[发明专利]一种水域异构多无人器一致性编队方法

说明书

本发明提供一种水域异构多无人器一致性编队方法。针对不同环境下无人器的模型异构问题，如水域环境下无人机、无人船、潜航器的环境差异问题。考虑环境参数和不同运动空间维度的差异，分别设计了三种异构模型的一致性控制律，重新推导了该类一致性算法的设计过程，通过分块Kronecker积和矩阵变换证明稳定性，并给出参数选择的一些充分条件。本发明考虑成形过程中的优化问题和避障问题，针对实际水域中的避障模型问题，引入圆形、山峰威胁模型等不同的区域，构造不同的势函数表达式。之后将异构多智能体系统转化为闭环误差系统，定义编队控制、避障优化函数与指标函数，采用逆最优控制算法推导一致性非二次型避障最优控制策略。

技术领域

本发明属于多智能体技术领域，具体涉及的是一种水域异构多无人器一致性编队方法。

背景技术

多智能体的一致性问题是多运载体控制中最基本最重要的问题之一，在工程实例中，包括无人机的协同控制，分布式传感器网络和太空飞行器编队。在实际情况下，多智能体系统的内部动力学是不同的。目前，比较充分的异构性多智能体研究集中在陆用方面，即无人机和无人车的组合。在海域方面，无人潜航器和水面无人船的组合应用尚且较少，即使有相关的研究工作，但是也没有涉及编队的问题，这样所能探知的范围十分有限。跨介质主要指UAV与UUV联合通信与编队问题。由于两者一般不能直接通信，实际中跨介质通信问题一般通过浮标来完成水下通信和水面通信的转换，但是考虑编队问题，浮标必须具有相应的机动能力才能保持与UAV与UUV的同步。因此，增加具有相同通信转换功能的USV来完成动力学同步与通信连接，这样解决UAV-UUV跨介质通信问题的同时，也可以为其编队问题奠定可实现基础。UAVs-USVs-UUVs系统的组合可以大大提高海域的感知范围，在合作搜索，合作攻击等方面具有潜在的应用价值。

在实际环境中，编队成形的过程中可能会出现障碍物，因此需要研究避障甚至避碰下的一致性问题。目前编队控制中的避障方法主要有两种：路径规划与人工势场，传统的路径规划需要构造网格地图，但是所有的代理都是同质的。考虑异构性因素，跨介质系统处于不同的环境中，采用势函数法对于单个代理更易于快速实现。而编队控制中的避障问题研究工作大多集中在理想的避障形状与区域中，如方形或圆形，而且大多数是二维平面下的避障问题，在三维环境中，避障区域大多为矩形。

发明内容

本发明的目的为了扩大水域感知能力，实现跨介质、分布式自主无人器编队，为UAV-USV-UUV系统等类似多种类无人器异构系统提供一个通用的一致性编队框架的一种水域异构多无人器一致性编队方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种水域异构多无人器一致性编队方法，包括以下步骤：

步骤1：定义极限形式，如果异构多智能体系统在给定的无向通信拓扑下状态达到如下极限，则称系统达到了一致性：

步骤2：定义分块拉氏矩阵，将整体的拉氏矩阵分块，方便控制律设计与证明。

其中L_ii表示同构无人器之间通信拓扑图的拉普拉斯矩阵，L_ij表示通信拓图扑中第i个多智能体系统指向第j个多智能体系统的拉普拉斯矩阵。即异构系统之间信拓扑图的拉普拉斯矩阵，这里注意到无人机与水下潜航器不产生直接的通信，故令L_AU＝0，L_UA＝0。

步骤3：设计反馈控制律，使系统达到渐进稳定，取得跨介质系统的动态一致性编队。

步骤4：基于步骤3，可以确定系统参数Q,R，使如下最优避障控制律成立：

其中是包含对位置误差与速度误差向量求导的向量，则闭环系统可以全局渐进稳定。