<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.1 20151215//EN" "http://jats.nlm.nih.gov/publishing/1.1/JATS-journalpublishing1.dtd">
<article xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xml:lang="en" article-type="research-article" dtd-version="1.1">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="pmc">IASC</journal-id>
<journal-id journal-id-type="nlm-ta">IASC</journal-id>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">IASC</journal-id>
<journal-title-group>
<journal-title>Intelligent Automation &#x0026; Soft Computing</journal-title>
</journal-title-group>
<issn pub-type="epub">2326-005X</issn>
<issn pub-type="ppub">1079-8587</issn>
<publisher>
<publisher-name>Tech Science Press</publisher-name>
<publisher-loc>USA</publisher-loc>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">36786</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.32604/iasc.2023.036786</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Article</subject>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Circular Formation Control with Collision Avoidance Based on Probabilistic Position</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Circular Formation Control with Collision Avoidance Based on Probabilistic Position</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Circular Formation Control with Collision Avoidance Based on Probabilistic Position</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib id="author-1" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Litimein</surname><given-names>Hamida</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref></contrib>
<contrib id="author-2" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Huang</surname><given-names>Zhen-You</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref></contrib>
<contrib id="author-3" contrib-type="author" corresp="yes">
<name name-style="western"><surname>Aslam</surname><given-names>Muhammad Shamrooz</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-2">2</xref><email>shamroz_aslam@yahoo.com</email></contrib>
<aff id="aff-1"><label>1</label><institution>Department of Applied Mathematics, School of Science, Nanjing University of Science and Technology</institution>, <addr-line>Nanjing, 210094</addr-line>, <country>China</country></aff>
<aff id="aff-2"><label>2</label><institution>School of Automation, Guangxi University of Science and Technology</institution>, <addr-line>Liuzhou, 545006</addr-line>, <country>China</country></aff>
</contrib-group>
<author-notes>
<corresp id="cor1"><label>&#x002A;</label>Corresponding Author: Muhammad Shamrooz Aslam. Email: <email>shamroz_aslam@yahoo.com</email></corresp>
</author-notes>
<pub-date date-type="collection" publication-format="electronic"><year>2023</year></pub-date>
<pub-date date-type="pub" publication-format="electronic"><day>1</day><month>5</month><year>2023</year></pub-date>
<volume>37</volume>
<issue>1</issue>
<fpage>321</fpage>
<lpage>341</lpage>
<history>
<date date-type="received"><day>12</day><month>10</month><year>2022</year></date>
<date date-type="accepted"><day>06</day><month>1</month><year>2023</year></date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>&#x00A9; 2023 Litimein et al.</copyright-statement>
<copyright-year>2023</copyright-year>
<copyright-holder>Litimein et al.</copyright-holder>
<license xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<license-p>This work is licensed under a <ext-link ext-link-type="uri" xlink:type="simple" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">Creative Commons Attribution 4.0 International License</ext-link>, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.</license-p>
</license>
</permissions>
<self-uri content-type="pdf" xlink:href="TSP_IASC_36786.pdf"></self-uri>
<abstract>
<p>In this paper, we study the circular formation problem for the second-order multi-agent systems in a plane, in which the agents maintain a circular formation based on a probabilistic position. A distributed hybrid control protocol based on a probabilistic position is designed to achieve circular formation stabilization and consensus. In the current framework, the mobile agents follow the following rules: 1) the agent must follow a circular trajectory; 2) all the agents in the same circular trajectory must have the same direction. The formation control objective includes two parts: 1) drive all the agents to the circular formation; 2) avoid a collision. Based on Lyapunov methods, convergence and stability of the proposed circular formation protocol are provided. Due to limitations in collision avoidance, we extend the results to LaSalle&#x2019;s invariance principle. Some theoretical examples and numerical simulations show the effectiveness of the proposed scheme.</p>
</abstract>
<kwd-group kwd-group-type="author">
<kwd>Circular formation</kwd>
<kwd>cooperative control</kwd>
<kwd>multi-agent systems</kwd>
<kwd>collision avoidance</kwd>
</kwd-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1"><label>1</label><title>Introduction</title>
<p>Owing to the current technological development/progress in computation and communication, distributed cooperative control of multi-agent systems (MASs) has received enormous attention from research communities in recent years. Its practical applications include search mechanisms, navigation, map manipulation, target interception, and tracking [<xref ref-type="bibr" rid="ref-1">1</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-4">4</xref>]. The main objective of cooperative control theory is to develop and design a protocol that guarantees the synchronization of a group of neighboring agents via local information exchange. Literature studies present different phenomena in cooperative control, such as consensus [<xref ref-type="bibr" rid="ref-5">5</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-6">6</xref>], formation control [<xref ref-type="bibr" rid="ref-7">7</xref>], and containment control [<xref ref-type="bibr" rid="ref-8">8</xref>].</p>
<p>Formation control is one of the fundamental research problems in distributed cooperative control of MASs that has presented wide application prospects, such as unmanned aerial vehicles (UAVs) [<xref ref-type="bibr" rid="ref-9">9</xref>], unmanned ground vehicles (UGVs) [<xref ref-type="bibr" rid="ref-10">10</xref>], autonomous underwater vehicles (AUVs) [<xref ref-type="bibr" rid="ref-11">11</xref>], coordination control of satellites [<xref ref-type="bibr" rid="ref-12">12</xref>], etc. In general, formation control aims to design a distributed control protocol that leads the state/output of the agent to maintain an expected shape. The formation control problem has been investigated using different control techniques in recent years. Based on [<xref ref-type="bibr" rid="ref-13">13</xref>], the techniques are classified into three strategies, namely, distance-based [<xref ref-type="bibr" rid="ref-14">14</xref>], displacement-based [<xref ref-type="bibr" rid="ref-15">15</xref>], and bearing-based [<xref ref-type="bibr" rid="ref-16">16</xref>] strategies. The consensus-based techniques are used to address the formation control problems in [<xref ref-type="bibr" rid="ref-17">17</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-18">18</xref>]. In [<xref ref-type="bibr" rid="ref-19">19</xref>], the adaptive control design is introduced to address the formation tracking problem of multiple mobile robots with unknown skidding and slipping environments. The distributed formation control problems are addressed in [<xref ref-type="bibr" rid="ref-20">20</xref>] by using an event-triggered mechanism. Based on multiple Euler-Lagrange functions, the authors in [<xref ref-type="bibr" rid="ref-21">21</xref>] investigated <inline-formula id="ieqn-1"><mml:math id="mml-ieqn-1"><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> formation control design. In [<xref ref-type="bibr" rid="ref-22">22</xref>], a novel fault-tolerant control strategy is developed by utilizing decentralized state observers for multi-quadrotor systems. Based on the leader-follower method, a distributed adaptive-based sliding mode formation control scheme is designed for a class of second-order nonlinear MASs with unknown dynamics [<xref ref-type="bibr" rid="ref-23">23</xref>].</p>
<p>Among the challenging problems proposed in the formation control of MASs, the circular formation becomes a hot subject of interest because of its manifold applications, such as source-seeking exploration [<xref ref-type="bibr" rid="ref-24">24</xref>], surveillance [<xref ref-type="bibr" rid="ref-25">25</xref>], and sensor networks [<xref ref-type="bibr" rid="ref-26">26</xref>]. Circular formation control is to drive a group of agents to converge to or move on a defined circular trajectory with spacing adjustment between the neighboring agents [<xref ref-type="bibr" rid="ref-27">27</xref>]. Up to now, scholars are progressively adopting innovative research strategies and measurements to investigate the circular formation control problem of MASs. Several methodologies have been proposed to deal with the circular formation control problem, including the leader-follower technique [<xref ref-type="bibr" rid="ref-28">28</xref>], the cyclic pursuit technique [<xref ref-type="bibr" rid="ref-29">29</xref>], the behavioral technique [<xref ref-type="bibr" rid="ref-30">30</xref>], and the virtual structure technique [<xref ref-type="bibr" rid="ref-31">31</xref>]. In [<xref ref-type="bibr" rid="ref-32">32</xref>], authors developed a circular motion control law and phase-distributed protocol to achieve a circular formation for any preset relative phase. In [<xref ref-type="bibr" rid="ref-33">33</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-34">34</xref>], distributed control protocols are designed to solve the circle-forming problem of a group of anonymous agents. The circular formation stabilization of networked dynamic unicycles is considered in [<xref ref-type="bibr" rid="ref-35">35</xref>], where a distributed dynamic protocol is developed for each unicycle. Interested readers are referred to the survey paper [<xref ref-type="bibr" rid="ref-36">36</xref>] for a comprehensive review of the techniques and methodologies in circular formation control of MASs.</p>
<p>From a practical perspective, collision avoidance is one of the fundamental and challenging problems in formation control. A collision avoidance strategy is developed for multiple UAVs in formation flight to avoid collisions and obstacles [<xref ref-type="bibr" rid="ref-37">37</xref>]. In [<xref ref-type="bibr" rid="ref-38">38</xref>], formation tracking control with collision avoidance problem is addressed for nonlinear MASs by adopting the artificial potential approach with the neural networks technique. A novel control scheme based on adaptive neural networks is designed for a class of second-order nonlinear MASs to solve the formation control problem with multiple tasks, including obstacle avoidance, collision avoidance, and connectivity maintenance [<xref ref-type="bibr" rid="ref-39">39</xref>].</p>
<p>Although considerable research efforts devoted to the circular formation control problem, most of the existing results consider the single-integrator model [<xref ref-type="bibr" rid="ref-28">28</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-33">33</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-40">40</xref>], and only a few works have considered collision avoidance. Thus, it is of practical significance to study more realistic models, such as models that capture UAV systems. In this work, the circular formation problem has a wide array of practical potential applications in engineering. It has applications in the defense industry to provide surveillance and navigation of a particular area within a defined radius. It has applications in escorting and patrolling tasks of multi-robots, such as UAVs patrolling borders [<xref ref-type="bibr" rid="ref-41">41</xref>]. These facts motivate us to develop a novel distributed control scheme to achieve circular formation and meet practical challenges.</p>
<p>Motivated by the aforegoing observation, the problem of circular formation for the second-order MASs based on a probabilistic position is addressed in this paper. The mobile agents are required to follow a circular trajectory such that the agents in the circular trajectory must have the same direction. Compared to the existing circular formation control techniques [<xref ref-type="bibr" rid="ref-28">28</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-42">42</xref>], the leader-follower strategy and probabilistic position are combined to solve the circular formation problem, which significantly enhances the flexibility and stability of the system. The main difficulty in this paper is caused by the fact that the agents may get a tangential path after getting in a circular trajectory. By using the Lyapunov methods, convergence analysis of the designed circular formation control protocol is provided. The main contributions of this work are as follows. First, unlike [<xref ref-type="bibr" rid="ref-33">33</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-40">40</xref>], this paper considers the circular formation of second-order MASs, which makes this work more application-oriented. The second-order systems can be used to model many real systems, such as unicycle dynamics (after dynamic feedback linearization) or quadrotor UAV simplified dynamics. Second, by introducing a probabilistic position control law, a novel distributed control protocol is proposed to achieve circular formation, which is different from [<xref ref-type="bibr" rid="ref-43">43</xref>]. The probabilistic position law is proposed to represent the probabilistic position of each agent in the circular trajectory. It is shown that under the proposed control scheme the agents move along the circular trajectory of the desired radius and also avoid the tangential path. Third, the proposed control strategy guarantees inter-agent collision avoidance.</p>
<p>The rest of the paper is organized as follows. Section 2 represents notations and preliminaries. Section 3 formulates the circular formation problem and presents the controller design. Section 4 discusses the main results. Finally, Section 5 presents simulation results and Section 6 summarizes the conclusions of the study.</p>
</sec>
<sec id="s2"><label>2</label><title>Notations and Preliminaries</title>
