[发明专利]一种可自主穿越二维直线管道的多智能体分布式控制方法

说明书

本发明公开一种可自主穿越二维直线管道的多智能体分布式控制方法：步骤一：建立自主穿越二维直线管道问题的数学模型，其中包括建立智能体的运动模型,安全区域、避障区域、探测区域三种区域模型，以及建立二维直线管道的数学模型；步骤二：在多智能体初始位置位于管道入口之内时，设计多智能体系统穿越二维直线管道的分布式控制算法；步骤三：进一步设计将二维空间区域划分为多个二维直线管道的方法，以实现在整个空间内所有智能体自主穿越二维直线管道。本发明方法解决了多智能体系统的自主穿越二维直线管道问题，且同时满足实时性、安全性、可靠性，使多智能体系统能够高效、安全地完成任务。可应用于军事、民用、救援、摄影、农牧等领域。

技术领域

本发明属于多智能体领域，具体涉及一种可自主穿越二维直线管道的多智能体分布式控制方法。

背景技术

如今，多智能体系统的相关研究及成果已广泛应用于无人机、无人车、无人船集群系统等。其中，穿越二维直线管道是多智能体系统一个常见的应用场景。多智能体系统在完成穿越二维直线管道的任务时，首先需要使分布在任意初始位置的多智能体自主运动至管道入口，进入管道后不可越出管道边界，最终到达管道终点，整个过程中需要满足多智能体之间的防碰撞条件。其中，直线管道可以是实体，例如走廊、门窗、隧道等，也可以是虚体，例如对智能体人为设计的虚拟航路。

现有的多智能体穿越二维管道的方法主要有基于规划的方法和基于编队的方法。其中，基于规划的算法通常将问题建模为目标优化问题，通过设计合适的目标函数，计算每个智能体关于路径长度、通行时间等参数的最优路径。然而，此方法不适合用于处理智能体数量较多的情况，因为优化算法的时间复杂度较高，规划的路径缺乏实时性。基于编队的方法通常不考虑多智能体间避碰策略，仅通过设计合适的多智能体编队队形，即可使多智能体集群通过管道。然而，当多智能体间通信存在不确定性时，例如存在较大的通信延迟、丢包率，队形将会出现发散的情况，严重时智能体间甚至可能发生碰撞，缺乏安全性、可靠性。因此，对于多智能体系统而言，研究一种可自主穿越二维直线管道且同时满足实时性、安全性、可靠性的多智能体分布式控制方法，对于军事、民用、救援、摄影、农牧等领域都是十分重要且有意义的。

发明内容

本发明给出了一种可自主穿越二维直线管道的多智能体分布式控制方法，包括自主穿越二维直线管道问题的数学模型建立、设计多智能体系统穿越二维直线管道的分布式控制算法，以及设计将二维空间区域划分为多个二维直线管道的方法。

为实现上述目的，本发明的一种可自主穿越二维直线管道的多智能体分布式控制方法,如图7所示，实现步骤如下：

步骤一：建立自主穿越二维直线管道问题的数学模型，其中包括建立智能体的运动模型,安全区域、避障区域、探测区域三种区域模型，以及建立二维直线管道的数学模型，具体如下：

步骤1.1：基于智能体的运动特性，建立智能体的运动模型。假设多智能体系统中智能体的个数为M。智能体的运动模型定义为：

其中，为第i个智能体的位置，为第i个智能体的速度，为第i个智能体的速度控制输入，l_i为第i个智能体的操纵系数，代表智能体的机动能力大小，可以通过试验获得。如无特别指出，所有二维向量均默认为列向量。其中，第i个智能体的速度控制输入存在如下约束：

max||v_c,i||≤v_m,i (2)

进一步，考虑到多智能体之间的不同运动方向情况对防止碰撞紧急程度带来的影响，建立智能体的滤波位置模型如下：

其中，为第i个智能体的滤波位置，其中同时包含了位置、速度和机动性的信息。在控制器设计过程中，采用智能体滤波位置代替真实位置作为控制输入，可以充分考虑智能体机动性对防碰撞性能的影响。