[发明专利]一种集群系统编队避障控制方法

说明书

本发明公开一种集群系统编队避障控制方法，包括：构建包含多个智能体的目标集群系统的通信拓扑关系；构建单智能体离散模型；基于单智能体离散模型构建多智能体离散模型；基于多智能体离散模型判断目标集群系统是否满足时变编队条件；若满足，给定单智能体的通信触发条件；基于所述通信拓扑关系和所述通信触发条件构造时变编队控制模型；基于时变编队控制模型，引入人工势场法，以构造时变编队避障控制模型；基于时变编队避障控制模型对目标集群系统进行编队避障控制。根据本发明，能够解决现有基于一致性的集群系统编队控制方法因面向连续时间系统和理想任务环境而无法应用于系统时间离散以及任务环境存在障碍物的实际系统的问题。

技术领域

本发明属于集群系统协同控制领域，更具体地，涉及一种集群系统编队避障控制方法。

背景技术

集群系统协同控制是当前集群系统研究的热点问题，编队控制作为其中一类经典控制问题，是指集群中的多个智能体在向着特定目标行进的过程中，能够形成并保持特定的队列形态。目前，多智能体编队控制已经广泛应用于航天卫星、无人飞行器、智能机器人以及智能化列车等多种无人智能系统。在航空航天领域中，通过发射多个微小卫星形成特定的编队，可以实现大型卫星才能发挥的作用，多卫星编队在大大降低系统成本的同时，提高了系统的生存能力与可靠性。在军事对抗背景下，多无人机通过组成合理的编队执行协同侦察与攻击任务，解决了单无人机侦察所面临的侦察范围受限、航程短、风险高等问题，实现了多无人机集群编队饱和攻击，提高了无人机作战突防能力。在抢险救灾环境下，空中采用多飞行器编队搜寻救援目标，不仅能够严密覆盖搜救区域，同时还提高了救援效率；地面利用多机器人编队则可实现协同输送物资、清理灾后废墟、深入高危救援场景以减轻救援人员可能受到的意外伤害。在城市公共交通中，可利用多轨道列车实现动态列车编队以缓解潮汐客流，提高线路灵活性与利用效率，进而提高城市轨道交通智能化水平，充分发挥多列车协同化运营优势。

目前，针对集群系统编队控制已存在多种成熟的控制方法。相较于基于行为、基于虚拟结构、基于人工势场以及基于领导者-跟随者等控制方法，基于一致性的编队控制方法采用分布式拓扑网络结构，具有更好的系统鲁棒性与延展性。在该方法中，系统中所有个体与同一编队参考保持一定的向量误差，个体间通过通信实现局部协同作用，最终使系统中所有个体状态趋于同一编队参考以实现预期编队。但在基于该方法的理论研究中，通常是针对连续时间系统，并往往认为个体间的通信是连续的，没有延迟的，因此设计的控制器大多是连续形式的，而这在实际系统中往往是无法实现的。由于每个个体依赖相应传感器感知自身状态信息，并通过嵌入式的设备计算生成控制指令，而传感器与嵌入式设备均是按照一定频率工作的，无法提供实时连续的个体信息。因此当前针对连续时间的基于一致性的编队控制无法应用到实际系统当中。

除此之外，在复杂环境下，集群编队不仅需要保持特定的队形以执行任务，还需要能够自主地避开环境中的障碍物。这些障碍物的存在不仅对编队保持造成了阻碍，还会对智能体的自身安全构成严重的威胁。因此，编队避障控制的研究相较于编队控制更具备实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于解决现有基于一致性的集群系统编队控制方法因面向连续时间系统和理想任务环境而无法应用于系统时间离散以及任务环境存在障碍物的实际系统的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种集群系统编队避障控制方法，所述集群系统编队避障控制方法包括以下步骤：

构建目标集群系统的通信拓扑关系，所述目标集群系统包含多个智能体；

构建单智能体离散模型；

基于所述单智能体离散模型构建多智能体离散模型；

基于所述多智能体离散模型判断所述目标集群系统是否满足预定的时变编队条件；

响应于所述目标集群系统满足预定的时变编队条件的判断结果，给定单智能体的通信触发条件；

基于所述目标集群系统的通信拓扑关系和所述单智能体的通信触发条件构造时变编队控制模型；