<sec id="s2_1"><label>2.1</label><title>Notations</title>
<p>Throughout this paper, let <inline-formula id="ieqn-2"><mml:math id="mml-ieqn-2"><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-3"><mml:math id="mml-ieqn-3"><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><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>, and <inline-formula id="ieqn-4"><mml:math id="mml-ieqn-4"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">Z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represent the sets of nth dimensional space, <inline-formula id="ieqn-5"><mml:math id="mml-ieqn-5"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> real matrices, and integer numbers, respectively <inline-formula id="ieqn-6"><mml:math id="mml-ieqn-6"><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> denotes the identity matrix of dimension . denotes the transpose of a matrix or vector <italic>M</italic>. <inline-formula id="ieqn-7"><mml:math id="mml-ieqn-7"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes a block diagonal matrix. <inline-formula id="ieqn-8"><mml:math id="mml-ieqn-8"><mml:mo stretchy="false">&#x2225;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2225;</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the Euclidean norm of a vector <italic>x</italic>. The notation <inline-formula id="ieqn-9"><mml:math id="mml-ieqn-9"><mml:mo>&#x2297;</mml:mo></mml:math></inline-formula> stands for the Kronecker product. The subscript <inline-formula id="ieqn-10"><mml:math id="mml-ieqn-10"><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents the orbits. <inline-formula id="ieqn-11"><mml:math id="mml-ieqn-11"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> represents the orientation of agents such that <inline-formula id="ieqn-12"><mml:math id="mml-ieqn-12"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> for the clockwise direction and <inline-formula id="ieqn-13"><mml:math id="mml-ieqn-13"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> for the counterclockwise direction.</p>
</sec>
<sec id="s2_2"><label>2.2</label><title>Graph Theory</title>
<p>In MASs, the interaction topology is represented by a graph [<xref ref-type="bibr" rid="ref-44">44</xref>]. A graph  <inline-formula id="ieqn-14"><mml:math id="mml-ieqn-14"><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x2130;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>is</mml:mtext></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>a</mml:mtext></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>pair</mml:mtext></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>of</mml:mtext></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>a</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>vertex</mml:mtext></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>set</mml:mtext></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and an edge set <inline-formula id="ieqn-15"><mml:math id="mml-ieqn-15"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2130;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</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:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2282;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The weighted adjacency matrix of graph <inline-formula id="ieqn-16"><mml:math id="mml-ieqn-16"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A2;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given by <inline-formula id="ieqn-17"><mml:math id="mml-ieqn-17"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49C;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><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:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>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> where <inline-formula id="ieqn-18"><mml:math id="mml-ieqn-18"><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> if <inline-formula id="ieqn-19"><mml:math id="mml-ieqn-19"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2130;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-20"><mml:math id="mml-ieqn-20"><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> otherwise. Neighbors set of the vertex is denoted by a set <inline-formula id="ieqn-21"><mml:math id="mml-ieqn-21"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><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>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The graph <inline-formula id="ieqn-22"><mml:math id="mml-ieqn-22"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A2;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is undirected if <inline-formula id="ieqn-23"><mml:math id="mml-ieqn-23"><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:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The (weighted) graph Laplacian matrix <inline-formula id="ieqn-24"><mml:math id="mml-ieqn-24"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>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> is represented as <inline-formula id="ieqn-25"><mml:math id="mml-ieqn-25"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49F;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49C;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where <inline-formula id="ieqn-26"><mml:math id="mml-ieqn-26"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49F;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the degree matrix with <inline-formula id="ieqn-27"><mml:math id="mml-ieqn-27"><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><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>. A graph <inline-formula id="ieqn-28"><mml:math id="mml-ieqn-28"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A2;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> contains a spanning tree if there exists a node from <inline-formula id="ieqn-29"><mml:math id="mml-ieqn-29"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> such that there is a path <inline-formula id="ieqn-30"><mml:math id="mml-ieqn-30"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> to any node in the graph. A graph <inline-formula id="ieqn-31"><mml:math id="mml-ieqn-31"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A2;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is strongly connected if every pair <inline-formula id="ieqn-32"><mml:math id="mml-ieqn-32"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-33"><mml:math id="mml-ieqn-33"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are connected.</p>
<p><bold>Definition 1</bold> <italic>(Laplacian). The Laplacian matrix is given as</italic> <inline-formula id="ieqn-34"><mml:math id="mml-ieqn-34"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <italic>where</italic>
<disp-formula id="ueqn-1">
<mml:math id="mml-ueqn-1" display="block"><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing=".2em" columnspacing="1em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><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:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2260;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where the adjacency matrix is defined by <inline-formula id="ieqn-35"><mml:math id="mml-ieqn-35"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49C;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</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:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>,
<disp-formula id="ueqn-2">
<mml:math id="mml-ueqn-2" display="block"><mml:msup><mml:mrow><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:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing=".2em" columnspacing="1em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x222A;</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3"><label>3</label><title>Control Law Design</title>
<sec id="s3_1"><label>3.1</label><title>Problem Formulation</title>
<p>We consider a group of <inline-formula id="ieqn-36"><mml:math id="mml-ieqn-36"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> agents initially located in a plane, each agent must maintain circular formation as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-1">Fig. 1</xref>. The dynamics of each agent <italic>i</italic> is defined as
<disp-formula id="eqn-1"><label>(1)</label><mml:math id="mml-eqn-1" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-37"><mml:math id="mml-ieqn-37"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-38"><mml:math id="mml-ieqn-38"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula id="ieqn-39"><mml:math id="mml-ieqn-39"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> represent the position, velocity, and control input of the agent <inline-formula id="ieqn-40"><mml:math id="mml-ieqn-40"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> to be designed, respectively.</p>
<fig id="fig-1"><label>Figure 1</label><caption><title>The desired circular formation in a counterclockwise direction, maintaining circular distance and avoiding tangential movement</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="IASC_36786-fig-1.tif"/></fig>
<p><bold>Definition 2.</bold> (Circular path). The agents move in a circular formation if
<disp-formula id="eqn-2"><label>(2)</label><mml:math id="mml-eqn-2" display="block"><mml:mo stretchy="false">&#x2225;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2225;=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><italic>For a given desired radius vector of different circular trajectories</italic> <inline-formula id="ieqn-41"><mml:math id="mml-ieqn-41"><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> <italic>the agents maintain circular formations with different radii if</italic>
<disp-formula id="eqn-3"><label>(3)</label><mml:math id="mml-eqn-3" display="block"><mml:mo stretchy="false">&#x2225;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2225;=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><italic>If</italic> <inline-formula id="ieqn-42"><mml:math id="mml-ieqn-42"><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> <italic>then the agents are moving in the same circular trajectory otherwise they are in a different circular trajectory.</italic></p>
<p><bold>Definition 3.</bold> <italic>(Agents direction). The agent must have the same direction of motion</italic> <inline-formula id="ieqn-43"><mml:math id="mml-ieqn-43"><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>i</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi></mml:math></inline-formula> <italic>but for different circular trajectories, the agent direction may be different.</italic></p>
<p><bold>Definition 4.</bold> <italic>(Collision avoidance condition). For given desired</italic> <inline-formula id="ieqn-44"><mml:math id="mml-ieqn-44"><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x2282;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>. The agents in the same circular trajectory have the property of collision avoidance if</italic>
<disp-formula id="eqn-4"><label>(4)</label><mml:math id="mml-eqn-4" display="block"><mml:mo stretchy="false">&#x2225;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x00B1;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2225;&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2200;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<italic>and constant.</italic></p>
<p><bold>Definition 5.</bold> <italic>(Problem definition). For a given n</italic> <inline-formula id="ieqn-45"><mml:math id="mml-ieqn-45"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> <italic>such that each agent maintains the circular formation with collision avoidance.</italic></p>
<p>To achieve this objective, let us assume that:
<list list-type="bullet">
<list-item><p>All the agents must move in one direction with the same constant angular velocity in the same orbit.</p></list-item>
<list-item><p>There exist a constant distance between agents to avoid collisions, the distance between agents is rotational in the same circle as well as different circles.</p></list-item>
<list-item><p>Each agent knows its initial velocities <inline-formula id="ieqn-46"><mml:math id="mml-ieqn-46"><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></inline-formula></p></list-item>
<list-item><p>The position of each agent is presumed, because of its circular trajectory.</p></list-item>
<list-item><p>The dynamics of followers (trajectory and uncertainty) are stabilizable which means that the pair <inline-formula id="ieqn-47"><mml:math id="mml-ieqn-47"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is stabilizable.</p></list-item>
</list></p>
</sec>
<sec id="s3_2"><label>3.2</label><title>Probabilistic Position</title>
<p>The probabilistic position law of each dynamic agent along circular trajectories modeled by the system <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-1">Eq. (1)</xref> can be designed as
<disp-formula id="ueqn-3">
<mml:math id="mml-ueqn-3" display="block"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
</sec>
<sec id="s4"><label>4</label><title>Main Results</title>
<p><bold>Lemma 1.</bold> [<xref ref-type="bibr" rid="ref-44">44</xref>] Let <inline-formula id="ieqn-48"><mml:math id="mml-ieqn-48"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A2;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then
<list list-type="order">
<list-item><p><inline-formula id="ieqn-49"><mml:math id="mml-ieqn-49"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">1</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>;</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">1</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo></mml:math></inline-formula></p></list-item>
<list-item><p>If <inline-formula id="ieqn-50"><mml:math id="mml-ieqn-50"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A2;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> eigenvalues are positive.</p></list-item>
</list></p>
<p><bold>Lemma 2.</bold> (Young&#x2019;s Inequality, [<xref ref-type="bibr" rid="ref-45">45</xref>]). If <inline-formula id="ieqn-51"><mml:math id="mml-ieqn-51"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>b</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>p</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>q</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>.</p>
<p><bold>Lemma 3.</bold> [<xref ref-type="bibr" rid="ref-46">46</xref>] <italic>Under a time-invariant information exchange topology, the continuous-time protocol achieves consensus asymptotically if and only if the information exchange topology has a spanning tree.</italic></p>
