation-limit boundary, <inline-formula>
<mml:math id="M218">
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula></td>
<td align="center" valign="middle">40[m]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left" valign="middle">Exclusion outer boundary, <inline-formula>
<mml:math id="M219">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula></td>
<td align="center" valign="middle">5[m]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left" valign="middle">Exclusion inner boundary, <inline-formula>
<mml:math id="M220">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula></td>
<td align="center" valign="middle">0.5[m]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left" valign="middle">Potential function gain, (<inline-formula>
<mml:math id="M221">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>)</td>
<td align="center" valign="middle">(10, 5)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left" valign="middle">Control parameters, (<inline-formula>
<mml:math id="M222">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x03B1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x03B2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>)</td>
<td align="center" valign="middle">(1.8, 1.8)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left" valign="middle">Intelligence degree, <inline-formula>
<mml:math id="M223">
<mml:mi>&#x03C9;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula></td>
<td align="center" valign="middle">(1, 1.1, 1.2)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left" valign="middle">Communication attenuation rate, <inline-formula>
<mml:math id="M224">
<mml:mi>&#x03C4;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula></td>
<td align="center" valign="middle">0.6</td>
</tr>
<tr>
<td align="left" valign="middle">Connectivity lower bound, <inline-formula>
<mml:math id="M225">
<mml:mi>&#x03F5;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula></td>
<td align="center" valign="middle">0.2</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>The details of the network connections in this simulation are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig4">Figure 4</xref>. In <xref ref-type="fig" rid="fig5">Figure 5A</xref>, the black line indicates that the distance between the agents is less than <inline-formula>
<mml:math id="M226">
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>; that is, there is connectivity between them. The entire MAS network is initially connected. In <xref ref-type="fig" rid="fig5">Figure 5B</xref>, it shows the network connections between the green subgroups. Similarly, the connections between the red and blue subgroups are indicated in <xref ref-type="fig" rid="fig5">Figures 5C</xref>,<xref ref-type="fig" rid="fig5">D</xref>, respectively. The dotted line refers to the circle with the agent as the center and the communication range <inline-formula>
<mml:math id="M227">
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> as the radius.</p>
<fig position="float" id="fig4">
<label>Figure 4</label>
<caption>
<p>Desired formation for the simulation.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnins-18-1367248-g004.tif"/>
</fig>
<fig position="float" id="fig5">
<label>Figure 5</label>
<caption>
<p>Initial network topology configuration of the MAS. <bold>(A)</bold> Initial agent distribution, <bold>(B)</bold> Green group(&#x03C9;&#x2009;=&#x2009;1), <bold>(C)</bold> Red group(&#x03C9;&#x2009;=&#x2009;1.1), <bold>(D)</bold> Blue group(&#x03C9;&#x2009;=&#x2009;1.2).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnins-18-1367248-g005.tif"/>
</fig>
<p>Through <xref ref-type="fig" rid="fig6">Figures 6A</xref>&#x2013;<xref ref-type="fig" rid="fig6">D</xref>, the temporal process of simulation is displayed, revealing the formation process of the formations. Over time, the agents gradually adjust their positions and velocities to achieve the desired formation shapes.</p>
<fig position="float" id="fig6">
<label>Figure 6</label>
<caption>
<p>Simulation results of the multi-subgroup formation control. <bold>(A)</bold> t&#x2009;=&#x2009;0s, <bold>(B)</bold> t&#x2009;=&#x2009;2s, <bold>(C)</bold> t&#x2009;=&#x2009;5s, <bold>(D)</bold> t&#x2009;=&#x2009;10s.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnins-18-1367248-g006.tif"/>
</fig>
<p>The first and the second-dimensional consensus among multiple agents are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig7">Figures 7A</xref>,<xref ref-type="fig" rid="fig7">B</xref>. By observing the graphs and data, we can evaluate the performance of the algorithm and its adaptability to different formation shapes. As seen in the figures, the formation process is smooth, consistency is quickly achieved, and the communication connections between agents remain stable. This indicates that the algorithm has good feasibility in practical applications.</p>
<fig position="float" id="fig7">
<label>Figure 7</label>
<caption>
