切换拓扑条件下的鲁棒簇同步性控制方法、系统及介质

技术领域

本发明涉及多智能体系统控制技术领域，具体涉及使用平均方法的动态切换拓扑条件下的簇同步性控制方法、系统及介质。

背景技术

多智能系统的许多现象可以通过复杂的动态网络来建模，例如生态系统、机器人网络、电网和神经网络；在实际应用中，有大量需要划分为不同部分的簇类同步问题。所谓簇类同步指的是多智能体分为多个类，每一类中的智能体都趋于同步，不同类之间的智能体不一定趋于同步。簇类同步问题是多智能体协同控制中的一个热门方向，具有一定的挑战性，也是多智能体控制中一个重要的方向。

在实际工程应用中，现根据任务要求以及外部环境条件，把多智能体分成不同类，通过智能体之间的耦合相互通信，合作最终簇类同步，比如无人机的多编队飞行等。

另一方面由于存在外部的扰动，智能体之间通信的不确定性，导致系统的网络拓扑是随机的，所以需要考虑的动态切换拓扑条件下的簇类同步问题。

发明内容

本发明提出的一种动态切换拓扑条件下的簇类同步性控制方法及系统，可解决由于存在外部的扰动，智能体之间通信的不确定性导致相互耦合的智能体之间很难被同步控制的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种切换拓扑条件下的簇类同步性控制方法，包括：以下步骤：

S100、对于多智能体系统的网络拓扑，获取多智能体系统通信拓扑集合，按照实际需求，将整个智能体系统分成P个子簇智能体系统：V

S200、按照自身要求，对已分类的每个子簇进行具体的处理，生成每簇对应的虚拟领导者，领导者生成每簇需要同步的轨迹，同时生成拓扑边，确定簇内领导智能体和其它智能体的拓扑关系，确保平均后的每簇增强图有生成树；

S300、对经过S100和S200处理的每个子簇智能体拓扑系统，设计一个中间变量矩阵Ξ，然后根据每簇的通信拓扑特征值、多智能体动力学方程，计算出系统的簇内耦合系数c

S400、根据S300计算得出的簇内耦合系数和切换速率系数范围，设计控制器输入，进而实现多智能体系统在动态切换条件下达到簇类同步。

另一方面，本发明公开一种基于动态切换拓扑条件下的簇类同步性控制系统，基于多智能体，包括以下模块：

拓扑信息获取判断单元，用于对于多智能体系统的网络拓扑，获取多智能体系统通信拓扑集合，并将整个多智能体系统分为若干个子簇系统

虚拟领导者生成单元，同时生成各簇的领导智能体和智能体间的拓扑

耦合系数计算单元，设计一个中间变量矩阵矩阵，然后根据通信拓扑、多智能体动力学方程，计算出各子簇系统的耦合系数和切换系数下界；

簇类同步控制单元，用于最终设计控制器输入，进而实现多智能体系统同步。

再一方面，本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。

由上述技术方案可知，本发明的切换拓扑条件下的簇类同步性控制方法相对现有技术具有如下优势：

1:本发明适用于交互拓扑随时间变化的动态拓扑情况，受限于通信距离和遮挡等阻碍，动态拓扑是现实多智能系统中的常见情况。本发明能适用更多样的多智能体系统。

2：本发明适用的系统动力学可以是一般线性系统，也可以是Lipschitz型非线性系统，比现有只能处理一种的框架更通用。

3：本发明仅仅要求每个增广簇的时变网络在平均时间内有一个有向生成树，这是比现有方案里的要求的，在联合图有一个有向生成树更容易达成的条件。

4：本发明中多智能体系统是以指数的速率达到簇同步，更快速，并且本发明考虑了外部干扰的情况，能够抵抗一定的外部干扰，具有较强的鲁棒性。

5：最后，本发明中的算法简单易操作和实现，可拓展性比较强。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本实施例的具体拓扑图和leader链接情况示意图；

图3是本实施例的两个簇在本发明设计的控制器控制下的同步误差示意图；

图4是本实施例的两个簇脱离本发明设计控制器控制下的同步误差示意图；

图5是本实施例的两个簇在具有外部干扰的情况下在本发明设计的控制器控制下的同步误差示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本实施例所述的动态切换拓扑条件下的簇类同步性控制方法，包括：

S100、对于多智能体系统的网络拓扑，获取多智能体系统通信拓扑集合，按照实际需求，将整个智能体系统分成P个子簇智能体系统：V

S200、按照自身要求，对已分类的每个子簇进行具体的处理，生成每簇对应的虚拟领导者，领导者生成每簇需要同步的轨迹，同时生成拓扑边，确定簇内领导智能体和其它智能体的拓扑关系。确保平均后的每簇增强图有生成树；

S300、对经过S100和S200处理的每个子簇智能体拓扑系统，设计一个中间变量矩阵Ξ，然后根据每簇的通信拓扑特征值、多智能体动力学方程，计算出系统的簇内耦合系数c