<p><bold>Lemma 4.</bold> <italic>Consider the multi-agent system <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-1">(1)</xref>. The system uncertainties are supposed as:</italic>
<list list-type="simple">
<list-item><label>i.</label><p><italic>Agents not maintaining a circular path,</italic> <inline-formula id="ieqn-52"><mml:math id="mml-ieqn-52"><mml:mo stretchy="false">&#x2225;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2225;&#x2260;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2200;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula></p></list-item>
<list-item><label>ii.</label><p><italic>Agents may get a tangential path after getting in a circular trajectory, getting a</italic> <inline-formula id="ieqn-53"><mml:math id="mml-ieqn-53"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x2225;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x2225;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x2225;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x2225;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x2225;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2225;&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x2225;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2225;&#x2260;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p></list-item>
</list></p>
<p><bold>Proof.</bold>
<list list-type="simple">
<list-item><label>i.</label><p>Agents not maintaining a circular path is a contradiction to Definition 2, which will affect formation. Let&#x2019;s consider <inline-formula id="ieqn-54"><mml:math id="mml-ieqn-54"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>such</mml:mtext></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>that</mml:mtext></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x00B1;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x00B1;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x00B1;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>circles</mml:mtext></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>with</mml:mtext></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>area</mml:mtext></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">A</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>  . Let&#x2019;s assume that <inline-formula id="ieqn-55"><mml:math id="mml-ieqn-55"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the position of agent <italic>i</italic> and <inline-formula id="ieqn-56"><mml:math id="mml-ieqn-56"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the position of agent . If <inline-formula id="ieqn-57"><mml:math id="mml-ieqn-57"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> (circular path), we have <inline-formula id="ieqn-58"><mml:math id="mml-ieqn-58"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> because the derivative across any point/line/plane is a slope <inline-formula id="ieqn-59"><mml:math id="mml-ieqn-59"><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">A</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>16</mml:mn><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Let&#x2019;s assume the distance covered by <inline-formula id="ieqn-60"><mml:math id="mml-ieqn-60"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is <inline-formula id="ieqn-61"><mml:math id="mml-ieqn-61"><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, then the  distance covered by <inline-formula id="ieqn-62"><mml:math id="mml-ieqn-62"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2243;</mml:mo><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which means: if <inline-formula id="ieqn-63"><mml:math id="mml-ieqn-63"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2243;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> is achieved it means that the consensus is achieved for <italic>i</italic> and <italic>j</italic>, <inline-formula id="ieqn-64"><mml:math id="mml-ieqn-64"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-65"><mml:math id="mml-ieqn-65"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are following the same trajectory (circular).</p></list-item>
<list-item><label>ii.</label><p>While getting a tangential trajectory is a contradiction to Definition 2. We have <inline-formula id="ieqn-66"><mml:math id="mml-ieqn-66"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, which means that the value for <inline-formula id="ieqn-67"><mml:math id="mml-ieqn-67"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2243;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, implies that agent <italic>i</italic> is the leader following the circular path, and <italic>j</italic> follows the same trajectory.</p></list-item>
</list></p>
<p><bold>Remark 1.</bold> <italic>Each dynamic agent must follow the circular trajectory in the same radius and avoid the tangential path</italic>.</p>
<p><bold>Theorem 1</bold>. <italic>Consider the multi-agent system <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-1">(1)</xref>. The control law generated by the probabilistic position is designed as</italic>
<disp-formula id="eqn-5"><label>(5)</label><mml:math id="mml-eqn-5" display="block"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>a</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:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<italic>such that</italic> <inline-formula id="ieqn-68"><mml:math id="mml-ieqn-68"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula> <italic>will make sure that the agents remain in the same radius and avoids the tangential path where</italic> <inline-formula id="ieqn-69"><mml:math id="mml-ieqn-69"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> <italic>represents the probabilistic position of each agent in each circle,</italic><inline-formula id="ieqn-70"><mml:math id="mml-ieqn-70"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <italic>represents the circular orbit, and</italic> <italic>k</italic> <italic>control gain.</italic></p>
<p><bold>Proof.</bold> For the multi-agent system <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-1">(1)</xref>, the controller is designed as follows [<xref ref-type="bibr" rid="ref-6">6</xref>]:
<disp-formula id="ueqn-4">
<mml:math id="mml-ueqn-4" display="block"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>in our paper, <inline-formula id="ieqn-71"><mml:math id="mml-ieqn-71"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel="1"><mml:mtable rowspacing="0.1em" columnspacing="0em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2260;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> converges to a constant value it will make sure that agents are apart from each other while maintaining strong communication links. For general formation control design, we construct the Lyapunov function as
<disp-formula id="ueqn-5">
<mml:math id="mml-ueqn-5" display="block"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>such that <inline-formula id="ieqn-72"><mml:math id="mml-ieqn-72"><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula id="ieqn-73"><mml:math id="mml-ieqn-73"><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is error function <inline-formula id="ieqn-74"><mml:math id="mml-ieqn-74"><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula> as <inline-formula id="ieqn-75"><mml:math id="mml-ieqn-75"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Then, the derivative of <inline-formula id="ieqn-76"><mml:math id="mml-ieqn-76"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given by
<disp-formula id="ueqn-6">
<mml:math id="mml-ueqn-6" display="block"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The desired trajectory is described as follows
<disp-formula id="ueqn-7">
<mml:math id="mml-ueqn-7" display="block"><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>p</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>The error can be calculated as <inline-formula id="ieqn-77"><mml:math id="mml-ieqn-77"><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. We have <inline-formula id="ieqn-78"><mml:math id="mml-ieqn-78"><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Thus
<disp-formula id="ueqn-8">
<mml:math id="mml-ueqn-8" display="block"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>By solving the Lyapunov equation <inline-formula id="ieqn-79"><mml:math id="mml-ieqn-79"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi></mml:math></inline-formula> for any <inline-formula id="ieqn-80"><mml:math id="mml-ieqn-80"><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the matrix is obtained as
<disp-formula id="ueqn-9">
<mml:math id="mml-ueqn-9" display="block"><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The matrix <italic>P</italic> is positive semi-definite if and only if
<disp-formula id="ueqn-10">
<mml:math id="mml-ueqn-10" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing=".2em" columnspacing="1em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mn>6</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>15</mml:mn><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>36</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>33</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mn>1.59</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>;</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p><bold>Remark 2.</bold> <italic>Theorem 1 leads to the contradiction that</italic> <inline-formula id="ieqn-81"><mml:math id="mml-ieqn-81"><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> <italic>only in the static case. Thus, Lemma 4 is true only for a static case. The results are extended to the dynamic case by applying the virtual leader-follower strategy in the next subsection.</italic></p>
<sec id="s4_1"><label>4.1</label><title>Virtual Leader-Follower Strategy</title>
<p>In this subsection, the virtual leader-follower strategy is designed to deal with the system uncertainties where each follower agent tracks the virtual leader dynamics. A distributed hybrid control law is designed to ensure the formation control stabilization and consensus in presence of the uncertain trajectory with tracking error converging to zero.</p>
<p><bold>Lemma 5.</bold> <italic>The dynamic of the virtual leader follows a desired circular trajectory defined as</italic>
<disp-formula id="eqn-6"><label>(6)</label><mml:math id="mml-eqn-6" display="block"><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-82"><mml:math id="mml-ieqn-82"><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> <italic>are respectively the rotation angle, angular velocity, and control input of the virtual leader given as</italic>
<disp-formula id="eqn-7"><label>(7)</label><mml:math id="mml-eqn-7" display="block"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-83"><mml:math id="mml-ieqn-83"><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> <italic>to the virtual leader.</italic></p>
<p><bold>Proof.</bold> The distributed formation stabilization controller can be designed as
<disp-formula id="eqn-8"><label>(8)</label><mml:math id="mml-eqn-8" display="block"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>and the consensus controller is proposed as follows
<disp-formula id="eqn-9"><label>(9)</label><mml:math id="mml-eqn-9" display="block"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel="1"><mml:mtable rowspacing="0.1em" columnspacing="0em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>By adding the two controllers <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-8">Eqs. (8)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-9">(9)</xref>, a distributed hybrid controller is given by
<disp-formula id="ueqn-11">
<mml:math id="mml-ueqn-11" display="block"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>which is equivalent to
<disp-formula id="eqn-10"><label>(10)</label><mml:math id="mml-eqn-10" display="block"><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>For <inline-formula id="ieqn-84"><mml:math id="mml-ieqn-84"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, we obtain
<disp-formula id="eqn-11"><label>(11)</label><mml:math id="mml-eqn-11" display="block"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-11">Eq. (11)</xref> can be also written in a vector form as
<disp-formula id="eqn-12"><label>(12)</label><mml:math id="mml-eqn-12" display="block"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-85"><mml:math id="mml-ieqn-85"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x00A0;&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;&#x00A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></inline-formula> Furthermore, for <inline-formula id="ieqn-86"><mml:math id="mml-ieqn-86"><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, by substituting <inline-formula id="ieqn-87"><mml:math id="mml-ieqn-87"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-88"><mml:math id="mml-ieqn-88"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-11">Eq. (11)</xref>, we obtain
<disp-formula id="eqn-13"><label>(13)</label><mml:math id="mml-eqn-13" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p><bold>Remark 3</bold>. <italic>Under the proposed control scheme, inter-agent collision avoidance is guaranteed under the following assumptions:</italic>
<list list-type="simple">
<list-item><label>a)</label><p><italic>All the agents move in a counterclockwise direction, i.e., orientation with constant velocity.</italic></p></list-item>
<list-item><label>b)</label><p><italic>There exist a positive or constant relative distance between the agents, i.e.,</italic> <inline-formula id="ieqn-89"><mml:math id="mml-ieqn-89"><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2200;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><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:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2260;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p></list-item>
</list></p>
<p><bold>Lemma 6</bold>. <italic>Consider a graph</italic> <inline-formula id="ieqn-90"><mml:math id="mml-ieqn-90"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A2;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <italic>with a directed spanning tree. The consensus is reached for the multi-agent system <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-1">Eq. (1)</xref> and the control law <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-12">Eq. (12)</xref> with a complex polynomial of the following form</italic>
<disp-formula id="ueqn-12">
