非完整多智能体系统时变编队包含控制方法、装置和设备制造方法及图纸

本申请涉及多智能体编队控制技术领域的一种非完整多智能体系统的时变编队包含控制方法、装置和设备。所述方法中的非完整多智能体系统包括多个领导者和多个跟随者，其中只有领导者才能获得期望轨迹的信息。首先，将非完整系统的动力学模型线性化为二阶动力学模型；其次，基于期望的轨迹和编队模板，提出了FC控制协议，实现了非完整多智能体系统的时变编队包含控制，使领导领导者的平均位置和平均速度渐近收敛到期望轨迹，而跟随者收敛到领导者跨越的凸包，同时使整个系统的中心沿着所需的轨迹移动。FC控制协议仅根据期望轨迹和编队模板设计，没有指定期望编队中每个配置点的轨迹，这与现有技术相比更具适用性。这与现有技术相比更具适用性。这与现有技术相比更具适用性。

The time-varying formation of nonholonomic multi-agent system includes control methods, devices and equipment

【技术实现步骤摘要】
非完整多智能体系统时变编队包含控制方法、装置和设备


[0001]本申请涉及多智能体编队控制
，特别是涉及一种非完整多智能体系统时变编队包含控制方法、装置和设备。

技术介绍

[0002]近年来，多智能体系统的协同控制取得了快速进展，其中包含控制和编队控制是最基本和最复杂的问题。编队包含（FC）问题的目的是设计适当的协议，使领导者形成所需的几何结构（即所需的队形），并且跟随者的状态同时收敛到领导者跨越的凸包。FC控制为编队控制和包含控制提供了统一的框架，在无人机群系统编队控制、多卫星编队控制、多机器人协同等多个领域具有潜在应用。尽管已经对编队控制和包含控制问题进行了很多研究，但具有期望轨迹约束的非完整多智能体系统的FC控制问题仍然是开放和具有挑战性的。尽管非完整智能体的编队控制或包含控制已经取得了一些研究成果，但对非完整智能体的FC控制的研究仍然较少。
[0003]现有研究中在二阶多智能体系统的FC控制问题方面已经取得了一些成果。然而，这些FC的研究，也存在一些缺陷。一个缺点是整个系统的宏观运动无法得到有效控制，因为没有对期望轨迹的约束，这对于实践中的许多系统来说非常重要。例如，在一组移动机器人跨危险区域的协同运输应用中，除了完成给定的FC控制外，整个多机器人系统还应该跟踪期望的轨迹，使所有机器人都能避开危险区域并到达安全到达目的地。因此，出现了具有期望轨迹约束的 FC 控制。另一个缺点是大多数现有的研究工作都不是针对非完整智能体系统的。然而，现实中的许多实体，例如移动机器人和无人机，都受到非完整动力学的影响。另外需要提醒的是，上述作品中需要预先指定所需编队中各配置点的轨迹，与实际情况不符。

