一种基于约束跟随的集群系统编队避碰控制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于约束跟随的集群系统编队避碰控制方法，包括：建立集群系统的动力学方程；基于约束跟随的控制策略，提出编队避碰的约束条件；设计约束函数，使其能够同时完成紧凑编队、避碰，同时能解决由于集群系统个体数量增加而产生的维数灾难问题；基于约束函数获得相应的约束矩阵；对集群系统进行编队避碰控制设计，包括无不确定性和初始状态误差的标称系统控制设计以及不确定系统的控制设计；设计自适应律来估计不确定性对系统的综合影响。通过本发明专利技术的方法，集群系统能够在存在不确定性的情况下，实现紧凑编队和防撞，还能解决维数灾难的问题。解决维数灾难的问题。解决维数灾难的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于约束跟随的集群系统编队避碰控制方法


[0001]本专利技术涉及一种避免维数灾难的集群系统编队避碰方法，具体但不限于涉及一种基于约束跟随的控制策略、存在不确定性的集群系统编队避碰控制方法。

技术介绍

[0002]随着人工智能等信息技术的快速发展，作为集群智能涌现载体的集群系统，在民用领域催生了社会经济发展的新动力，在军事领域促进了现代化战争模式的重大变革。任务的复杂性决定了集群系统协同控制势必朝着智能化和自主化方向发展。
[0003]目前集群系统的协同控制具有众多研究分支，其中编队控制是其重要研究分支，在军事领域和民用领域具有广泛的应用前景。现有集群系统的编队控制方法主要有跟随领航者法、虚拟结构法、基于行为的方法、虚拟领航者法以及人工势场法的方法。其中，领航
‑
跟随法作为最基本的编队控制框架，很容易与其他方法(如势场法等)相结合，并应用模型预测控制、滑模控制等现代控制方法。虚拟结构法是每个无人机跟随一个移动的刚性结构上的固定点，它很好地避免了传统领航
‑
跟随法当全局领航者损毁后，整个编队面临瘫痪的问题。在基于行为的编队控制中，每个个体根据具体的任务形式(比如目标跟踪、队形保持、避碰避障等)都分配了一些基本的行为模式，整体编队布局的构造源于编队个体的行为模式和局部规则的设计。人工势场法借鉴了物理学中关于势场的概念，在集群的编队控制问题中，通过设计势场函数，使无人机收敛到期望的相对位置。另外，一个由多个智能体组成的集群系统是紧凑的，并且没有碰撞。这两项任务对于集群系统执行有效任务都很重要。然而，紧凑的队形意味着彼此靠近，而无碰撞意味着彼此远离，因此具有两种相反的性质。除了这两项任务外，还有(可能是快速的)时变不确定性，这对控制工程师来说是鲜为人知的，它是有界的，但界是未知的。除此之外，由于智能体的数量可能很大，因此在控制设计中还存在维度灾难，即约束的维数随着智能体个数的增加会不断扩展。尽管集群系统的编队控制方面已经取得了很多成就，但前方仍然存在挑战。
[0004]有鉴于此，需要提供一种新的控制方法，以期解决上述至少部分问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的一个或多个问题，本专利技术提出了一种基于约束跟随的集群系统编队避碰控制方法，基于约束跟随的控制策略，以编队和避碰两个性质相反的任务进行控制设计，同时解决不确定性和维数灾难的问题。
[0006]实现本专利技术目的的技术解决方案为：
[0007]一种基于约束跟随的集群系统编队避碰控制方法，包括：
[0008]S1、建立机械集群系统的动力学方程，所述机械集群系统由N个智能体组成，包括1个领导者和N
‑
1个跟随者，计算智能体之间的相对位置度量D
ih
，i、h为智能体的编号；
[0009]S2、基于约束跟随的控制策略，确定编队避碰的约束条件：为了满足避碰，则D
ih
(t)＞0；为了紧凑编队，则D
ih
(t)≤ν，其中，ν为任意小的常数；
[0010]S3、基于上述编队避碰的约束条件以及因集群系统个体数量增加而产生的维数灾难问题，设计一个约束函数E
ih
＝∑e
ih
，其中e
ih
为约束函数E
ih
的子项，令e
ih
＝0；
[0011]S4、基于上述约束函数获得相应的约束矩阵A
ih
,c
ih
,b
ih
，根据所述约束矩阵获得每个智能体的约束矩阵A
i
,c
i
,b
i
；
[0012]S5、基于紧凑编队、避碰和避免维度灾难，对集群系统进行编队避碰控制设计，包括无不确定性和初始状态误差的标称系统的控制设计p
i1
、以及不确定系统的控制设计p
i2
；
[0013]S6、设计自适应律估计不确定性对集群系统的综合影响，提出集群系统的自适应鲁棒控制τ
i
＝p
i1
+p
i2
。
[0014]进一步的，本专利技术的基于约束跟随的集群系统编队避碰控制方法，S1中机械集群系统的动力学方程为：
[0015][0016]其中，t∈R表示时间，q
i
∈R
n
为位置向量，为速度，为加速度，为不确定参数，可能是快速时变但有界，是紧凑的，表示σ
i
的可能边界，M
i
∈R
n
,M
i
＞0为惯性矩阵，C
i
∈R
n
是空气阻力，F
i
∈R
n