<mml:math id="mml-ueqn-12" display="block"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<italic>where</italic> <inline-formula id="ieqn-91"><mml:math id="mml-ieqn-91"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <italic>is stable if</italic>
<disp-formula id="ueqn-13">
<mml:math id="mml-ueqn-13" display="block"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula>and
<disp-formula id="ueqn-14">
<mml:math id="mml-ueqn-14" display="block"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p><bold>Proof.</bold> Let <inline-formula id="ieqn-92"><mml:math id="mml-ieqn-92"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0.5</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-93"><mml:math id="mml-ieqn-93"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-94"><mml:math id="mml-ieqn-94"><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> for <inline-formula id="ieqn-95"><mml:math id="mml-ieqn-95"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>. We have
<disp-formula id="ueqn-15">
<mml:math id="mml-ueqn-15" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>for <inline-formula id="ieqn-96"><mml:math id="mml-ieqn-96"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Then, it can be written as
<disp-formula id="ueqn-16">
<mml:math id="mml-ueqn-16" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>for <inline-formula id="ieqn-97"><mml:math id="mml-ieqn-97"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, we have
<disp-formula id="ueqn-17">
<mml:math id="mml-ueqn-17" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <italic>J</italic> is the Jordan matrix given as
<disp-formula id="ueqn-18">
<mml:math id="mml-ueqn-18" display="block"><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x22F1;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22F1;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22F1;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>such that <inline-formula id="ieqn-98"><mml:math id="mml-ieqn-98"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are complex eigenvalues. By using the Leonhard-Mikhailov theorem, the condition of spanning (directed) is true only if <inline-formula id="ieqn-99"><mml:math id="mml-ieqn-99"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>b</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>i</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> and for every <inline-formula id="ieqn-100"><mml:math id="mml-ieqn-100"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>,
<disp-formula id="ueqn-19">
<mml:math id="mml-ueqn-19" display="block"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>u</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where
<disp-formula id="ueqn-20">
<mml:math id="mml-ueqn-20" display="block"><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2225;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2225;</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="ueqn-21">
<mml:math id="mml-ueqn-21" display="block"><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2225;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2225;</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>which completes the case for a directed spanning tree.</p>
<p><bold>Remark 4.</bold> <italic>In the circular orbit, we have an infinite set of points for the tangential trajectory. Let&#x2019;s define</italic> <inline-formula id="ieqn-101"><mml:math id="mml-ieqn-101"><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> <italic>as the tangential path, for each</italic> <inline-formula id="ieqn-102"><mml:math id="mml-ieqn-102"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>. Thus,</italic> <inline-formula id="ieqn-103"><mml:math id="mml-ieqn-103"><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> <italic>will no longer be the radius as the agent not following the circular path, it will be changed to</italic> <inline-formula id="ieqn-104"><mml:math id="mml-ieqn-104"><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula><italic>, where</italic> <inline-formula id="ieqn-105"><mml:math id="mml-ieqn-105"><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> <italic>is the tangent on any point in the circle. The tangential trajectory</italic> <inline-formula id="ieqn-106"><mml:math id="mml-ieqn-106"><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <italic>will vary in the interval</italic> <inline-formula id="ieqn-107"><mml:math id="mml-ieqn-107"><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>From Remark 4, for every <inline-formula id="ieqn-108"><mml:math id="mml-ieqn-108"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula> there exists <inline-formula id="ieqn-109"><mml:math id="mml-ieqn-109"><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> which defines the signal of the actual trajectory to be followed as
<disp-formula id="eqn-14"><label>(14)</label><mml:math id="mml-eqn-14" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing=".2em" columnspacing="1em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>for <inline-formula id="ieqn-110"><mml:math id="mml-ieqn-110"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Then, differentiating <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-14">Eq. (14)</xref> yields
<disp-formula id="ueqn-22">
<mml:math id="mml-ueqn-22" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing=".2em" columnspacing="1em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd /></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</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:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd /></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>To show the stability of the system, consider the Lyapunov function
<disp-formula id="ueqn-23">
<mml:math id="mml-ueqn-23" display="block"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>It is easy to check that <inline-formula id="ieqn-111"><mml:math id="mml-ieqn-111"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is differentiable and positive definite. By taking the derivative of <inline-formula id="ieqn-112"><mml:math id="mml-ieqn-112"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> along the trajectories of the system, we obtain
<disp-formula id="eqn-15"><label>(15)</label><mml:math id="mml-eqn-15" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>by using Young&#x2019;s inequality, for each <inline-formula id="ieqn-113"><mml:math id="mml-ieqn-113"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-114"><mml:math id="mml-ieqn-114"><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, we have
<disp-formula id="ueqn-24">
<mml:math id="mml-ueqn-24" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="ueqn-25">
<mml:math id="mml-ueqn-25" display="block"><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>We take
<disp-formula id="ueqn-26">
<mml:math id="mml-ueqn-26" display="block"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>Thus, for <inline-formula id="ieqn-115"><mml:math id="mml-ieqn-115"><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2243;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, we have <inline-formula id="ieqn-116"><mml:math id="mml-ieqn-116"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula> which implies that <inline-formula id="ieqn-117"><mml:math id="mml-ieqn-117"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is a negative definite. Consequently, for every <inline-formula id="ieqn-118"><mml:math id="mml-ieqn-118"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-119"><mml:math id="mml-ieqn-119"><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is asymptotically stable. Further, the system can achieve both formation stabilization with collision avoidance and consensus.</p>
<p>For every <inline-formula id="ieqn-120"><mml:math id="mml-ieqn-120"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we define the error <inline-formula id="ieqn-121"><mml:math id="mml-ieqn-121"><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We discuss two cases.</p>
<p>Case 1: when <inline-formula id="ieqn-122"><mml:math id="mml-ieqn-122"><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo></mml:math></inline-formula> We consider the following Lyapunov function candidate
<disp-formula id="ueqn-27">
<mml:math id="mml-ueqn-27" display="block"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>Differentiating V2 yields
<disp-formula id="ueqn-28">
<mml:math id="mml-ueqn-28" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>Case 2: when <inline-formula id="ieqn-123"><mml:math id="mml-ieqn-123"><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2260;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2260;</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>&#x2260;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2026;</mml:mo></mml:math></inline-formula>, we define the error sets as <inline-formula id="ieqn-124"><mml:math id="mml-ieqn-124"><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We choose a Lyapunov function as follows
<disp-formula id="ueqn-29">
<mml:math id="mml-ueqn-29" display="block"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>Taking the derivative of <inline-formula id="ieqn-125"><mml:math id="mml-ieqn-125"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> yields
<disp-formula id="ueqn-30">
<mml:math id="mml-ueqn-30" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="ueqn-31">
<mml:math id="mml-ueqn-31" display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="ueqn-32">
<mml:math id="mml-ueqn-32" display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="ueqn-33">
<mml:math id="mml-ueqn-33" display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>&#x23DF;</mml:mo></mml:munder></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:munder></mml:math></disp-formula>by using Young&#x2019;s inequality, we have
<disp-formula id="ueqn-34">
<mml:math id="mml-ueqn-34" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>for <inline-formula id="ieqn-126"><mml:math id="mml-ieqn-126"><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. If <inline-formula id="ieqn-127"><mml:math id="mml-ieqn-127"><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> , <inline-formula id="ieqn-128"><mml:math id="mml-ieqn-128"><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-129"><mml:math id="mml-ieqn-129"><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x003C;&#x003C;&#x003C;&#x003C;&#x003C;</mml:mo></mml:math></inline-formula>; we have
<disp-formula id="ueqn-35">
<mml:math id="mml-ueqn-35" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mover><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2248;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>We conclude that the system is stable, and the error will converge to zero. We write the system <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-1">Eq. (1)</xref> in generalized form as
<disp-formula id="eqn-16"><label>(16)</label><mml:math id="mml-eqn-16" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing=".2em" columnspacing="1em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd /></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd /></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-130"><mml:math id="mml-ieqn-130"><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-131"><mml:math id="mml-ieqn-131"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-132"><mml:math id="mml-ieqn-132"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> are the state, control input, and output of agent <italic>i</italic>, respectively. <inline-formula id="ieqn-133"><mml:math id="mml-ieqn-133"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <italic>C</italic> are constant matrices with appropriate dimensions given as follows
<disp-formula id="ueqn-36">
<mml:math id="mml-ueqn-36" display="block"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The feedback control gain <italic>k</italic> is given by <inline-formula id="ieqn-134"><mml:math id="mml-ieqn-134"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula>, such that <italic>P</italic> is the positive definite solution of the following algebraic Riccati inequality (ARI)
<disp-formula id="eqn-17"><label>(17)</label><mml:math id="mml-eqn-17" display="block"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>B</mml:mi><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext></mml:math></disp-formula></p>
<p>Since, <inline-formula id="ieqn-135"><mml:math id="mml-ieqn-135"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> is Hurwitz the pair (A, B) is controllable.</p>
<p><bold>Lemma 7.</bold> Lyapunov candidate (potential function) is the error in the dynamical system <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-14">Eq. (14)</xref> given as
<disp-formula id="ueqn-38">
<mml:math id="mml-ueqn-38" display="block"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2200;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><bold>Proof.</bold></p>
<p>We have <inline-formula id="ieqn-136"><mml:math id="mml-ieqn-136"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The derivative of <italic>V</italic> along the trajectories leads to
<disp-formula id="ueqn-39">
<mml:math id="mml-ueqn-39" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>P</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="ueqn-40">
<mml:math id="mml-ueqn-40" display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</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:mo>(</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>k</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>k</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="ueqn-41">
<mml:math id="mml-ueqn-41" display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>Applying Young&#x2019;s inequality, we obtain
<disp-formula id="ueqn-42">
<mml:math id="mml-ueqn-42" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>If <inline-formula id="ieqn-137"><mml:math id="mml-ieqn-137"><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-138"><mml:math id="mml-ieqn-138"><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, we have
<disp-formula id="ueqn-43">
<mml:math id="mml-ueqn-43" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>The system error is given as <inline-formula id="ieqn-139"><mml:math id="mml-ieqn-139"><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and its derivative is <inline-formula id="ieqn-140"><mml:math id="mml-ieqn-140"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>The system can be written as