<p>Consensus of two different latitudes. <bold>(A)</bold> The first dynamic multi-consensus, <bold>(B)</bold> The second dynamic multi-consensus.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnins-18-1367248-g007.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="sec14">
<label>4.2</label>
<title>Dynamic formations</title>
<p>This subsection is about the simulation of the dynamic network of the MAS. It shows the flexibility of the algorithm in this study we proposed.</p>
<p>The simulation in this subsection increases the number of agents to 25. In the simulation process of this section, the first graph of <xref ref-type="fig" rid="fig8">Figure 8</xref> is formed from the disordered state, and then, the second graph is formed. On the one hand, we changed the number of agents, and on the other hand, we changed the configuration of the formed formations. The initial state of all agents is random within a certain range. The other parameter domains used for the simulation are the same as in <xref ref-type="table" rid="tab1">Table 1</xref>.</p>
<fig position="float" id="fig8">
<label>Figure 8</label>
<caption>
<p>Scenario of time-varying formations.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnins-18-1367248-g008.tif"/>
</fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig9">Figures 9A</xref>&#x2013;<xref ref-type="fig" rid="fig9">D</xref> refers to the time course of the dynamic formation simulation. Although the formation of the targets is changing dynamically, the system establishes an ordered configuration under the action of the control method. The first multi-consensus and second multi-consensus between multiple agents are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig10">Figures 10A</xref>,<xref ref-type="fig" rid="fig10">B</xref>.</p>
<fig position="float" id="fig9">
<label>Figure 9</label>
<caption>
<p>Formation simulation history process in the time-varying scenario. <bold>(A)</bold> t&#x2009;=&#x2009;0s, <bold>(B)</bold> t&#x2009;=&#x2009;10s, <bold>(C)</bold> t&#x2009;=&#x2009;12s, <bold>(D)</bold> t&#x2009;=&#x2009;20s.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnins-18-1367248-g009.tif"/>
</fig>
<fig position="float" id="fig10">
<label>Figure 10</label>
<caption>
<p>Multi-consensus formation during the time-varying scenario. <bold>(A)</bold> The first dynamic multi-consensus, <bold>(B)</bold> The second dynamic multi-consensus.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnins-18-1367248-g010.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusions" id="sec15">
<label>5</label>
<title>Conclusion</title>
<p>In this study, we designed an improved APF method for distributed multi-formation control that enables multi-formation tasks and places restrictions on the inputs, which makes the system secure. A distributed controller is designed based on an improved APF method that ensures collision avoidance and maintains the communication topology during formation changes. Simulation results demonstrate the effectiveness of our designed controller. In future work, the optimization of multi-intelligence assignments in multiple formations can be considered. The allocation problem requires consideration of the environment and task requirements and can be considered to be solved by optimizing the allocation algorithm.</p>
</sec>
<sec sec-type="data-availability" id="sec16">
<title>Data availability statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/supplementary material, further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec sec-type="author-contributions" id="sec17">
<title>Author contributions</title>
<p>XC: Conceptualization, Writing &#x2013; original draft, Writing &#x2013; review &#x0026; editing. JJ: Conceptualization, Methodology, Validation, Writing &#x2013; original draft, Writing &#x2013; review &#x0026; editing. YL: Methodology, Writing &#x2013; original draft, Writing &#x2013; review &#x0026; editing. BH: Conceptualization, Writing &#x2013; original draft, Writing &#x2013; review &#x0026; editing.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="funding-information" id="sec18">
<title>Funding</title>
<p>The author(s) declare that no financial support was received for the research, authorship, and/or publication of this article.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="sec19">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec id="sec100" sec-type="disclaimer">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="ref1"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Choi</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Song</surname> <given-names>Y.</given-names></name> <name><surname>Lim</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Kwon</surname> <given-names>C.</given-names></name> <name><surname>Oh</surname> <given-names>H.</given-names></name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Decentralized multi-subgroup formation control with connectivity preservation and collision avoidance</article-title>. <source>IEEE Access</source> <volume>8</volume>, <fpage>71525</fpage>&#x2013;<lpage>71534</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/ACCESS.2020.2987348</pub-id></citation></ref>
