一种多智能体集群系统自适应固定时间仿射编队控制方法

技术领域

本发明涉及多智能体集群系统编队控制技术领域，具体涉及一种多智能体集群系统自适应固定时间仿射编队控制方法。

背景技术

多智能体集群系统是由多个智能体组成的一种复杂网络系统，这些智能体可以相互交互和协作，以完成某项任务或达成某个目标。在集群系统中，各个智能体之间可以通过通信进行信息传递和共享资源，从而实现分布式处理和决策。这些智能体可以是无人机、机器人、传感器等不同类型的设备，它们通过互相协作，在特定的环境中实现了高效的数据收集、处理和控制等任务。由于其具有高度的可扩展性、自适应性和鲁棒性，多智能体集群系统在日常生活中的应用越来越广泛，比如在无人驾驶汽车、航空飞行控制、医疗诊断和环境监测等方面都有着重要的应用。

在多智能体集群系统的控制任务中，编队控制一直是该领域研究中的热门，其中仿射编队控制问题又是近些年来较为新颖的问题，编队控制可以通过选择适当的通信网络拓扑实现系统的信息交互使得智能体的未知状态不断发生变化，从而形成实际需要的编队构型。除此之外，收敛速度也是编队控制算法中的一个重要评价指标。相较于不可预计稳定时间的控制算法，固定时间编队控制算法会更受欢迎，因为这种算法更符合实际应用的需求。固定时间编队控制算法也存在不足，如会面临拓扑结构下的全局信息不能够轻易获取的问题，如何克服这个不足，使得该类问题的控制器的设计变得值得推敲。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种多智能体集群系统自适应固定时间仿射编队控制方法，将仿射编队控制技术与自适应算法和固定时间算法结合，以解决现有技术中集群智能系统在编队过程中鲁棒性不足和可靠性难以保证的问题，从而提高多智能体集群系统的编队效率和鲁棒性，同时能够更加快速准确地对集群智能系统进行编队。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种多智能体集群系统自适应固定时间仿射编队控制方法，包括以下步骤：

S1、设定仿射编队形成时间和一类时间函数，并构造一类时间函数增益；

S2、根据一类时间函数增益、多智能体集群系统中智能体之间的通信关系以及目标编队构型确定分布式自适应固定时间仿射编队控制率；

S3、利用分布式自适应固定时间仿射编队控制率对多智能体集群系统进行编队控制。

进一步地，步骤S1中设定的一类时间函数具体为：

其中，

进一步地，步骤S1中构造的一类时间函数增益具体为：

其中，

进一步地，步骤S2具体包括：

根据一类时间函数增益、多智能体集群系统中智能体之间的通信关系以及目标编队构型确定leaderless系统的分布式自适应固定时间仿射编队控制率。

进一步地，所述leaderless系统的分布式自适应固定时间仿射编队控制率具体为：

其中，

进一步地，步骤S2具体包括：

根据一类时间函数增益、多智能体集群系统中智能体之间的通信关系以及目标编队构型确定Leader-follower系统的分布式自适应固定时间仿射编队控制率。

进一步地，所述Leader-follower系统的分布式自适应固定时间仿射编队控制率具体为：

其中，

本发明具有以下有益效果：

本发明通过将仿射编队控制与自适应技术和固定时间技术相结合，解决了编队中的两大主要分支leaderless系统和leader-follower系统的仿射编队控制问题。相较传统的编队控制方法，本发明提高多智能体集群系统的编队效率和鲁棒性，同时能够更加快速准确地对集群智能系统进行编队，更有利于编队控制问题的解决。

附图说明

图1为本发明实施例中一种多智能体集群系统自适应固定时间仿射编队控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中需要形成的目标编队构型示意图；

图3为本发明实施例中针对leaderless多智能体集群系统中各智能体在形成目标编队过程中的运动轨迹示意图；

图4为本发明实施例中针对leader-follower多智能体集群系统中各智能体在形成目标编队过程中的运动轨迹示意图；

图5为本发明实施例中自适应控制增益

图6为本发明实施例中自适应控制增益

图7为本发明实施例中自适应控制增益

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，本发明实施例提供了一种多智能体集群系统自适应固定时间仿射编队控制方法，包括以下步骤S1至S3：

S1、设定仿射编队形成时间和一类时间函数，并构造一类时间函数增益；

在本发明的一个可选实施例中，本实施例针对的多智能体集群系统是由多个以一阶积分器为动力学模型的智能体组成的系统。

在本实施例中，步骤S1中设定的一类时间函数具体为：

其中，

本实施例在对智能体进行编队时，需要编队形成的判断标准，首先对编队误差和跟踪误差进行定义：

编队误差定义为：

其中，

针对Leader-follower系统，跟随者的跟踪误差定义为：

其中，

编队任务成功时满足如下条件：

或者/>

在本实施例中，步骤S1中构造的一类时间函数增益具体为：

其中，

具体而言，根据一个具体的编队任务需求，设定TBG函数为：

其中，

对应的TBG增益的设计如下：

。

S2、根据一类时间函数增益、多智能体集群系统中智能体之间的通信关系以及目标编队构型确定分布式自适应固定时间仿射编队控制率；

在本发明的一个可选实施例中，本实施例的目标编队构型是通过对不同的实际编队任务需求进行分析后，有针对性地设计的。对于leaderless系统，多智能体集群系统的通信关系具体为每个智能体只与特定智能体发生通信交互。对于leader-follower系统，多智能体集群系统的通信关系具体为：领导者只发送信息不接受信息，跟随者不仅发送自己的消息还接收特定智能体发出的信息。

在本实施例中，根据一类时间函数增益、多智能体集群系统中智能体之间的通信关系以及目标编队构型确定leaderless系统的分布式自适应固定时间仿射编队控制率具体为：

其中，

在本实施例中，根据一类时间函数增益、多智能体集群系统中智能体之间的通信关系以及目标编队构型确定Leader-follower系统的分布式自适应固定时间仿射编队控制率具体为：

其中，

S3、利用分布式自适应固定时间仿射编队控制率对多智能体集群系统进行编队控制。

为了验证本实施例提供的一种多智能体集群系统自适应固定时间仿射编队控制方法，在具体应用场景中，进行本实施例的可行性分析。

首先对leaderless系统进行分析，构造李雅普诺夫函数如下式：

其中，

利用针对leaderless系统的控制率可以得到

其中，

随后可以得到其编队误差有如下表达式：

其中，

当将参数

接下来，对leader-follower系统进行分析，构造李雅普诺夫函数如下式：

其中，

利用发明的针对leader-follower系统的控制器可以得到

其中，

随后可以得到其跟踪误差有如下表达式：

其中，

当将参数

下面针对本实施例设计的控制器进行实例仿真，以验证本发明中的控制器的有效性。

(1)群智系统及编队构型设置：

利用以6个智能体组成的多智能体集群系统为例，模拟仿真其在二维空间下执行固定时间编队任务，期望的标称构型如图2所示。

Leaderless系统中各个智能体的初始位置如下表1：

表1

Leader-follower系统中各个智能体的初始位置如下表2：

表2

假定任务需求的固定时间

如图3和图4，其中x（m）表示x方向上的位置信息，y（m）代表y方向上的位置信息，Time（s）表示时间；从图3和图4可以看出，不论是对leaderless系统还是leader-follower系统，利用本实施例的控制器可以使以6个智能体组成的多智能体集群系统在固定时间内实现编队任务。由图4进一步可以看出，该控制方法不仅可以在固定时间内实现编队，同时还可以在固定时间后保持目标编队。

图5、图6和图7描述了自适应控制增益

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。