<disp-formula id="ueqn-44">
<mml:math id="mml-ueqn-44" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="ueqn-45">
<mml:math id="mml-ueqn-45" display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>such that <inline-formula id="ieqn-141"><mml:math id="mml-ieqn-141"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the system can be written in compact form as
<disp-formula id="ueqn-46">
<mml:math id="mml-ueqn-46" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="ueqn-47">
<mml:math id="mml-ueqn-47" display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="ueqn-48">
<mml:math id="mml-ueqn-48" display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>Consider candidate Lyapunov function as
<disp-formula id="ueqn-49">
<mml:math id="mml-ueqn-49" display="block"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>Calculating the derivative of <italic>V</italic>, we get
<disp-formula id="ueqn-50">
<mml:math id="mml-ueqn-50" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="ueqn-51">
<mml:math id="mml-ueqn-51" display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="ueqn-52">
<mml:math id="mml-ueqn-52" display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="ueqn-53">
<mml:math id="mml-ueqn-53" display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="ueqn-54">
<mml:math id="mml-ueqn-54" display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="ueqn-55">
<mml:math id="mml-ueqn-55" display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>Thus, we have
<disp-formula id="ueqn-56">
<mml:math id="mml-ueqn-56" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>for <inline-formula id="ieqn-142"><mml:math id="mml-ieqn-142"><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x2260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, we have <inline-formula id="ieqn-143"><mml:math id="mml-ieqn-143"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, which implies that the system is globally asymptotically stable. The pair <inline-formula id="ieqn-144"><mml:math id="mml-ieqn-144"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is stabilizable. Hence, the consensus is reached, i.e., <inline-formula id="ieqn-145"><mml:math id="mml-ieqn-145"><mml:munder><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">lim</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2225;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2225;=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;lim</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2225;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2225;=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>Since the graph <inline-formula id="ieqn-146"><mml:math id="mml-ieqn-146"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A2;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is connected, we have
<disp-formula id="ueqn-57">
<mml:math id="mml-ueqn-57" display="block"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>for a connected graph to solve the Riccati equation. For <inline-formula id="ieqn-147"><mml:math id="mml-ieqn-147"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to be symmetric there exists an orthogonal matrix <inline-formula id="ieqn-148"><mml:math id="mml-ieqn-148"><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> such that <inline-formula id="ieqn-149"><mml:math id="mml-ieqn-149"><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p><bold>Theorem 2.</bold> <italic>Consider the multi-agent system <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-1">(1)</xref>. The dynamic control law <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-12">Eq. (12)</xref> under assumptions solves the circular formation control problem.</italic></p>
<p><bold>Proof.</bold> Appendix A.</p>
<p><bold>Remark 5.</bold> <italic>Theorem 2 leads to a contradiction with the Assumptions proposed. Since the virtual leader velocity may not be constant (changing velocity) the agents may maintain circular trajectories but with weak collision avoidance between interacting agents.</italic></p>
</sec>
<sec id="s4_2"><label>4.2</label><title>An Extension to Lasalle&#x2019;s Invariance Principle</title>
<p>In this subsection, the results are extended to LaSalle&#x2019;s invariance principle due to the limitations of the virtual leader-follower strategy Theorem 2. Consider a function
<inline-formula id="ieqn-150"><mml:math id="mml-ieqn-150"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-151"><mml:math id="mml-ieqn-151"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula id="ieqn-152"><mml:math id="mml-ieqn-152"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we have <inline-formula id="ieqn-153"><mml:math id="mml-ieqn-153"><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>, these function limits can be divided as</p>
<list list-type="bullet">
<list-item><p>For <inline-formula id="ieqn-154"><mml:math id="mml-ieqn-154"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> , the function <italic>L</italic> is Lyapunov stable;</p></list-item>
<list-item><p>For <inline-formula id="ieqn-155"><mml:math id="mml-ieqn-155"><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the function <italic>L</italic> is unstable.</p></list-item>
</list>
<p>For this Lyapunov strict function, we use the LaSalle principle. LaSalle will make sure that the function with <inline-formula id="ieqn-156"><mml:math id="mml-ieqn-156"><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> is globally stable. For <inline-formula id="ieqn-157"><mml:math id="mml-ieqn-157"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-158"><mml:math id="mml-ieqn-158"><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the function is Lyapunov stable for positive <inline-formula id="ieqn-159"><mml:math id="mml-ieqn-159"><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. We have <inline-formula id="ieqn-160"><mml:math id="mml-ieqn-160"><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> negative for <inline-formula id="ieqn-161"><mml:math id="mml-ieqn-161"><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi></mml:math></inline-formula>. We choose the Lyapunov function as <inline-formula id="ieqn-162"><mml:math id="mml-ieqn-162"><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where <inline-formula id="ieqn-163"><mml:math id="mml-ieqn-163"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The derivative of <inline-formula id="ieqn-164"><mml:math id="mml-ieqn-164"><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> along the trajectories is given by
<disp-formula id="ueqn-58">
<mml:math id="mml-ueqn-58" display="block"><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="ueqn-59">
<mml:math id="mml-ueqn-59" display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>We have <inline-formula id="ieqn-165"><mml:math id="mml-ieqn-165"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Suppose that <inline-formula id="ieqn-166"><mml:math id="mml-ieqn-166"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we get
<disp-formula id="ueqn-60">
<mml:math id="mml-ueqn-60" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p>Since <inline-formula id="ieqn-167"><mml:math id="mml-ieqn-167"><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi></mml:math></inline-formula> from algebraic Riccati equation, <italic>Q</italic> is positive definite if and only if <inline-formula id="ieqn-168"><mml:math id="mml-ieqn-168"><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is positive. In addition, we have
<disp-formula id="ueqn-61">
<mml:math id="mml-ueqn-61" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><inline-formula id="ieqn-169"><mml:math id="mml-ieqn-169"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is positive for every <inline-formula id="ieqn-170"><mml:math id="mml-ieqn-170"><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Thus <inline-formula id="ieqn-171"><mml:math id="mml-ieqn-171"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> when <inline-formula id="ieqn-172"><mml:math id="mml-ieqn-172"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The results are presented in the following Theorem.</p>
<p><bold>Theorem 3.</bold> The dynamic control law solves the circular formation control problem for <inline-formula id="ieqn-173"><mml:math id="mml-ieqn-173"><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></inline-formula></p>
<p><bold>Proof.</bold> We consider the following system
<disp-formula id="eqn-18"><label>(18)</label><mml:math id="mml-eqn-18" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where the vector <inline-formula id="ieqn-174"><mml:math id="mml-ieqn-174"><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula> we have
<disp-formula id="ueqn-62">
<mml:math id="mml-ueqn-62" display="block"><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="ueqn-63">
<mml:math id="mml-ueqn-63" display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="ueqn-64">
<mml:math id="mml-ueqn-64" display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0398;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0398;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="ueqn-65">
<mml:math id="mml-ueqn-65" display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0398;</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>In the same way, we get
<disp-formula id="eqn-19"><label>(19)</label><mml:math id="mml-eqn-19" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing=".2em" columnspacing="1em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x039B;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x039E;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Thus, by substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-18">Eq. (18)</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-18">(18)</xref>, we obtain
<disp-formula id="ueqn-66">
<mml:math id="mml-ueqn-66" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>01</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0398;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0398;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x039B;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x039E;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-175"><mml:math id="mml-ieqn-175"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is the probability value.</p>
<p>We analyze two cases: If <inline-formula id="ieqn-176"><mml:math id="mml-ieqn-176"><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, it means that the follower agent follows a circular trajectory with all predefined conditions. If <inline-formula id="ieqn-177"><mml:math id="mml-ieqn-177"><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, it means that the follower agent is not following any agents, or the agent is not following the desired formation with necessary conditions.</p>
<p><bold>Remark 6.</bold> <italic>In the current system, the probability value has a fundamental rule in making the follower agents follow the circular trajectory</italic>.</p>
<p>Let <inline-formula id="ieqn-178"><mml:math id="mml-ieqn-178"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a probability function. The function will always result for <inline-formula id="ieqn-179"><mml:math id="mml-ieqn-179"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-180"><mml:math id="mml-ieqn-180"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for any other value is referred to as an error function
<disp-formula id="ueqn-67">
<mml:math id="mml-ueqn-67" display="block"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>[</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><inline-formula id="ieqn-181"><mml:math id="mml-ieqn-181"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is not following the circular trajectory. Thus the system is unstable. We have to define an error threshold for <inline-formula id="ieqn-182"><mml:math id="mml-ieqn-182"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Let consider <inline-formula id="ieqn-183"><mml:math id="mml-ieqn-183"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-184"><mml:math id="mml-ieqn-184"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with respect to circular trajectory. To prove that the error is not affecting the system. Consider the following Lyapunov function candidate
<disp-formula id="ueqn-68">
<mml:math id="mml-ueqn-68" display="block"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>The function <inline-formula id="ieqn-185"><mml:math id="mml-ieqn-185"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is differentiable and positive definite. Then, the derivative of <inline-formula id="ieqn-186"><mml:math id="mml-ieqn-186"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext></mml:math></inline-formula> is given by
<disp-formula id="ueqn-69">
<mml:math id="mml-ueqn-69" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Since <inline-formula id="ieqn-187"><mml:math id="mml-ieqn-187"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>0.05</mml:mn></mml:math></inline-formula>, we have that <inline-formula id="ieqn-188"><mml:math id="mml-ieqn-188"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Thus, if the probability is more than <inline-formula id="ieqn-189"><mml:math id="mml-ieqn-189"><mml:mn>0.95</mml:mn></mml:math></inline-formula> then the system will remain stable. So the system should have <inline-formula id="ieqn-190"><mml:math id="mml-ieqn-190"><mml:mn>0.05</mml:mn></mml:math></inline-formula> uncertainty.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s5"><label>5</label><title>Simulation Results</title>
<p>This section presents the simulation of three agents (<inline-formula id="ieqn-191"><mml:math id="mml-ieqn-191"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula>) modeled by <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-1">Eq. (1)</xref>, controlled by the proposed control techniques above. The communication topology of agents is shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref>. The system matrices are given as follows
<disp-formula id="ueqn-70">