<ref id="ref2"><citation citation-type="other"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Choi</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Song</surname> <given-names>Y.</given-names></name> <name><surname>Lim</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Oh</surname> <given-names>H.</given-names></name></person-group>, &#x201C;Decentralized multiple V-formation control in undirected time-varying network topologies.&#x201D; In 2019 Workshop on research, education and development of unmanned aerial systems (RED UAS), IEEE (<year>2019</year>), pp. 278&#x2013;286</citation></ref>
<ref id="ref3"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Dong</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Chen</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Liu</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Wu</surname> <given-names>Z.-G.</given-names></name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Cooperative neural-adaptive fault-tolerant output regulation for heterogeneous nonlinear uncertain multiagent systems with disturbance</article-title>. <source>Sci. China Inf. Sci.</source> <volume>64</volume>:<fpage>172212</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11432-020-3122-6</pub-id></citation></ref>
<ref id="ref4"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Fang</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Wei</surname> <given-names>Y.</given-names></name> <name><surname>Chen</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Xin</surname> <given-names>B.</given-names></name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Flocking of second-order multiagent systems with connectivity preservation based on algebraic connectivity estimation</article-title>. <source>IEEE Trans. Cybern.</source> <volume>47</volume>, <fpage>1067</fpage>&#x2013;<lpage>1077</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TCYB.2016.2537307</pub-id>, PMID: <pub-id pub-id-type="pmid">26992193</pub-id></citation></ref>
<ref id="ref5"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gulzar</surname> <given-names>M. M.</given-names></name> <name><surname>Rizvi</surname> <given-names>S. T. H.</given-names></name> <name><surname>Javed</surname> <given-names>M. Y.</given-names></name> <name><surname>Munir</surname> <given-names>U.</given-names></name> <name><surname>Asif</surname> <given-names>H.</given-names></name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Multi-agent cooperative control consensus: a comparative review</article-title>. <source>Electronics</source> <volume>7</volume>:<fpage>22</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/electronics7020022</pub-id></citation></ref>
<ref id="ref6"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Guo</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Ding</surname> <given-names>L.</given-names></name> <name><surname>Han</surname> <given-names>Q.</given-names></name></person-group> (<year>2014</year>). <article-title>A distributed event-triggered transmission strategy for sampled-data consensus of multi-agent systems</article-title>. <source>Automatica</source> <volume>50</volume>, <fpage>1489</fpage>&#x2013;<lpage>1496</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.automatica.2014.03.017</pub-id></citation></ref>
<ref id="ref7"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Han</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>He</surname> <given-names>D.</given-names></name> <name><surname>Guan</surname> <given-names>Z.</given-names></name> <name><surname>Hu</surname> <given-names>B.</given-names></name> <name><surname>Li</surname> <given-names>T.</given-names></name> <name><surname>Liao</surname> <given-names>R.</given-names></name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Multi-consensus of MAS with various intelligences using switched impulsive protocols</article-title>. <source>Inf. Sci.</source> <volume>349-350</volume>, <fpage>188</fpage>&#x2013;<lpage>198</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ins.2016.02.038</pub-id></citation></ref>
<ref id="ref8"><citation citation-type="other"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Li</surname> <given-names>W.</given-names></name> <name><surname>Chen</surname> <given-names>Y.</given-names></name> <name><surname>Xiang</surname> <given-names>L.</given-names></name></person-group>, &#x201C;Cooperative path planning of UAV formation based on improved artificial potential field.&#x201D; In 2022 IEEE 2nd international conference on electronic technology, communication and information (ICETCI), IEEE (<year>2022</year>), pp. 636&#x2013;641</citation></ref>
<ref id="ref9"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Liu</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Fang</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Li</surname> <given-names>Z.</given-names></name> <name><surname>He</surname> <given-names>G.</given-names></name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Formation control with multiple leaders via event-triggering transmission strategy</article-title>. <source>Int. J. Control Autom. Syst.</source> <volume>17</volume>, <fpage>1494</fpage>&#x2013;<lpage>1506</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s12555-018-0320-6</pub-id></citation></ref>
