通讯与计算资源受限的多无人平台协同控制方法及系统

技术领域

本发明实施例涉及多智能体一致性控制领域，特别涉及通讯与计算资源受限的多无人平台协同控制方法及系统。

背景技术

在无人平台集群控制领域，根据无人平台的机理进行建模得到系统模型是实现控制目标的第一步，同时也是最为重要的基础，建模得到的模型反映无人平台特性的完成度高低直接影响了后续控制方法的有效性以及控制精度。现有的发明专利(CN 114326818B)，解决了一致性问题，但是其转化的无人机模型简化为一阶线性模型，模型过于简单，没有考虑无人机内部复杂的耦合和动力学方程，在实际应用中控制精度效果不佳。发明专利(CN113433955 B)将无人艇模型转化为参数完全已知的欧拉拉格朗日系统，随着无人平台的模型和所处环境日益复杂，以上专利展示的控制技术均不具备对模型不确定性的自适应能力，使得其应用范围大幅减小。

在工程实践过程中，人们发现由于传感器的探测范围或者网络通讯范围的限制。所以事实上，多无人平台只能在一定的距离内进行信息交互，上述列出以及现有的绝大多数发明均没有考虑到在这种实际背景下多无人平台的拓扑。这种拓扑要求系统在演化过程中始终保持连通，一种充分条件是保持初始拓扑的连通性，即初始已连接的两个无人平台的距离不会超过实际的通讯半径。

一种保持初始拓扑连通性的方法是势能函数法。而传统的势能函数法由于其方法的局限性，往往依赖于连续通讯条件以防止拓扑连通性质的破坏。而这种连续通讯要求两个无人平台在极短时间内的数据交互极大，而受限于雷达传感，视觉传感以及本地计算设备的性能，这样的条件往往在实际应用中很难达成，高频的通讯也会导致通讯及计算资源开销很大。

通过引入事件触发机制进行控制，也即事件触发控制方案，能够有效避免以上介绍的高频通讯问题，因为该控制方案仅在满足预设事件触发条件时更新控制信息。现有的发明专利(CN 114296342 B)就是采用了这种事件触发控制方案，但是正如前文提到的，结合无人平台上搭载的硬件设备特点，该专利发明同样不能完全保证无人平台始终能够处于理想通讯范围内。

综上，在受限于无人平台车载的雷达、传感器等通信设备精度与设备成本等因素的时代背景下，对于多无人平台的事件触发控制技术仍然存在无人平台间通讯连接难以保持以及在有限时间内事件可能被无限次触发(即常说的芝诺行为，也称Zeno现象)的两大关键技术难题，以及为了实现无人平台集群实现协同一致自动化控制的应用落地，国家亟需研制一种控制方案，使得所采用的无人平台集群利用成本较低的通信设备，分布式地与系统中的其他一个或数个无人平台建立稳定可靠的通信连接，并且希望在系统演化过程中，连接不会因为超出最大可容许通信范围而导致通信失败。上述希望实现的目标都是如今尚未完全成熟的技术难点和关键点所在。

发明内容

本申请的目的在于解决现有技术对多无人平台进行控制时的有效性和存在资源浪费的问题。

本申请提供通讯与计算资源受限的多无人平台协同控制方法，方法包括以下步骤：

步骤1、根据无人平台物理及动态特性，建立无人平台模型；

步骤2、根据无人平台之间的通信范围约束条件，确定带安全裕量的势能函数；

步骤3、基于步骤1和步骤2结合经典滑模控制方法得到在连通保持机制作用下每个无人平台的滑模控制器；

步骤4、基于步骤1、步骤2以及步骤3得到的无人平台模型和控制方法，首先确定事件触发误差和两个辅助变量，然后引入混合事件触发机制。

可选的，根据无人平台物理及动态特性，建立无人平台模型，包括：

对无人平台实际的位姿进行坐标转化，引入辅助位姿向量q

x和y即分别表示点在二维坐标系X-Y中的对应坐标；从而将其坐标从初始点C

其中

式(3)矩阵在L

对(2)求导并且将所得方程预乘以

其中

对(4)式乘以J

其中

可选的，据无人平台之间的通信范围约束条件，确定带安全裕量的势能函数，包括：

步骤2-1、对每个需要被控的无人平台按照从1到N的顺序进行标号，用集合

记无人平台i与无人平台j之间的时变通信权值为a

确定多无人平台的通信拓扑图为一个无向图，用集合

步骤2-2、确定无人平台之间的通信距离的约束，确定带安全裕量的势能函数：

其中

可选的，基于步骤1和步骤2结合经典滑模控制方法得到在连通保持机制作用下每个无人平台的滑模控制器，包括：

通过以下方法确定滑模面s

其中k

可选的，基于步骤1、步骤2以及步骤3得到的无人平台模型和控制方法，首先确定事件触发误差和两个辅助变量，然后引入混合事件触发机制，包括：

步骤4-1、分别记速度触发误差和位置触发误差为

步骤4-2、确定辅助变量：

其中k

其中

步骤4-3、设计混合事件触发机制：

其中T

本申请还提供一种通讯与计算资源受限的多无人平台集群协同控制系统，系统包括：

无人平台模型建立单元(1)，用于根据无人平台物理及动态特性，建立无人平台模型；

多无人平台通信拓扑图设计单元(2)，根据无人平台之间的通信范围约束条件，确定带安全裕量的势能函数；

多无人平台事件触发系统设计单元(3)，用于结合经典滑模控制方法得到在连通保持机制作用下每个无人平台的滑模控制器；

多无人平台一致性控制协议设计单元(4)，用于基于无人平台模型和控制方法，首先确定事件触发误差和两个辅助变量，然后引入混合事件触发机制。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