技术实现思路

[0004]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种非完整多智能体系统时变编队包含控制方法、装置和设备。
[0005]一种非完整多智能体系统时变编队包含控制方法，所述非完整多智能体系统包括：多个领导者和多个跟随者，其中，对于每个追随者，至少存在一个具有指向它的有向路径的领导者；每个领导者可以获得期望轨迹的信息，以及属于其邻居集的其他领导者的信息，并且每个追随者只能获得与之连接的领导者的信息，而不能获得期望轨迹的信息；所述方法包括：构建非完整多智能体系统中各非完整智能体的动力学方程；根据所述非完整多智能体系统中非完整智能体之间的通讯关系，构建所述非完整多智能体系统的通信拓扑图，并根据所述通信拓扑图得到非完整智能体之间的交互关系，并构建通信拓扑图的拉普拉斯矩阵。
[0006]所述领导者获取期望轨迹。
[0007]设置领导者的预定编队模板、编队参考点为预定编队模板的中心；并将所述预定
编队模板的中心定位在所述期望轨迹，并根据所述预定编队模板的中心构建一个虚拟领导者。
[0008]根据所述虚拟领导者、预定编队模板和非完整智能体之间的交互关系，构建具有期望轨迹约束的编队包含控制协议。
[0009]根据所述动力学方程及所述编队包含控制协议，构建所述非完整多智能体系统中编队控制以及包含控制的关系。
[0010]根据所述编队控制以及包含控制的关系控制所述非完整多智能体系统中非完整多智能体按照所述期望轨迹运动和所述预定编队模板运动。
[0011]一种非完整多智能体系统时变编队包含控制装置，所述非完整多智能体系统包括：多个领导者和多个跟随者，其中，对于每个跟随者，至少存在一个具有指向它的有向路径的领导者；每个领导者可以获得期望轨迹的信息，以及属于其邻居集的其他领导者的信息，并且每个跟随者只能获得与之连接的领导者的信息，而不能获得期望轨迹的信息；所述装置包括：非完整多智能体系统模型构建模块，用于构建非完整多智能体系统中各非完整智能体的动力学方程。
[0012]非完整多智能体系统的通信拓扑图确定模块，用于根据所述非完整多智能体系统中非完整智能体之间的通讯关系，构建所述非完整多智能体系统的通信拓扑图，并根据所述通信拓扑图得到非完整智能体之间的交互关系，并构建通信拓扑图的拉普拉斯矩阵。
[0013]获取期望轨迹和确定编队模板模块，用于所述领导者获取期望轨迹；设置领导者的预定编队模板、编队参考点为预定编队模板的中心；并将所述预定编队模板的中心定位在所述期望轨迹，并根据所述预定编队模板的中心构建一个虚拟领导者。
[0014]具有期望轨迹约束的编队包含控制协议构建模块，用于根据所述虚拟领导者、预定编队模板和非完整智能体之间的交互关系，构建具有期望轨迹约束的编队包含控制协议。
[0015]具有期望轨迹约束的编队包含控制实现模块，用于根据所述动力学方程及所述编队包含控制协议，构建所述非完整多智能体系统中编队控制以及包含控制的关系；根据所述编队控制以及包含控制的关系控制所述非完整多智能体系统中非完整多智能体按照所述期望轨迹运动和所述预定编队模板运动。
[0016]一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一方法的步骤。
[0017]上述非完整多智能体系统时变编队包含控制方法、装置和设备，所述方法中的非完整多智能体系统包括多个领导者和多个跟随者，其中只有领导者才能获得期望轨迹的信息。首先，将非完整系统的动力学模型线性化为二阶动力学模型；其次，基于期望的轨迹和编队模板，提出了FC控制协议，实现了非完整多智能体系统的时变编队包含控制，使领导领导者的平均位置和平均速度渐近收敛到期望轨迹，而跟随者收敛到领导者跨越的凸包，同时使整个系统的中心沿着所需的轨迹移动。FC控制协议仅根据期望轨迹和编队模板设计，没有指定期望编队中每个配置点的轨迹，这与现有技术相比更具适用性。
附图说明
[0018]图1为一个实施例中非完整多智能体系统时变编队包含控制方法的流程示意图；图2为一个实施例中一种关于A和M=6的六边形编队模板；图3为一个实施例中具有期望轨迹的编队包含控制问题示例；图4为另一个实施例中实验 1~3 中所有智能体的初始分布；图5为另一个实施例中实验1中非完整群系统的运动状态(t=0~31s)；图6为另一个实施例中实验2中非完整群系统的运动状态(t=0~44s)；图7为另一个实施例中实验3中非完整群系统的运动状态(t=0~32s)；图8为另一个实施例中编队跟踪误差与包含控制局部误差，其中（a）为编队跟踪误差，（b）为包含控制局部误差；图9为另一个实施例中所有领导者中心与全局轨迹的误差，其中(a)为速度误差， (b)为位置错误；图10为另一个实施例中实验1的可视化仿真结果，其中(a)为t=0.91s ，(b)为t=10.25s，(c)为t=22.93s，(d)为t=28.34s；图11为另一个实施例中实验2的可视化仿真结果，其中，(a) 为t=2.35s， (b) 为t=15.64s，(c) 为t=30.23s，(d) 为t=41.08s；图12为另一个实施例中实验3的可视化仿真结果，其中(a)为t=21.78s，(b)为t=31.56s；图13为一个实施例中非完整多智能体系统时变编队包含控制装置的结构框图；图1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非完整多智能体系统时变编队包含控制方法，其特征在于，所述非完整多智能体系统包括：多个领导者和多个跟随者，其中，对于每个追随者，至少存在一个具有指向它的有向路径的领导者；每个领导者可以获得期望轨迹的信息，以及属于其邻居集的其他领导者的信息，并且每个追随者只能获得与之连接的领导者的信息，而不能获得期望轨迹的信息；所述方法包括：构建非完整多智能体系统中各非完整智能体的动力学方程；根据所述非完整多智能体系统中非完整智能体之间的通讯关系，构建所述非完整多智能体系统的通信拓扑图，并根据所述通信拓扑图得到非完整智能体之间的交互关系，并构建通信拓扑图的拉普拉斯矩阵；所述领导者获取期望轨迹；设置领导者的预定编队模板、编队参考点为预定编队模板的中心；并将所述预定编队模板的中心定位在所述期望轨迹，并根据所述预定编队模板的中心构建一个虚拟领导者；根据所述虚拟领导者、预定编队模板和非完整智能体之间的交互关系，构建具有期望轨迹约束的编队包含控制协议；根据所述动力学方程及所述编队包含控制协议，构建所述非完整多智能体系统中编队控制以及包含控制的关系；根据所述编队控制以及包含控制的关系控制所述非完整多智能体系统中非完整多智能体按照所述期望轨迹运动和所述预定编队模板运动。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，构建非完整多智能体系统中各非完整智能体的动力学方程，步骤中非完整智能体的动力学方程为：其中，其中，i表示非完整多智能体的编号，t表示时刻，表示第i个智能体在t时刻的状态信息，表示第i个智能体在t时刻的控制输入，表示的导数，A和B分别为第i个非完整多智能体系统矩阵及输入矩阵，N为跟随者数量，M为领导者数量。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述虚拟领导者、预定编队模板和非完整智能体之间的交互关系，构建具有期望轨迹约束的编队包含控制协议，所述具有期望轨迹约束的编队包含控制协议的表达式为：其中，是常量矩阵，，，为第i个非完整智能体的状态，，表示领导智能体i与编队参考点之间的相对偏移向量，其中表示位置偏移，表示速度偏移，是第i个智能体和第j个智能体之间的
交互权重，是虚拟领导者的速度，为虚拟领导者的状态。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述具有期望轨迹约束的编队包含控制协议的表达式中的常量矩阵的求解方法包括：根据非完整智能体的动力学方程、非完整智能体之间的交互关系、预定编队模板以及虚拟领导者，构建编队模板和虚拟领导者形成时变编队的表达式，所述编队模板和虚拟领导者形成时变编队的表达式为：其中，为预定编队模板，，是虚拟领导者的速度导数，，为2阶单位矩阵，为通信拓扑图的子图的拉普拉斯矩阵，表示跟随者和领导者之间的交互关系，，为预定编队模板中第i个模板顶点的速度偏移，t为时刻，为M维所有元素都为1的列向量；根据编队模板和虚拟领导者形成时变编队的表达式，确定常量矩阵的值；定义正定复矩阵P，并根据常量矩阵和正定复矩阵P，构建代数Riccati方程，并对所述代数Riccati方程进行求解，得到正定复矩阵P的值；所述代数Riccati方程为：其中；根据正定复矩阵P、矩阵B以及两个预设的正常数，确定常量矩阵和；所述常量矩阵和的计算表达式为；的计算表达式为；其中，、为正常数，和
其中 和分别为与跟随者相关的对角矩阵和与领导者相关的对角矩阵，为通信拓扑图的子图的拉普拉斯矩阵，分别表示跟随者之间的交互关系、表示领导者之间的交互关系；为括号中矩阵的最大特征值，为括号中矩阵的最小特征值。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述与跟随者相关的对角矩阵是通过计算得到的；其中与跟随者相关的对角矩阵，为N维所有元素都为1的列向量；所述与领导...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷学强，李猛，陆丽娜，张万鹏，陈少飞，刘鸿福，韦占坤，刘运，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：