<mml:math id="mml-ueqn-70" display="block"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>and the matrix</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>H</mml:mi><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>3</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>3</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>3</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<fig id="fig-2"><label>Figure 2</label><caption><title>Graph interaction topology of two follower agents with a virtual leader in the same radius</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="IASC_36786-fig-2.tif"/></fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-3">Fig. 3</xref> shows the trajectories of the agents uer control law <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-5">(5)</xref>. <inline-formula id="ieqn-192"><mml:math id="mml-ieqn-192"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>33</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> depicts the trajectory of the agent in the static case, where the agent follows a circular trajectory. <inline-formula id="ieqn-193"><mml:math id="mml-ieqn-193"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-194"><mml:math id="mml-ieqn-194"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> depict the trajectories of the agents in the dynamic case, where the agents follow tangential paths. It shows that the agents follow the desired circular trajectory in the static case. It also shows that when the agents move and change position and velocity, they may follow a tangential path or follow a circular trajectory.</p>
<fig id="fig-3"><label>Figure 3</label><caption><title>The trajectories of <inline-formula id="ieqn-195"><mml:math id="mml-ieqn-195"><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-196"><mml:math id="mml-ieqn-196"><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>33</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula></title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="IASC_36786-fig-3.tif"/></fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-4">Fig. 4</xref> shows the different positions of agent <italic>i</italic> along the same circular trajectory in the plane under the proposed control protocol. It is shown that when the agent moves the tangential path is controlled but the agents can have different circular trajectories. The designed controller protocol ensures that the agents follow desired circular trajectory and avoid the tangential paths.</p>
<fig id="fig-4"><label>Figure 4</label><caption><title>The different positions of the agent in the same circular trajectory under the control law</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="IASC_36786-fig-4.tif"/></fig>
<p>In the simulation, we consider a system consisting of three agents (<inline-formula id="ieqn-197"><mml:math id="mml-ieqn-197"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula> and we set the center point of the circular trajectory at (0, 0) on the plane. The initial positions of the agents are generated randomly. The design parameters are set as <inline-formula id="ieqn-198"><mml:math id="mml-ieqn-198"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-199"><mml:math id="mml-ieqn-199"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2245;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> demonstrated in <xref ref-type="fig" rid="fig-5">Fig. 5</xref>. As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-5">Fig. 5</xref>, the simulation results indicate that the group of mobile robots move in a counterclockwise direction to form and maintain the spaced circular formation under the proposed control law <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-13">(13)</xref>.</p>
<fig id="fig-5"><label>Figure 5</label><caption><title>The circular formation trajectories of agents in the plane</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="IASC_36786-fig-5.tif"/></fig>
<p>The simulation results indicate clearly that the proposed control scheme solves the circular formation problem while no collision occurs among agents.</p>
</sec>
<sec id="s6"><label>6</label><title>Conclusion</title>
<p>In this paper, a novel formation control scheme is introduced to study the circular formation problem for second-order MASs in the plane. The problem has two sub-objectives: circular formation control and collision avoidance. First, by combining probabilistic position law with a leader-follower strategy, a novel distributed control protocol is developed to achieve circular formation. It is proved that under the developed control scheme all the agents achieve a circular formation with the desired radius and also avoid the tangential path. Under the proposed control protocol, inter-agent collision avoidance is guaranteed by keeping the same counterclockwise direction of the agents with constant velocity and preserving a positive or constant distance between any two agents. Based on Lyapunov methods, the stability analysis of the designed circular formation scheme is provided. The effectiveness of the proposed control strategy is illustrated in the numerical simulations. Future works will focus on extending the proposed technique to MASs with more realistic dynamics. Moreover, how to achieve circular formation in different circular radii is an open and challenging research topic that needs investigation.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec><title>Funding Statement</title>
<p>The authors received no specific funding for this study.</p></sec>
<sec sec-type="COI-statement"><title>Conflicts of Interest</title>
<p>The authors declare that they have no conflicts of interest to report regarding the present study.</p></sec>
<ref-list content-type="authoryear">
<title>References</title>
<ref id="ref-1"><label>[1]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>R. W.</given-names> <surname>Beard</surname></string-name>, <string-name><given-names>T. W.</given-names> <surname>McLain</surname></string-name>, <string-name><given-names>M. A.</given-names> <surname>Goodrich</surname></string-name> and <string-name><given-names>E. P.</given-names> <surname>Anderson</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Coordinated target assignment and intercept for unmanned air vehicles</article-title>, &#x201D; <source>IEEE Transactions on Robotics and Automation</source>, vol. <volume>18</volume>, no. <issue>6</issue>, pp. <fpage>911</fpage>&#x2013;<lpage>922</lpage>, <year>2002</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-2"><label>[2]</label><mixed-citation publication-type="conf-proc"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>R. W.</given-names> <surname>Beard</surname></string-name> and <string-name><given-names>T. W.</given-names> <surname>McLain</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Multiple UAV cooperative search under collision avoidance and limited range communication constraints</article-title>,&#x201D; in <conf-name>Proc. 42nd IEEE Int. Conf. on Decis. and Control</conf-name>, <conf-loc>Maui, HI, USA</conf-loc>, pp. <fpage>25</fpage>&#x2013;<lpage>30</lpage>, <year>2003</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-3"><label>[3]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>M.</given-names> <surname>Di Marco</surname></string-name>, <string-name><given-names>A.</given-names> <surname>Garulli</surname></string-name> and <string-name><given-names>A.</given-names> <surname>Vicino</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Simultaneous localization and map building for a team of cooperating robots: A set membership approach</article-title>,&#x201D; <source>IEEE Transactions on Robotics and Automation</source>, vol. <volume>19</volume>, no. <issue>2</issue>, pp. <fpage>238</fpage>&#x2013;<lpage>249</lpage>, <year>2003</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-4"><label>[4]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>T. G.</given-names> <surname>Sugar</surname></string-name> and <string-name><given-names>V.</given-names> <surname>Kumar</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Control of cooperating mobile manipulators</article-title>,&#x201D; <source>IEEE Transactions on Robotics and Automation</source>, vol. <volume>18</volume>, no. <issue>1</issue>, pp. <fpage>94</fpage>&#x2013;<lpage>103</lpage>, <year>2002</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-5"><label>[5]</label><mixed-citation publication-type="conf-proc"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>R.</given-names> <surname>Olfati-Saber</surname></string-name>, <string-name><given-names>J. A.</given-names> <surname>Fax</surname></string-name> and <string-name><given-names>R. M.</given-names> <surname>Murray</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Consensus and cooperation in networked multi-agent systems</article-title>,&#x201D; <conf-name>Proceedings of the IEEE</conf-name>, vol. <volume>95</volume>, no. <issue>1</issue>, pp. <fpage>2015</fpage>&#x2013;233, <year>2007</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-6"><label>[6]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>W.</given-names> <surname>Ren</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>On consensus algorithms for double-integrator dynamics</article-title>,&#x201D;<source>IEEE Transactions on Automatic Control</source>, vol. <volume>53</volume>, no. <issue>6</issue>, pp. <fpage>1503</fpage>&#x2013;<lpage>1509</lpage>, <year>2008</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-7"><label>[7]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>X.</given-names> <surname>Dong</surname></string-name>, <string-name><given-names>Y.</given-names> <surname>Zhou</surname></string-name>, <string-name><given-names>Z.</given-names> <surname>Ren</surname></string-name> and <string-name><given-names>Y.</given-names> <surname>Zhong</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Time-varying formation tracking for second-order multi-agent systems subjected to switching topologies with application to quadrotor formation flying</article-title>,&#x201D;<source>IEEE Transactions on Industrial Electronics</source>, vol. <volume>64</volume>, no. <issue>6</issue>, pp. <fpage>5014</fpage>&#x2013;<lpage>5024</lpage>, <year>2017</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-8"><label>[8]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>J.</given-names> <surname>Qin</surname></string-name>, <string-name><given-names>W. X.</given-names> <surname>Zheng</surname></string-name>, <string-name><given-names>H.</given-names> <surname>Gao</surname></string-name>, <string-name><given-names>Q.</given-names> <surname>Maand</surname></string-name> and <string-name><given-names>W.</given-names> <surname>Fu</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Containment control for second-order multiagent systems communicating over heterogeneous networks</article-title>,&#x201D; <source>IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems</source>, vol. <volume>28</volume>, no. <issue>9</issue>, pp. <fpage>2143</fpage>&#x2013;<lpage>2155</lpage>, <year>2017</year>; <pub-id pub-id-type="pmid">27333612</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-9"><label>[9]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>Q.</given-names> <surname>Li</surname></string-name>, <string-name><given-names>Y.</given-names> <surname>Hua</surname></string-name>, <string-name><given-names>X.</given-names> <surname>Dong</surname></string-name> and <string-name><given-names>Z.</given-names> <surname>Ren</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Time-varying formation tracking control for unmanned aerial vehicles: Theories and applications</article-title>,&#x201D; <source>IFAC-PapersOnLine</source>, vol. <volume>55</volume>, no. <issue>3</issue>, pp. <fpage>49</fpage>&#x2013;<lpage>54</lpage>, <year>2022</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-10"><label>[10]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>C.</given-names> <surname>Wang</surname></string-name>, <string-name><given-names>H.</given-names> <surname>Tnunay</surname></string-name>, <string-name><given-names>Z.</given-names> <surname>Zuo</surname></string-name>, <string-name><given-names>B.</given-names> <surname>Lennox</surname></string-name> and <string-name><given-names>Z.</given-names> <surname>Ding</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Fixed-time formation control of multirobot systems: Design and experiments</article-title>,&#x201D; <source>IEEE Transactions on Industrial Electronics</source>, vol. <volume>66</volume>, no. <issue>8</issue>, pp. <fpage>6292</fpage>&#x2013;<lpage>6301</lpage>, <year>2018</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-11"><label>[11]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>H.</given-names> <surname>Yu</surname></string-name>, <string-name><given-names>Z.</given-names> <surname>Zeng</surname></string-name> and <string-name><given-names>C.</given-names> <surname>Guo</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Coordinated formation control of discrete-time autonomous underwater vehicles under alterable communication topology with time-varying delay</article-title>,&#x201D; <source>Journal of Marine Science and Engineering</source>, vol. <volume>10</volume>, no. <issue>6</issue>, pp. <fpage>712</fpage>, <year>2022</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-12"><label>[12]</label><mixed-citation publication-type="web"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>H.</given-names> <surname>Liu</surname></string-name>, <string-name><given-names>Z.</given-names> <surname>Chen</surname></string-name>, <string-name><given-names>X.</given-names> <surname>Wang</surname></string-name> and <string-name><given-names>Z.</given-names> <surname>Sun</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Optimal formation control for multiple rotation-translation coupled satellites using reinforcement learning</article-title>,&#x201D; Acta Astronautica, <year>2022</year>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.actaastro.2022.09.049</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-13"><label>[13]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>K. K.</given-names> <surname>Oh</surname></string-name>, <string-name><given-names>M. C.</given-names> <surname>Park</surname></string-name> and <string-name><given-names>H. S.</given-names> <surname>Ahn</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>A survey of multi-agent formation control</article-title>,&#x201D; <source>Automatica</source>, vol. <volume>53</volume>, pp. <fpage>424</fpage>&#x2013;<lpage>440</lpage>, <year>2015</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-14"><label>[14]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>L.</given-names> <surname>Krick</surname></string-name>, <string-name><given-names>M. E.</given-names> <surname>Broucke</surname></string-name> and <string-name><given-names>B. A.