【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于集群编队协调，具体涉及一种基于通视约束的相似约束型编队三角级联设计方法，用于多智能体利用视觉感知信息实现编队协同。
技术介绍
1、为克服电磁通信易受电磁干扰的缺点，多智能体集群编队不断拓展感知和交互信息的手段。近年来，视觉图像处理技术发展迅速，在无人系统导航、人脸识别、远程智慧医疗等领域已经成功应用于商业。相对于电磁通信，视觉感知具有天然的抗电磁干扰优势，可为集群编队提供协同需要的相邻智能体信息。然后，视觉无遮挡，即通视约束是集群编队各智能体利用视觉稳定获悉相邻智能体状态信息的基本前提。为此，必须在编队设计和控制时将这一约束考虑在内。
2、编队形成与切换是集群编队设计与控制解决的基本问题。编队构型切换过程中，各智能体的切换航迹因智能体执行机构控制的非理想特性和外部运动环境的干扰而存在不可预测性，各智能体对相邻智能体的视觉观测存在短时遮挡的可能性。短时遮挡情况下，可通过提升视觉处理算法的鲁棒性，并结合相邻智能体运动状态变化的连续性，预测递推相邻智能体状态，降低视线遮挡引发的安全隐患。对于编队形成过程，相邻智能体在期望编队构型下的通视约束条件满足，是确保整个过程最小化视线遮挡可能性的前提。传统的编队设计方法面向电磁通信，不存在通视约束的条件，因此，采用传统方法设计的编队构型难以确保相邻智能体的通视约束条件满足。
3、本专利技术结合视觉信息感知的特点，提出了一种三角级联形式的相似约束编队设计与控制方法，不仅可以满足通视约束，还可以利用相似特性赋予编队平移、伸缩和旋转等基本机动能力，降低对通信交互信
技术实现思路
1、(一)专利技术目的
2、本专利技术的目的是提供一种三角级联相似约束型编队设计与控制方法，不仅解决视觉编队视线遮挡的问题，同时也降低各智能体编队协同需要感知的信息量，实现仅基于本地测量信息的编队协同控制，提升各智能体控制的独立性。
3、(二)技术方案
4、为达到上述目的，解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下；
5、基于通视约束的三角级联相似约束型编队设计与控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
6、步骤1：定义期望构型下智能体间的相对位置关系
7、定义北东地坐标系og-xgygzg作为表述期望编队网络构型的惯性参考坐标系，其中原点og为集群编队执行任务的起点位置，xg轴以正北方向为正向、yg轴以正东方向为正向，zg轴以垂直于当地水平面向下为正向；记期望构型下i号智能体和j号智能体在og-xgygzg坐标系下的位置为和i号智能体相对于j号智能体的连线边和单位方向向量定义如下：
8、
9、其中表示矢量边的长度；将期望构型下任意两智能体间的连线边位置矢量或者单位方向向量形成的约束集合作为编队控制的约束，则各智能体在编队控制作用下会收敛到期望编队构型；
10、步骤2：确定各智能体的相邻智能体
11、选定期望集群编队构型下3个智能体连线形成的包络为基准三角形，将该3个智能体编号为1号智能体、2号智能体和3号智能体；针对此基准三角形，定义1号智能体为2号智能体的相邻智能体，1号和2号智能体为3号智能体的相邻智能体；为避免各智能体视觉感知相邻智能体状态时出现视线遮挡，要求该基准三角形δ123的内部位置区域不包含任意其它智能体i；同时为降低编队控制律设计的复杂度，要求该3智能体位置非共线；数学上，将基准三角形δ123的定义约束表示为：
12、
13、式中&&表示逻辑运算关系且，式中θ表示夹角，下标编号对应相应智能体，夹角θx,yz表示x号智能体与y号智能体与z号智能体位置连线边的夹角，θx,yz∈(0,π)；
14、定义基准三角形δ123的层级0；结合集群编队期望网络构型，以基准三角形δ123的边为基准边向外拓展，与空间位置上相近的智能体形成新的三角形，该新三角形的层级为1；假设4号智能体以基准三角形δ123的边为基准边构建1级三角形δ124，即4号智能体以1号和2号智能体为相邻智能体；与基准三角形的定义约束相同，为满足通视约束和降低编队控制复杂度，δ124的定义需满足：
15、
16、式中夹角θx,yz∈(0,π)；
17、依此法类推，构造2级、3级和4级各级三角形，直至为集群中各智能体均定义了相邻智能体和对应层级的三角形；
18、步骤3：定义各智能体的本地坐标系
19、结合级联三角形的定义确定各智能体的本地坐标系；
