多智能体系统的有限时间时变编队跟踪控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种多智能体系统的有限时间时变编队跟踪控制方法及系统，涉及智能体系统时变编队跟踪控制领域，方法包括：建立异构非线性多智能体系统领导者和跟随者的动力学模型；构建具有未知输入的领导者的分布式有限时间状态观测器；利用自适应算法对所述跟随者的输出控制调节方程进行求解，得出跟随者的反馈控制律；在保证异构非线性多智能体系统在领导者未知输入的影响下实现有限时间输出时变编队控制的前提下引入一个额外变量；基于状态观测器、跟随者的反馈控制律和额外变量设计跟随者的时变编队控制协议。基于本发明专利技术的方案实现了针对异构非线性多智能体系统的有限时间一致性或编队跟踪控制。致性或编队跟踪控制。致性或编队跟踪控制。

【技术实现步骤摘要】
多智能体系统的有限时间时变编队跟踪控制方法及系统


[0001]本专利技术属于多智能体系统的编队跟踪控制
，具体涉及异构非线性多智能体系统的有限时间时变编队跟踪控制，基于有限时间观测器和自适应输出调节方法提出了一种新的分布式输出时变编队跟踪控制器。

技术介绍

[0002]多智能体系统的编队控制是目前控制领域的研究热点，在众多领域都具有重要应用前景。该技术融合了多传感器技术、通信技术和协同控制技术，相较于单个智能体，具有独特的优势。在自主驾驶车辆、卫星编队控制、海洋勘探、无人机编队等实际场景中，多智能体的编队和跟踪控制技术是实现典型任务的必要条件。因此，深入研究和广泛应用多智能体系统技术对促进这些领域的发展至关重要。
[0003]编队控制的主要目标是设计合适的控制器，使具有信息交互能力的智能体能根据任务要求实现所需的编队。目前在机器人领域已经提出了几种经典的编队控制方法并得到了验证，包括基于行为、虚拟结构和领导者
‑
跟随者的编队控制。然而，这些方法都有其自身的缺点，影响了多智能体系统的工作效率。例如，对于领导者
‑
跟随者的控制方式，如果领导者因各种因素导致不能工作，那么整个编队构型则无法维持。
[0004]随着一致性控制理论的进步，由于其鲁棒性强、计算量少、稳定性好，研究人员利用分布式一致性理论研究了多智能体的编队控制或编队跟踪问题。基于一致性的编队控制方法有很多，并且优点很多，值得注意的是，多智能体不仅需要形成所需的编队形状，而且还需要确保编队在实际情况下应在有限时间内跟踪领导者的状态轨迹。然而，目前的研究很多都集中在探讨固定形式的多智能体一致性跟踪问题或编队跟踪问题，但很少有研究探讨如何在有限时间内实现编队控制，对于一些实际应用，如编队穿透、协同探测等，可能需要多智能体的编队随时间变化。例如，无人水面舰艇需要快速变换编队形状才能通过狭窄的水道。此外，许多先前的研究都是基于同构系统的，而现实世界中，多智能体可能是由多种不同类型的智能机器人组成，因此探讨如何在异构非线性多智能体中实现形成跟踪控制也是十分必要的。因此，如何为异构多智能体系统设计合适的时变编队跟踪控制器具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供本一种多智能体系统的有限时间时变编队跟踪控制方法及系统，旨在解决实际应用中包含不同种类智能体的多智能体系统面临编队随时间变化的需求，即异构多智能体系统的有限时间一致性或编队跟踪控制。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]一种多智能体系统的有限时间时变编队跟踪控制方法，所述方法包括：
[0008]建立异构非线性多智能体系统领导者和跟随者的动力学模型；
[0009]基于所述动力学模型，构建具有未知输入的领导者的分布式有限时间状态观测
器，并利用所述状态观测器估计领导者状态和领导者系统矩阵；
[0010]基于所述状态观测器的观测结果，利用自适应算法对所述跟随者的输出控制调节方程进行求解，得出跟随者的反馈控制律；
[0011]引入一个额外变量；所述额外变量是在保证所述异构非线性多智能体系统在领导者未知输入的影响下实现有限时间输出时变编队控制的前提下提出的；
[0012]基于所述状态观测器的观测结果、所述跟随者的反馈控制律和所述额外变量设计所述跟随者的自适应有限时间输出时变编队控制协议；所述观测结果包括所述状态观测器估计领导者状态和领导者系统矩阵。
[0013]可选的，所述动力学模型包括跟随者动力学模型和领导者动力学模型；
[0014]所述跟随者动力学模型包括：
[0015][0016]y
i
(t)＝C
i
x
i
(t),
[0017]其中，i＝1，2，...，N；N为跟随者的个数；x
i
(t),y
i
(t),u
i
(t)分别表示跟随者i的状态、输出和控制输入向量；表示已知的第i个跟随者的固有非线性动力学方程；A
i
为跟随者i的动态矩阵；B
i
为跟随者i的控制输入矩阵；C
i
为跟随者i的输出矩阵；为x
i
(t)的一阶导。
[0018]所述领导者动力学模型包括：
[0019][0020]y0(t)＝Fx0(t)
[0021]其中，x0(t),y0(t)分别表示领导者的状态和输出；D为领导者的动态矩阵；E为领导者的外部控制输入矩阵；F为领导者的输出矩阵；为x0(t)的一阶导。