</given-names> <surname>Francis</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Stabilisation of infinitesimally rigid formations of multi-robot networks</article-title>,&#x201D; <source>International Journal of Control</source>, vol. <volume>82</volume>, no. <issue>3</issue>, pp. <fpage>423</fpage>&#x2013;<lpage>439</lpage>, <year>2009</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-15"><label>[15]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>X.</given-names> <surname>Dong</surname></string-name> and <string-name><given-names>G.</given-names> <surname>Hu</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Time-varying formation tracking for linear multiagent systems with multiple leaders</article-title>,&#x201D; <source>IEEE Transactions on Automatic Control</source>, vol. <volume>62</volume>, no. <issue>7</issue>, pp. <fpage>3658</fpage>&#x2013;<lpage>3664</lpage>, <year>2017</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-16"><label>[16]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>S.</given-names> <surname>Zhao</surname></string-name> and <string-name><given-names>D.</given-names> <surname>Zelazo</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Translational and scaling formation maneuver control via a bearing-based approach</article-title>, &#x201D; <source>IEEE Transactions on Control of Network Systems</source>, vol. <volume>4</volume>, no. <issue>3</issue>, pp. <fpage>429</fpage>&#x2013;<lpage>438</lpage>, <year>2017</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-17"><label>[17]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>W.</given-names> <surname>Ren</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Consensus strategies for cooperative control of vehicle formations</article-title>,&#x201D; <source>IET Control Theory &#x0026; Applications</source>, vol. <volume>1</volume>, no. <issue>2</issue>, pp. <fpage>505</fpage>&#x2013;<lpage>512</lpage>, <year>2007</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-18"><label>[18]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>X.</given-names> <surname>He</surname></string-name> and <string-name><given-names>Z.</given-names> <surname>Geng</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Consensus-based formation control for nonholonomic vehicles with parallel desired formations</article-title>,&#x201D; <source>International Journal of Control</source>, vol. <volume>94</volume>, no. <issue>2</issue>, pp. <fpage>507</fpage>&#x2013;<lpage>520</lpage>, <year>2021</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-19"><label>[19]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>S. J.</given-names> <surname>Yoo</surname></string-name> and <string-name><given-names>B. S.</given-names> <surname>Park</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Formation tracking control for a class of multiple mobile robots in the presence of unknown skidding and slipping</article-title>,&#x201D; <source>IET Control Theory &#x0026; Applications</source>, vol. <volume>7</volume>, no. <issue>5</issue>, pp. <fpage>635</fpage>&#x2013;<lpage>645</lpage>, <year>2013</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-20"><label>[20]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>X.</given-names> <surname>Ge</surname></string-name> and <string-name><given-names>Q. L.</given-names> <surname>Han</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Distributed formation control of networked multi-agent systems using a dynamic event-triggered communication mechanism</article-title>,&#x201D; <source>IEEE Transactions on Industrial Electronics</source>, vol. <volume>64</volume>, no. <issue>10</issue>, pp. <fpage>8118</fpage>&#x2013;<lpage>8127</lpage>, <year>2017</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-21"><label>[21]</label><mixed-citation publication-type="conf-proc"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>J.</given-names> <surname>Huang</surname></string-name>, <string-name><given-names>N.</given-names> <surname>Zhou</surname></string-name>, <string-name><given-names>R.</given-names> <surname>Chen</surname></string-name> and <string-name><given-names>W.</given-names> <surname>Zhang</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<source>H<sub>&#x221E;</sub></source> <article-title>formation control design for multiple euler-lagrange agents subjected to switching topologies</article-title>,&#x201D; in <conf-name>Proc. 11th Asian Control Conf. (ASCC)</conf-name>, <conf-loc>Gold Coast, QLD, Australia</conf-loc>, pp. <fpage>2382</fpage>&#x2013;<lpage>2386</lpage>, <year>2017</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-22"><label>[22]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>J.</given-names> <surname>Shi</surname></string-name>, <string-name><given-names>Y.</given-names> <surname>Yang</surname></string-name>, <string-name><given-names>J.</given-names> <surname>Sun</surname></string-name>, <string-name><given-names>X.</given-names> <surname>He</surname></string-name>, <string-name><given-names>D.</given-names> <surname>Zhou</surname></string-name> <etal>et al.,</etal></person-group> &#x201C;<article-title>Fault-tolerant formation control of non-linear multi-vehicle systems with application to quadrotors</article-title>,&#x201D; <source>IET Control Theory &#x0026; Applications</source>, vol. <volume>11</volume>, no. <issue>17</issue>, pp. <fpage>3179</fpage>&#x2013;<lpage>3190</lpage>, <year>2017</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-23"><label>[23]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>J.</given-names> <surname>Zhu</surname></string-name>, <string-name><given-names>G.</given-names> <surname>Wen</surname></string-name> and <string-name><given-names>B.</given-names> <surname>Li</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Decentralized adaptive formation control based on sliding mode strategy for a class of second-order nonlinear unknown dynamic multi-agent systems</article-title>,&#x201D; <source>International Journal of Adaptive Control and Signal Processing</source>, vol. <volume>36</volume>, no. <issue>4</issue>, pp. <fpage>1045</fpage>&#x2013;58, <year>2022</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-24"><label>[24]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>P.</given-names> <surname>Ogren</surname></string-name>, <string-name><given-names>E.</given-names> <surname>Fiorelli</surname></string-name> and <string-name><given-names>N. E.</given-names> <surname>Leonard</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Cooperative control of mobile sensor networks: Adaptive gradient climbing in a distributed environment</article-title>,&#x201D; <source>IEEE Transactions on Automatic Control</source>, vol. <volume>49</volume>, no. <issue>8</issue>, pp. <fpage>1292</fpage>&#x2013;<lpage>1302</lpage>, <year>2004</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-25"><label>[25]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>Y.</given-names> <surname>Liu</surname></string-name>, <string-name><given-names>Z.</given-names> <surname>Liu</surname></string-name>, <string-name><given-names>J.</given-names> <surname>Shi</surname></string-name>, <string-name><given-names>G.</given-names> <surname>Wu</surname></string-name> and <string-name><given-names>C.</given-names> <surname>Chen</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Optimization of base location and patrol routes for unmanned aerial vehicles in border intelligence, surveillance, and reconnaissance</article-title>, <source>Journal of Advanced Transportation</source>, vol. <volume>2019</volume>, pp. <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>13</lpage>, <year>2019</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-26"><label>[26]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>J.</given-names> <surname>Hu</surname></string-name>, <string-name><given-names>L.</given-names> <surname>Xie</surname></string-name> and <string-name><given-names>C.</given-names> <surname>Zhang</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Energy-based multiple target localization and pursuit in mobile sensor networks</article-title>,&#x201D; <source>IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement</source>, vol. <volume>61</volume>, no. <issue>1</issue>, pp. <fpage>212</fpage>&#x2013;<lpage>220</lpage>, <year>2012</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-27"><label>[27]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>X.</given-names> <surname>Yu</surname></string-name> and <string-name><given-names>L.</given-names> <surname>Liu</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Distributed circular formation control of ring-networked nonholonomic vehicles</article-title>,&#x201D; <source>Automatica</source>, vol. <volume>68</volume>, pp. <fpage>92</fpage>&#x2013;<lpage>99</lpage>, <year>2016</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-28"><label>[28]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>L.</given-names> <surname>Zhao</surname></string-name> and <string-name><given-names>D.</given-names> <surname>Ma</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Circle formation control for multi-agent systems with a leader</article-title>,&#x201D; <source>Control Theory and Technology</source>, vol. <volume>13</volume>, no. <issue>1</issue>, pp. <fpage>82</fpage>&#x2013;<lpage>88</lpage>, <year>2015</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-29"><label>[29]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>H.</given-names> <surname>Yang</surname></string-name> and <string-name><given-names>Y.</given-names> <surname>Wang</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Cyclic pursuit-fuzzy PD control method for multi-agent formation control in 3D space</article-title>,&#x201D; <source>International Journal of Fuzzy Systems</source>, vol. <volume>23</volume>, pp. <fpage>1904</fpage>&#x2013;<lpage>1913</lpage>, <year>2020</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-30"><label>[30]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>Y.</given-names> <surname>Hou</surname></string-name> and <string-name><given-names>R.</given-names> <surname>Allen</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Behaviour-based circle formation control simulation for cooperative uUVs</article-title>,&#x201D; <source>IFAC Proceedings Volumes</source>, vol. <volume>41</volume>, no. <issue>1</issue>, pp. <fpage>119</fpage>&#x2013;<lpage>124</lpage>, <year>2008</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-31"><label>[31]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>A.</given-names> <surname>Benzerrouk</surname></string-name>, <string-name><given-names>L.</given-names> <surname>Adouane</surname></string-name> and <string-name><given-names>P.</given-names> <surname>Martinet</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Stable navigation in formation for a multi-robot system based on a constrained virtual structure</article-title>,&#x201D; <source>Robotics and Autonomous Systems</source>, vol. <volume>62</volume>, no. <issue>12</issue>, pp. <fpage>1806</fpage>&#x2013;<lpage>1815</lpage>, <year>2014</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-32"><label>[32]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>L.</given-names> <surname>Jin</surname></string-name>, <string-name><given-names>S.</given-names> <surname>Yu</surname></string-name> and <string-name><given-names>D.</given-names> <surname>Ren</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Circular formation control of multiagent systems with any preset phase arrangement</article-title>,&#x201D; <source>Journal of Control Science and Engineering</source>, vol. <volume>2018</volume>, pp. <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>11</lpage>, <year>2018</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-33"><label>[33]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>C.</given-names> <surname>Wang</surname></string-name>, <string-name><given-names>G.</given-names> <surname>Xie</surname></string-name> and <string-name><given-names>M.</given-names> <surname>Cao</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Forming circle formations of anonymous mobile agents with order preservation</article-title>,&#x201D; <source>IEEE Transactions on Automatic Control</source>, vol. <volume>58</volume>, no. <issue>12</issue>, pp. <fpage>3248</fpage>&#x2013;<lpage>3254</lpage>, <year>2013</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-34"><label>[34]</label><mixed-citation publication-type="conf-proc"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>I.</given-names> <surname>Chatzigiannakis</surname></string-name>, <string-name><given-names>M.</given-names> <surname>Markou</surname></string-name> and <string-name><given-names>S.</given-names> <surname>Nikoletseas</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Distributed circle formation for anonymous oblivious robots</article-title>,&#x201D; in <conf-name>Proc. Int. Workshop on Experimental and Efficient Algorithms</conf-name>, <conf-loc>Angra dos Reis, Brazil</conf-loc>, pp. <fpage>159</fpage>&#x2013;<lpage>174</lpage>, <year>2004</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-35"><label>[35]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>X.</given-names> <surname>Yu</surname></string-name>, <string-name><given-names>X.</given-names> <surname>Xu</surname></string-name>, <string-name><given-names>L.</given-names> <surname>Liu</surname></string-name> and <string-name><given-names>G.</given-names> <surname>Feng</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Circular formation of networked dynamic unicycles by a distributed dynamic control law</article-title>,&#x201D; <source>Automatica</source>, vol. <volume>89</volume>, pp. <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>7</lpage>, <year>2018</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-36"><label>[36]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>H.</given-names> <surname>Litimein</surname></string-name>, <string-name><given-names>Z. Y.</given-names> <surname>Huang</surname></string-name> and <string-name><given-names>A.</given-names> <surname>Hamza</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>A survey on techniques in the circular formation of multi-agent systems</article-title>,&#x201D; <source>Electronics</source>, vol. <volume>10</volume>, no. <issue>23</issue>, pp. <fpage>2959</fpage>, <year>2021</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-37"><label>[37]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>J.