20、定义级联三角形δijk的本地坐标系oijk-xijkyijkzijk，其以期望构型下i号智能体位置为原点，以边对应方向为xijk轴，方向为zijk轴，yijk轴按右手定则确定；相应，xijk、yijk和zijk轴的单位方向向量和表示为如下形式：
21、
22、相应得其与北东地坐标系的转换矩阵为
23、
24、步骤4：确定各智能体与相邻智能体的相对方位关系
25、为便于各智能体仅基于本地测量的视觉感知信息实现编队控制，将与相邻智能体的几何约束关系由北东地坐标系下转化到本地坐标系；
26、定义q级三角形δijk的基准坐标系oijk-xijkyijkzijk，其与世界关系坐标系的转换矩阵为三角形δijl是针对l号智能体以边为基准边的构造q+1级级联三角形；在期望构型下l号智能体相对i号和j号两相邻智能体的相对方位写成：
27、
28、根据q级三角形δijk的基准坐标系oijk-xijkyijkzijk与北东地坐标系的转换矩阵得l号智能体相对i号和j号两相邻智能体在本地坐标系oijk-xijkyijkzijk下的期望相对方位约束和
29、
30、步骤5：设计负梯度控制律
31、记2号智能体相对于1号智能的期望相对方位为和距离则设计如下负梯度控制律能够引导整个编队收敛到期望方位和尺度：
32、
33、其中
34、
35、ux,g表示x号智能体在北东地坐标系下的编队控制指令，和定义与步骤1相同，lxy,g表示当前时刻x号智能体相对于y号智能体的相对位置矢量，定义与步骤3相同，k3和km均为大于0的比例系数，i为单位矩阵；
36、各智能体能够基于本地测量信息生成控制指令，并在控制指令作用下使得整个编队收敛到期望构型、期望尺度和期望方位。
37、(三)有效收益
38、和现有技术相比，本专利技术的有效收益如下：
39、1.考虑视觉智能体编队的通视约束，提出了一种基于三角级联的编队构型设计方法，将复杂形状的期望编队构型定义问题分解为最小三角编队单元的设计问题，确保各相邻智能体间无其它智能体，满足了智能体感知相邻智能体间的无视线遮挡约束。
40、2.针对三角级联编队，提出了一种基于本地视觉测量信息的控制方法，摆脱了本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于通视约束的三角级联相似约束型编队设计与控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于通视约束的三角级联相似约束型编队设计与控制方法，其特征在于，所述步骤2中实际构造1级三角形的数量由期望构型下各智能体位置散布决定。
3.根据权利要求1所述的基于通视约束的三角级联相似约束型编队设计与控制方法，其特征在于，所述步骤2中以Δ123的三条边为基准边最多构造三个1级三角形，1号2号智能体为相邻智能体的三角形，1号和3号智能体为相邻智能体的三角形，2号和3号智能体为相邻智能体的三角形。
4.根据权利要求1所述的基于通视约束的三角级联相似约束型编队设计与控制方法，其特征在于，所述步骤4各智能体能够利用其对应的本地坐标系将北东地惯性坐标系下的编队构型几何约束转化为本地坐标系；集群编队伸缩时智能体间的相对方位不变，能够消除集群编队伸缩机动时对利用视觉协调几何约束的需求。
5.根据权利要求1所述的基于通视约束的三角级联相似约束型编队设计与控制方法，其特征在于，所述步骤4各智能体是在其上一级级联三角形对应的本地坐标系下定义
...【技术特征摘要】
1.基于通视约束的三角级联相似约束型编队设计与控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于通视约束的三角级联相似约束型编队设计与控制方法，其特征在于，所述步骤2中实际构造1级三角形的数量由期望构型下各智能体位置散布决定。
3.根据权利要求1所述的基于通视约束的三角级联相似约束型编队设计与控制方法，其特征在于，所述步骤2中以δ123的三条边为基准边最多构造三个1级三角形，1号2号智能体为相邻智能体的三角形，1号和3号智能体为相邻智能体的三角形，2号和3号智能体为相邻智能体的三角形。
4.根据权利要求1所述的基于通...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈磊，谢年好，苏文山，吕良，孟志鹏，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。