<ref id="ref10"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Luo</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Cao</surname> <given-names>C.</given-names></name></person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Consensus in multi-agent systems with nonlinear uncertainties under a fixed undirected graph</article-title>. <source>Int. J. Control Autom. Syst.</source> <volume>12</volume>, <fpage>231</fpage>&#x2013;<lpage>240</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s12555-013-0220-8</pub-id></citation></ref>
<ref id="ref11"><citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mehran</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Egerstedt</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group>, <source>Graph theoretic methods in multiagent networks. Princeton Series in Applied Mathematics</source>, <publisher-loc>Princeton, NJ</publisher-loc>: <publisher-name>Princeton Univeristy Press</publisher-name>, pp. <fpage>99</fpage>&#x2013;<lpage>102</lpage>, (<year>2010</year>).</citation></ref>
<ref id="ref12"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mondal</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Bhowmick</surname> <given-names>C.</given-names></name> <name><surname>Behera</surname> <given-names>L.</given-names></name> <name><surname>Jamshidi</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Trajectory tracking by multiple agents in formation with collision avoidance and connectivity assurance</article-title>. <source>IEEE Syst. J.</source> <volume>12</volume>, <fpage>2449</fpage>&#x2013;<lpage>2460</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/JSYST.2017.2778063</pub-id></citation></ref>
<ref id="ref13"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Oh</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Park</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Ahn</surname> <given-names>H.</given-names></name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>A survey of multi-agent formation control</article-title>. <source>Automatica</source> <volume>53</volume>, <fpage>424</fpage>&#x2013;<lpage>440</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.automatica.2014.10.022</pub-id></citation></ref>
<ref id="ref14"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Olfati-Saber</surname> <given-names>R.</given-names></name></person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Flocking for multi-agent dynamic systems: algorithms and theory</article-title>. <source>IEEE Trans. Autom. Control</source> <volume>51</volume>, <fpage>401</fpage>&#x2013;<lpage>420</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TAC.2005.864190</pub-id></citation></ref>
<ref id="ref15"><citation citation-type="other"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Pan</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Nian</surname> <given-names>X.</given-names></name></person-group>, &#x201C;Consensus of second-order multi-agent system under average dwell-time switching topologies,&#x201D; in Proceedings of the 33rd Chinese Control Conference, IEEE (<year>2014</year>), pp. 1716&#x2013;1721.</citation></ref>
<ref id="ref16"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ren</surname> <given-names>W.</given-names></name> <name><surname>Beard</surname> <given-names>R. W.</given-names></name></person-group> (<year>2005</year>). <article-title>Consensus seeking in multiagent systems under dynamically changing interaction topologies</article-title>. <source>IEEE Trans. Autom. Control</source> <volume>50</volume>, <fpage>655</fpage>&#x2013;<lpage>661</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TAC.2005.846556</pub-id></citation></ref>
<ref id="ref17"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Sui</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Chen</surname> <given-names>C. P.</given-names></name> <name><surname>Tong</surname> <given-names>S.</given-names></name></person-group> (<year>2020a</year>). <article-title>A novel adaptive NN prescribed performance control for stochastic nonlinear systems</article-title>. <source>IEEE Trans. Neural Networks Learn. Syst.</source> <volume>32</volume>, <fpage>3196</fpage>&#x2013;<lpage>3205</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TNNLS.2020.3010333</pub-id>, PMID: <pub-id pub-id-type="pmid">32790635</pub-id></citation></ref>
<ref id="ref18"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Sui</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Chen</surname> <given-names>C. P.</given-names></name> <name><surname>Tong</surname> <given-names>S.</given-names></name></person-group> (<year>2020b</year>). <article-title>Event-trigger-based finite-time fuzzy adaptive control for stochastic nonlinear system with unmodeled dynamics</article-title>. <source>IEEE Trans. Fuzzy Syst.</source> <volume>29</volume>, <fpage>1914</fpage>&#x2013;<lpage>1926</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TFUZZ.2020.2988849</pub-id></citation></ref>