</given-names> <surname>Seo</surname></string-name>, <string-name><given-names>Y.</given-names> <surname>Kim</surname></string-name>, <string-name><given-names>S.</given-names> <surname>Kim</surname></string-name> and <string-name><given-names>A.</given-names> <surname>Tsourdos</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Collision avoidance strategies for unmanned aerial vehicles in formation flight</article-title>,&#x201D; <source>IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems</source>, vol. <volume>53</volume>, no. <issue>6</issue>, pp. <fpage>2718</fpage>&#x2013;<lpage>2734</lpage>, <year>2017</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-38"><label>[38]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>Q.</given-names> <surname>Shi</surname></string-name>, <string-name><given-names>T.</given-names> <surname>Li</surname></string-name>, <string-name><given-names>J.</given-names> <surname>Li</surname></string-name>, <string-name><given-names>C. P.</given-names> <surname>Chen</surname></string-name>, <string-name><given-names>Y.</given-names> <surname>Xiao</surname></string-name> <etal>et al.,</etal></person-group> &#x201C;<article-title>Adaptive leader-following formation control with collision avoidance for a class of second-order nonlinear multi-agent systems</article-title>,&#x201D; <source>Neurocomputing</source>, vol. <volume>350</volume>, pp. <fpage>282</fpage>&#x2013;<lpage>290</lpage>, <year>2019</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-39"><label>[39]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>S.</given-names> <surname>Yang</surname></string-name>, <string-name><given-names>W.</given-names> <surname>Bai</surname></string-name>, <string-name><given-names>T.</given-names> <surname>Li</surname></string-name>, <string-name><given-names>Q.</given-names> <surname>Shi</surname></string-name>, <string-name><given-names>Y.</given-names> <surname>Yang</surname></string-name> <etal>et al.,</etal></person-group> &#x201C;<article-title>Neural-network-based formation control with collision, obstacle avoidance and connectivity maintenance for a class of second-order nonlinear multi-agent systems</article-title>,&#x201D; <source>Neurocomputing</source>, vol. <volume>439</volume>, pp. <fpage>243</fpage>&#x2013;<lpage>255</lpage>, <year>2021</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-40"><label>[40]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>J.</given-names> <surname>Wen</surname></string-name>, <string-name><given-names>C.</given-names> <surname>Wang</surname></string-name> and <string-name><given-names>G.</given-names> <surname>Xie</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Asynchronous distributed event-triggered circle formation of multi-agent systems</article-title>,&#x201D; <source>Neurocomputing</source>, vol. <volume>295</volume>, pp. <fpage>118</fpage>&#x2013;<lpage>126</lpage>, <year>2018</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-41"><label>[41]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>I.</given-names> <surname>Sar&#x0131;&#x00E7;i&#x00E7;ek</surname></string-name> and <string-name><given-names>Y.</given-names> <surname>Akku&#x015F;</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Unmanned aerial vehicle hub-location and routing for monitoring geographic borders</article-title>,&#x201D; <source>Applied Mathematical Modelling</source>, vol. <volume>39</volume>, no. <issue>14</issue>, pp. <fpage>3939</fpage>&#x2013;<lpage>3953</lpage>, <year>2015</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-42"><label>[42]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>S.</given-names> <surname>Daingade</surname></string-name>, <string-name><given-names>A.</given-names> <surname>Sinha</surname></string-name>, <string-name><given-names>A. V.</given-names> <surname>Borkar</surname></string-name> and <string-name><given-names>H.</given-names> <surname>Arya</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>A variant of cyclic pursuit for target tracking applications: Theory and implementation</article-title>,&#x201D; <source>Autonomous Robots</source>, vol. <volume>40</volume>, no. <issue>4</issue>, pp. <fpage>669</fpage>&#x2013;<lpage>686</lpage>, <year>2016</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-43"><label>[43]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>C.</given-names> <surname>Wang</surname></string-name>, <string-name><given-names>G.</given-names> <surname>Xie</surname></string-name> and <string-name><given-names>M.</given-names> <surname>Cao</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Controlling anonymous mobile agents with unidirectional locomotion to form formations on a circle</article-title>,&#x201D; <source>Automatica</source>, vol. <volume>50</volume>, no. <issue>4</issue>, pp. <fpage>1100</fpage>&#x2013;<lpage>1108</lpage>, <year>2014</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-44"><label>[44]</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>C.</given-names> <surname>Godsil</surname></string-name> and <string-name><given-names>G.</given-names> <surname>Royle</surname></string-name></person-group>, in <source>Algebraic Graph Theory</source>, <publisher-loc>New York</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name>, <year>2001</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-45"><label>[45]</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>D. S.</given-names> <surname>Bernste</surname></string-name></person-group>in, <source>Matrix Mathematics: Theory, Facts, and Formulas</source>, <publisher-name>Princeton, NJ, USA: Princeton University Press</publisher-name>, <year>2009</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-46"><label>[46]</label><mixed-citation publication-type="conf-proc"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>W.</given-names> <surname>Ren</surname></string-name>, <string-name><given-names>R. W.</given-names> <surname>Beard</surname></string-name> and <string-name><given-names>E. M.</given-names> <surname>Atkins</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>A survey of consensus problems in multi-agent coordination</article-title>,&#x201D; in <conf-name>Proc. IEEE American Control Conf.</conf-name>, <conf-loc>Portland, OR, USA</conf-loc>, pp. <fpage>1859</fpage>&#x2013;<lpage>1864</lpage>, <year>2005</year>.</mixed-citation></ref>
</ref-list>
<app-group id="appg1">
<app id="app1">
<label> </label>
<p><bold>Appendix A</bold></p>
<p>From <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-12">Eq. (12)</xref>, we have
<disp-formula id="ueqn-71">
<mml:math id="mml-ueqn-71" display="block"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>Let <inline-formula id="ieqn-200"><mml:math id="mml-ieqn-200"><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Let <inline-formula id="ieqn-201"><mml:math id="mml-ieqn-201"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0.5</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-202"><mml:math id="mml-ieqn-202"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula> one can obtain
<disp-formula id="ueqn-72">
<mml:math id="mml-ueqn-72" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>For a system solution for a single agent, the system will be of the form
<disp-formula id="ueqn-73">
<mml:math id="mml-ueqn-73" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>Let <inline-formula id="ieqn-203"><mml:math id="mml-ieqn-203"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> . Let <inline-formula id="ieqn-204"><mml:math id="mml-ieqn-204"><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, it yields that
<disp-formula id="ueqn-74">
<mml:math id="mml-ueqn-74" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>Let <italic>J</italic> be the Jordan form of the matrix associated with laplacian <inline-formula id="ieqn-205"><mml:math id="mml-ieqn-205"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We have <inline-formula id="ieqn-206"><mml:math id="mml-ieqn-206"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> for <italic>P</italic> invertible matrix. Consider <inline-formula id="ieqn-207"><mml:math id="mml-ieqn-207"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The derivative of <italic>h</italic> is given as
<disp-formula id="ueqn-75">
<mml:math id="mml-ueqn-75" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="ueqn-76">
<mml:math id="mml-ueqn-76" display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>such that <inline-formula id="ieqn-208"><mml:math id="mml-ieqn-208"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
<p><bold>Remark 6.</bold> <italic>For a directed graph</italic> <inline-formula id="ieqn-209"><mml:math id="mml-ieqn-209"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A2;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <italic>such that</italic> <inline-formula id="ieqn-210"><mml:math id="mml-ieqn-210"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> <italic>complex eigenvalues of Laplacian would be complex and</italic> <inline-formula id="ieqn-211"><mml:math id="mml-ieqn-211"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <italic>where</italic> <inline-formula id="ieqn-212"><mml:math id="mml-ieqn-212"><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x22F1;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22F1;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22F1;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <italic>such that</italic> <inline-formula id="ieqn-213"><mml:math id="mml-ieqn-213"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> <italic>complex eigenvalues.</italic></p>
<p>Let <inline-formula id="ieqn-214"><mml:math id="mml-ieqn-214"><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-215"><mml:math id="mml-ieqn-215"><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-216"><mml:math id="mml-ieqn-216"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-217"><mml:math id="mml-ieqn-217"><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, it yields that <inline-formula id="ieqn-218"><mml:math id="mml-ieqn-218"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:math></inline-formula>. For a directed graph with a spanning tree <inline-formula id="ieqn-219"><mml:math id="mml-ieqn-219"><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msub><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msqrt><mml:mi>n</mml:mi></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-220"><mml:math id="mml-ieqn-220"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula>. To achieve the desired formation, <italic>h</italic> must satisfy <inline-formula id="ieqn-221"><mml:math id="mml-ieqn-221"><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2225;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2225;&#x2192;</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:math></inline-formula>. In fact, we have
<disp-formula id="ueqn-77">
<mml:math id="mml-ueqn-77" display="block"><mml:munder><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">lim</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2225;</mml:mo><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mi>N</mml:mi></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>&#x2225;=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">lim</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2225;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mi>N</mml:mi></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>&#x2225;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>if <inline-formula id="ieqn-222"><mml:math id="mml-ieqn-222"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula>, then one can obtain that <inline-formula id="ieqn-223"><mml:math id="mml-ieqn-223"><mml:mo stretchy="false">&#x2225;</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x2225;=&#x2225;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mo>&#x2225;&#x2192;&#x2225;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2225;=</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula id="ieqn-224"><mml:math id="mml-ieqn-224"><mml:msup><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is complex. Thus, <inline-formula id="ieqn-225"><mml:math id="mml-ieqn-225"><mml:munder><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">lim</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2225;</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x2225;=</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></inline-formula></p>
<p>For an asymptotically stable system <inline-formula id="ieqn-226"><mml:math id="mml-ieqn-226"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> agents are asymptotically stable. Consensus is reached for the second-order multi-agent system with constant position and velocity for <inline-formula id="ieqn-227"><mml:math id="mml-ieqn-227"><mml:msup><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> such that <inline-formula id="ieqn-228"><mml:math id="mml-ieqn-228"><mml:munder><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">lim</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2225;</mml:mo><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mo>&#x2225;=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-229"><mml:math id="mml-ieqn-229"><mml:msub><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:msub><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-230"><mml:math id="mml-ieqn-230"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, i.e., <inline-formula id="ieqn-231"><mml:math id="mml-ieqn-231"><mml:mo stretchy="false">&#x2225;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2225;=</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-232"><mml:math id="mml-ieqn-232"><mml:mo stretchy="false">&#x2225;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2225;=</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>Therefore, it implies that</p>
<p><inline-formula id="ieqn-233"><mml:math id="mml-ieqn-233"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula id="ieqn-234"><mml:math id="mml-ieqn-234"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-235"><mml:math id="mml-ieqn-235"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext></mml:math></inline-formula> such that <inline-formula id="ieqn-236"><mml:math id="mml-ieqn-236"><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>.</p>
</app>
</app-group>
</back>
</article>