S400、根据S300计算得出的簇内耦合系数和切换速率系数范围，设计控制器输入，进而实现多智能体系统在动态切换条件下达到簇类同步。

以下具体说明：

用

定义如下的多智能体系统的线性动力学模型：

和非线性动力模型：

其中，x

有p个领导者对应每簇智能体，其生成的轨迹可表示为s

对于线性系统，控制器可表示为：

其中

对于非线性系统，控制器可表示为：

其中Γ是一个正定矩阵，满足α＞α

本发明的目的是设计合适的控制器，让多智能体最终能够实现簇类同步，以下进一步分别说明：

S101，基于已知的多智能体通信拓扑，首先将多智能体分成p簇，表示为

S102，根据G(t)构造拉普拉斯矩阵L(t)＝[l

S103，生成一个正定矩阵P，满足

PA+A

其中，ξ是任意常数且ξ＞0。

S104，检查是否满足入度条件，即：

其中w

S200用来生成虚拟领导者和牵引边，并检查平均后的每簇增强图是否有生成树。具体如下：

S201:生成P个虚拟领导者，分别牵引每簇内的智能体，并生成智能体需要同步的轨迹，轨迹满足如下条件：

1.对于线性系统：P个轨迹s

2.对于非线性系统：P个轨迹z

并且生成牵引控制对应的对角矩阵：

D(t)＝diag(c

其中，当第i个智能体被牵引(即有来自领导者的入边时)d

S202：利用收集到的拓扑，计算其平均拓扑，检查平均后的增强簇图是否有生成树，具体如下：

对于

基于

且满足

其中σ(t)：[0，∞)→[0，∞)是一个连续，严格递减的函数，满足lim

基于邻接矩阵

S300设计一个中间变量矩阵矩阵，然后根据通信拓扑、多智能体动力学方程，计算出系统的簇内耦合系数c

具体包括如下步骤：

S301、考虑

S302对于线性系统

根据系统的动力学特性，以及通信拓扑，我们设计如下的耦合系数：

其中：

同时生成一个足够大的正的常数α*；

S303、对于非线性系统，根据系统的动力学特性，以及通信拓扑，我们设计如下的耦合系数：

；

其中，

同时生成一个足够大的正的常数α

S400、基于上述条件，分别设计控制器算法，进而实现多智能体系统在动态切换条件下达到簇类同步；

具体如下：

S401：对于线性系统，基于以上多智能体通信拓扑的分析，以及耦合系数c

设计控制算法为如下的形式：

其中

其中h为非负常数，即实现了局部簇同步。

S402:对于非线性系统，设计控制算法如下：

其中Γ是一个正定矩阵，且α＞α

其中h为非负常数，即实现了局部簇同步。

下面用一个仿真例子来验证本发明结果的有效性：

系统由5个智能体组成，分为

拓扑图中V1被s1牵引，V2被s2牵引。交互网络的拓扑在G(1)和G(2)间每0.1s切换一次，考虑可稳定化的系统(A,B)如下

当我们按本发明的策略选择合适的簇内耦合强度，即

时，模拟结果如图3所示：在合适的耦合强度α＝10，c

进一步，选择外部干扰满足如下函数：

图5显示，按本发明的策略，选择合适的耦合系数α＝10，c

综上所述，对于切换拓扑下的簇同步性控制系统，本专利发明的方法可以有效选择合适的耦合强度，不仅可以实现无外界干扰下的簇同步，对于有外部干扰的系统，也能实现有界误差范围内的簇同步。

另一方面，本发明公开一种基于动态切换拓扑条件下的簇类同步性控制系统，基于多智能体，包括以下模块：

拓扑信息获取判断单元，用于对于多智能体系统的网络拓扑，获取多智能体系统通信拓扑集合，并将整个多智能体系统分为若干个子簇系统

虚拟领导者生成单元，同时生成各簇的领导智能体和智能体间的拓扑

耦合系数计算单元，设计一个中间变量矩阵矩阵，然后根据通信拓扑、多智能体动力学方程，计算出各子簇系统的耦合系数和切换系数下界；

簇类同步控制单元，用于最终设计控制器输入，进而实现多智能体系统同步。

可理解的是，本发明实施例提供的系统与本发明实施例提供的方法相对应，相关内容的解释、举例和有益效果可以参考上述方法中的相应部分。

本发明可应用诸多相关领域，比如在机器人编队控制，人们期望机器人分为多组，各自完成各自的任务。在这种情况下，把机器人的通信网络看作本发明的通信拓扑，。基于机器人的动力学方程，构造合适的耦合系数，进而可以提出类似上述中的控制器，机器人就可以达到簇类同步。

综上所知，本发明思路清晰，结构更加合理，也更加科学，而且以指数的速率达到同步，可以进一步缩短收敛时间。本发明设计的算法速度快，简单易操作。

再一方面，本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。

本申请实施例还提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；

存储器，用于存放计算机程序；

处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现上述切换拓扑条件下的簇类同步性控制方法；

最终设计控制器输入，基于上述条件，进而实现多智能体系统在切换拓扑条件下达到簇类同步。

上述电子设备提到的通信总线可以是外设部件互连标准(英文：PeripheralComponent Interconnect，简称：PCI)总线或扩展工业标准结构(英文：Extended IndustryStandard Architecture，简称：EISA)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

通信接口用于上述电子设备与其他设备之间的通信。

存储器可以包括随机存取存储器(英文：Random Access Memory，简称：RAM)，也可以包括非易失性存储器(英文：Non-Volatile Memory，简称：NVM)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。

上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(英文：Central ProcessingUnit，简称：CPU)、网络处理器(英文：Network Processor，简称：NP)等；还可以是数字信号处理器(英文：Digital Signal Processing，简称：DSP)、专用集成电路(英文：ApplicationSpecific Integrated Circuit，简称：ASIC)、现场可编程门阵列(英文：Field-Programmable Gate Array，简称：FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

在本申请提供的又一实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任切换拓扑条件下的簇类同步性控制方法的步骤。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。