[0022]可选的，所述状态观测器的表达式为：
[0023][0024]其中，其中，
[0025]式中，η
i
(t)代表第i个跟随者在t时刻对领导者状态x0(t)的估计值；为η
i
(t)的一阶导；vec
‑1表示向量到矩阵的逆变换；sign()为符号函数；T表示转置；γ
i
＞0；ξ
i
(t)表示编队跟踪邻域误差；0＜β＜1；κ1,κ2,κ3,κ4分别表示正常数；0＜β1＜1,0＜β2＜1,0＜β3＜1,0＜β4＜1；＜1；D0＝vec(D),E0＝vec(E),F0＝vec(F)；w
ij
表示第j个领导者到第i个跟随者之间的通信权重，如果存在通信路径，则w
ij
＝1，否则w
ij
＝0；w
i0
表示第i个跟随者与领导者之间的权重；D0，E0，F0分别表示领导者的状态矩阵D，E，F的向量形式；D
i
(t)，E
i
(t)，F
i
(t)，d
i
分别表示第i个跟随者的
状态矩阵D，E，F和偏置d的估计值。
[0026]可选的，所述跟随者的输出控制调节方程包括第一调节方程、第二调节方程和恢复解真实参数的方程；
[0027]所述第一调节方程为：
[0028][0029]其中，(X
i
,U
i
)为满足第一调节方程的解，X
i
是跟随者i的状态反馈增益矩阵，U
i
是跟随者i的输入反馈增益矩阵；
[0030]第二调节方程为：
[0031]0＝B
i
R
i
‑
X
i
E
[0032]R
i
为满足第二调节方程的解，R
i
为跟随者i的跟踪所需参考信号的反馈增益矩阵；
[0033]恢复解真实参数的方程为：
[0034][0035]其中，0＜κ；0＜φ＜1；
[0036][0037]可选的，所述额外变量的表达式为：
[0038][0039]其中，为额外变量ζ
i
(t)的一阶导；表示坐标变换；φ
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多智能体系统的有限时间时变编队跟踪控制方法，其特征在于，所述方法包括：建立异构非线性多智能体系统领导者和跟随者的动力学模型；基于所述动力学模型，构建具有未知输入的领导者的分布式有限时间状态观测器，并利用所述状态观测器估计领导者状态和领导者系统矩阵；基于所述状态观测器的观测结果，利用自适应算法对所述跟随者的输出控制调节方程进行求解，得出跟随者的反馈控制律；引入一个额外变量；所述额外变量是在保证所述异构非线性多智能体系统在领导者未知输入的影响下实现有限时间输出时变编队控制的前提下提出的；基于所述状态观测器的观测结果、所述跟随者的反馈控制律和所述额外变量设计所述跟随者的自适应有限时间输出时变编队控制协议；所述观测结果包括所述状态观测器估计领导者状态和领导者系统矩阵。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动力学模型包括跟随者动力学模型和领导者动力学模型；所述跟随者动力学模型包括：y
i
(t)＝C
i
x
i
(t),其中，i＝1，2，...，N；N为跟随者的个数；x
i
(t),y
i
(t),u
i
(t)分别表示跟随者i的状态、输出和控制输入向量；表示已知的第i个跟随者的固有非线性动力学方程；A
i
为跟随者i的动态矩阵；B
i
为跟随者i的控制输入矩阵；C
i
为跟随者i的输出矩阵；为x
i
(t)的一阶导。所述领导者动力学模型包括：y0(t)＝Fx0(t)其中，x0(t),y0(t)分别表示领导者的状态和输出；D为领导者的动态矩阵；E为领导者的外部控制输入矩阵；F为领导者的输出矩阵；为x0(t)的一阶导。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述状态观测器的表达式为：其中，其中，式中，η
i
(t)代表第i个跟随者在t时刻对领导者状态x0(t)的估计值；为η
i
(t)的一阶导；vec
‑1表示向量到矩阵的逆变换；sign()为符号函数；T表示转置；γ
i
＞0；ξ
i
(t)表示编队跟踪邻域误差；0＜β＜1；κ1,κ2,κ3,κ4分别表示正常数；0＜β1＜1,0＜β2＜1,0＜β3＜1,0＜β4＜1；
D0＝vec(D),E0＝vec(E),F0＝vec(F)；w
ij
表示第j个领导者到第i个跟随者之间的通信权重，如果存在通信路径，则w
ij
＝1，否则w
ij
＝0；w
i0
表示第i个跟随者与领导者之间的权重；D0，E0，F0分别表示领导者的状态矩阵D，E，F的向量形式；D
i
(t)，E
i
(t)，F
i
(t)，d
i
分别表示第i个跟随者的状态矩阵D，E，F和偏置d的估计值。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述跟随者的输出控制调节方程包括第一调节方程、第二调节方程和恢复解真实参数的方程；所述第一调节方程为：其中，(X
i
,U
i
)为满足第一调节方程的解，Xi是跟随者i的状态反馈增益矩阵，U
i
是跟随者i的输入反馈增益矩阵；第二调节方...

【专利技术属性】
技术研发人员：董希旺，王庆，孔祥锡，化永朝，于江龙，任章，李清东，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：