1)本发明充分利用了非完整无人平台建模相关内容，将其模型转化为含不确定参数的欧拉拉格朗日系统，使得在理论推导过程中的每个参数都具有明确的物理含义，并且本发明设计的控制信息可以直接转化为对应的物理量的控制，将理论与工程实践很好地结合在一起。

2)本发明提出了一种带安全裕量的势能函数形式，解决了无人平台如何保持初始通信拓扑连通的问题。

3)本发明设计了一种混合事件触发机制，节约了无人平台的通信及计算资源，从而节约了无人平台车载的软、硬件设备成本。

附图说明

图1为本发明所提出的通讯范围与计算资源受限的无人平台集群系统及协同控制方法流程示意图；

图2为本发明实施例使用的初始通信拓扑图；

图3为本发明实施例的无人平台位置变化图；

图4为本发明实施例的无人平台速度变化图；

图5为本发明实施例的无人平台控制变化图；

图6为本发明实施例的无人平台通信距离示意图；

图7为本发明实施例的无人平台事件触发时刻图；

图8为本发明的通讯范围与计算资源受限的无人平台集群系统及协同控制方法结构示意图。

具体实施方式

为使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明提供通讯与计算资源受限的多无人平台协同控制方法，就主要流程具体而言，所述方法包括：

本申请提供一种通讯与计算资源受限的多无人平台协同控制方法，方法包括以下步骤：

步骤1、根据无人平台物理及动态特性，建立无人平台模型；

步骤2、根据无人平台之间的通信范围约束条件，确定带安全裕量的势能函数；

步骤3、基于步骤1和步骤2结合经典滑模控制方法得到在连通保持机制作用下每个无人平台的滑模控制器；

步骤4、基于步骤1、步骤2以及步骤3得到的无人平台模型和控制方法，首先确定事件触发误差和两个辅助变量，然后引入混合事件触发机制。

可选的，根据无人平台物理及动态特性，建立无人平台模型，包括：

对无人平台实际的位姿进行坐标转化，引入辅助位姿向量q

x和y即分别表示点在二维坐标系X-Y中的对应坐标；从而将其坐标从初始点C

其中

式(3)矩阵在L

对(2)求导并且将所得方程预乘以

其中

对(4)式乘以J

其中

可选的，据无人平台之间的通信范围约束条件，确定带安全裕量的势能函数，包括：

步骤2-1、对每个需要被控的无人平台按照从1到N的顺序进行标号，用集合

记无人平台i与无人平台j之间的时变通信权值为a

确定多无人平台的通信拓扑图为一个无向图，用集合

步骤2-2、确定无人平台之间的通信距离的约束，确定带安全裕量的势能函数：

其中

可选的，基于步骤1和步骤2结合经典滑模控制方法得到在连通保持机制作用下每个无人平台的滑模控制器，包括：

通过以下方法确定滑模面s

其中k

可选的，基于步骤1、步骤2以及步骤3得到的无人平台模型和控制方法，首先确定事件触发误差和两个辅助变量，然后引入混合事件触发机制，包括：

步骤4-1、分别记速度触发误差和位置触发误差为

步骤4-2、确定辅助变量：

其中k

其中

步骤4-3、设计混合事件触发机制：

其中T

一种通讯与计算资源受限的多无人平台集群协同控制系统，系统包括：

无人平台模型建立单元(1)，用于根据无人平台物理及动态特性，建立无人平台模型；

多无人平台通信拓扑图设计单元(2)，根据无人平台之间的通信范围约束条件，确定带安全裕量的势能函数；

多无人平台事件触发系统设计单元(3)，用于结合经典滑模控制方法得到在连通保持机制作用下每个无人平台的滑模控制器；

多无人平台一致性控制协议设计单元(4)，用于基于无人平台模型和控制方法，首先确定事件触发误差和两个辅助变量，然后引入混合事件触发机制。

接下来以具体数据为例，将上述实施例方法中设计的事件触发一致性控制协议设计应用到具体的案例中，进一步验证本实例的准确性。

步骤1、根据上文给定的公式(16)中θ与q

给定初始位姿等控制方法涉及参数分别为

q

θ＝2.25,0.1,0.04,0.2,1

上式中涉及参数

步骤2、给定多无人平台的初始通信拓扑为无向连通图如图2所示，且初始化无人平台位姿信息为

且每个无人平台的初始速度为0,0

步骤3、按照步骤1、2所设计的控制器以及事件触发机制，最终得到实施例结果如图3～图7所示。图3描述了实施例的位置演化曲线最终可以趋于一致；图4描述了实施例的速度演化曲线最终在达到一致后可以趋于0；图5描述了实施例的各无人平台的控制输入都在一定的限制范围内，满足工程应用要求；图6描述了实施例的初始连接拓扑在演化过程中不会断连；图7描述了实施例在演化过程中的触发间隔满足预先设计的要求，且不会产生Zeno现象。

本申请具有以下优点：

本发明充分利用了非完整无人平台建模相关内容，将其模型转化为含不确定参数的欧拉拉格朗日系统，使得在理论推导过程中的每个参数都具有明确的物理含义，并且本发明设计的控制信息可以直接转化为对应的物理量的控制，将理论与工程实践很好地结合在一起。

本发明提出了一种带安全裕量的势能函数形式，解决了无人平台如何保持初始通信拓扑连通的问题。

本发明设计了一种混合事件触发机制，节约了无人平台的通信及计算资源，从而节约了无人平台车载的软、硬件设备成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限定本发明，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下所作的任何修改、改进和等同替换等，均包含在本发明的保护范围内。