<ref id="ref19"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Tong</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Zhang</surname> <given-names>L.</given-names></name> <name><surname>Li</surname> <given-names>Y.</given-names></name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Observed-based adaptive fuzzy decentralized tracking control for switched uncertain nonlinear large-scale systems with dead zones</article-title>. <source>IEEE Trans. Syst. Man Cybern. Syst.</source> <volume>46</volume>, <fpage>37</fpage>&#x2013;<lpage>47</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TSMC.2015.2426131</pub-id></citation></ref>
<ref id="ref20"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wang</surname> <given-names>Y.</given-names></name> <name><surname>Shan</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>D.</given-names></name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Motion capability analysis for multiple fixed-wing UAV formations with speed and heading rate constraints</article-title>. <source>IEEE Trans. Control Netw. Syst.</source> <volume>7</volume>, <fpage>977</fpage>&#x2013;<lpage>989</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TCNS.2019.2929658</pub-id></citation></ref>
<ref id="ref21"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wu</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Li</surname> <given-names>D.</given-names></name></person-group> (<year>2023</year>). <article-title>A review of UAV cluster formation control methods</article-title>. <source>Radio Commun. Technol.</source> <volume>49</volume>, <fpage>589</fpage>&#x2013;<lpage>596</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.3969/j.issn.1003-3114.2023.04.001</pub-id></citation></ref>
<ref id="ref22"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Xin</surname> <given-names>Y.</given-names></name> <name><surname>Lyu</surname> <given-names>H. P.</given-names></name> <name><surname>Tuo</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Cheng</surname> <given-names>Z. S.</given-names></name></person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Event-based consensus for third-order nonlinear multi-agent systems</article-title>. <source>Chaos Solit. Fractals</source> <volume>169</volume>:<fpage>113269</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.chaos.2023.113269</pub-id></citation></ref>
<ref id="ref23"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Xu</surname> <given-names>Y.</given-names></name> <name><surname>Fang</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Pan</surname> <given-names>Y.-J.</given-names></name> <name><surname>Shi</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Wu</surname> <given-names>Z.-G.</given-names></name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Event-triggered output synchronization for nonhomogeneous agent systems with periodic denial-of-service attacks</article-title>. <source>Int. J. Robust Nonlinear Control</source> <volume>31</volume>, <fpage>1851</fpage>&#x2013;<lpage>1865</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/rnc.5223</pub-id></citation></ref>
<ref id="ref24"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Yu</surname> <given-names>D.</given-names></name> <name><surname>Chen</surname> <given-names>C. P.</given-names></name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Smooth transition in communication for swarm control with formation change</article-title>. <source>IEEE Trans. Industr. Inform.</source> <volume>16</volume>, <fpage>6962</fpage>&#x2013;<lpage>6971</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TII.2020.2971356</pub-id></citation></ref>
<ref id="ref25"><citation citation-type="other"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Yu</surname> <given-names>C.</given-names></name> <name><surname>Chen</surname> <given-names>X.</given-names></name></person-group>, &#x201C;Leader-follower formation for UAVS with fovs constraint.&#x201D; In 2021 22nd IEEE international conference on industrial technology (ICIT), IEEE, (<year>2021</year>), pp. 1119&#x2013;1124</citation></ref>
<ref id="ref26"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zhu</surname> <given-names>X.</given-names></name> <name><surname>Zhang</surname> <given-names>X.</given-names></name> <name><surname>Yan</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Qu</surname> <given-names>Y.</given-names></name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Swarm control of UAV close formation based on information consensus</article-title>. <source>Acta Aeronaut. Astronaut. Sin.</source> <volume>36</volume>, <fpage>3919</fpage>&#x2013;<lpage>3929</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.7527/S1000-6893.2015.0165</pub-id></citation></ref></ref-list>
</back>
</article>