是收集滚动阻力、加速度阻力等外部扰动，且M
i
、C
i
和F
i
都是连续的。
[0017]进一步的，本专利技术的基于约束跟随的集群系统编队避碰控制方法，S1中计算智能体之间的相对位置度量的公式为：
[0018]D
ih
＝||q
i
(t)
‑
q
h
(t)||2‑
4R2,i,h∈{1,2,...N},i≠h
[0019]其中，R表示智能体的长或宽的一半，q
i
、q
h
分别为智能体i和智能体h的位置向量。
[0020]进一步的，本专利技术的基于约束跟随的集群系统编队避碰控制方法，S3中约束函数为：
[0021]E
ih
:＝[ln(||q1‑
q2||2‑
4R2)]2+...+[ln(||q1‑
q
n
||2‑
4R2)]2+...+[ln(||q
n
‑1‑
q
n
||2‑
4R2)]2[0022]其中，R表示智能体的长或宽的一半，q1,...,q
n
分别为智能体的位置向量。
[0023]进一步的，本专利技术的基于约束跟随的集群系统编队避碰控制方法，S4中获得每个智能体的约束矩阵A
i
,c
i
,b
i
具体包括：
[0024]S4
‑
1、对e
ih
求导得一阶导数和二阶导数分别为：
[0025][0026][0027]S4
‑
2、令分别得到：
[0028][0029][0030]S4
‑
3、将S4
‑
2中的公式转化为一般约束形式：
[0031][0032][0033]其中：
[0034][0035][0036][0037]S4
‑
4、根据A
ih
、c
ih
、b
ih...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于约束跟随的集群系统编队避碰控制方法，其特征在于，包括：S1、建立机械集群系统的动力学方程，所述机械集群系统由N个智能体组成，包括1个领导者和N
‑
1个跟随者，计算智能体之间的相对位置度量D
ih
，i、h为智能体的编号，i∈[1，N]，h∈[1，N]，且i≠h；S2、基于约束跟随的控制策略，确定编队避碰的约束条件：为了满足避碰，则D
ih
(t)＞0；为了紧凑编队，则D
ih
(t)≤ν，其中，ν为任意小的常数；S3、基于上述编队避碰的约束条件以及因集群系统个体数量增加而产生的维数灾难问题，设计一个约束函数E
ih
＝∑e
ih
，其中e
ih
为约束函数E
ih
的子项，令e
ih
＝0；S4、基于上述约束函数获得相应的约束矩阵A
ih
、c
ih
、b
ih
，根据所述约束矩阵获得每个智能体的约束矩阵A
i
、c
i
、b
i
；S5、基于紧凑编队、避碰和避免维度灾难，对集群系统进行编队避碰控制设计，包括无不确定性和初始状态误差的标称系统的控制设计p
i1
、以及不确定系统的控制设计p
i2
；S6、设计自适应律估计不确定性对集群系统的综合影响，提出集群系统的自适应鲁棒控制τ
i
＝p
i1
+p
i2
。2.根据权利要求1所述的基于约束跟随的集群系统编队避碰控制方法，其特征在于，S1中机械集群系统的动力学方程为：其中，t∈R表示时间，q
i
∈R
n
为位置向量，为速度，为加速度，为不确定参数，可能是快速时变但有界，是紧凑的，表示σ
i
的可能边界，M
i
∈R
n
,M
i
＞0为惯性矩阵，C
i
∈R
n
是空气阻力，F
i
∈R
n
是收集滚动阻力、加速度阻力等外部扰动，且M
i
、C
i
和F
i
都是连续的。3.根据权利要求1所述的基于约束跟随的集群系统编队避碰控制方法，其特征在于，S1中计算智能体之间的相对位置度量的公式为：D
ih
＝||q
i
(t)
‑
q
h
(t)||2‑
4R2,i,h∈{1,2,...N},i≠h其中，R表示智能体的长或宽的一半，q
i
、q
h
分别为智能体i和智能体h的位置向量。4.根据权利要求1所述的基于约束跟随的集群系统编队避碰控制方法，其特征在于，S3中约束函数为：E
ih
:＝[ln(||q1‑
q2||2‑
4R2)]2+...+[ln(||q1‑
q
n
||2‑
4R2)]2+...+[ln(||q
n
‑1‑
q
n
||2‑
4R2)]2其中，R表示智能体的长或宽的一半，q1,...,q
n
分别为智能体的位置向量，子项e
ih
:＝[ln(||q
i
‑
q
h
||2‑
4R2)]2。5.根据权利要求4所述的基于约束跟随的集群系统编队避碰控制方法，其特征在于，S4中获得每个智能体的约束矩阵A
i
、c
i
、b
i
具体包括以下步骤：S4
‑
1、对子项e
ih
求导得一阶导数和二阶导数分别为：
S4
‑
2、令一阶导数二阶导数分别得到：分别得到：S4
‑
3、将S4
‑
2中的公式转化为一般约束形式：2中的公式转化为一般约束形式：其中：其中：其中：S4
‑
4、根据A
ih
、c
ih
、b
ih
给出每个智能体i的约束矩阵的具体形式：如果i＝1，则：A
i
＝[A
i(i+1)
,A
i(i+2)
,

【专利技术属性】
技术研发人员：魏萃，王彩云，张泉灵，薄翠梅，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：