[发明专利]一种集群智能系统协同运动规划与编队控制方法

权利要求书

1.一种集群智能系统协同运动规划与编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取所有智能体的初始状态信息并设置编队初始条件；

S2、根据所有智能体的目标编队构型和通信拓扑确定智能体下一时刻的期望位置；

S3、根据集群智能系统的动力学方程，建立智能体位置预测模型；

S4、根据智能体下一时刻的期望位置和智能体位置预测模型，建立编队控制目标函数；

S5、以智能体运动的加速度及运动空间区间作为约束条件对编队控制目标函数进行优化，构建当前时刻的预测轨迹；

S6、采用带有软约束的按需避碰策略对编队控制目标函数的优化过程进行迭代求解，确定无碰撞轨迹并控制所有智能体进行编队；

其中带有软约束的按需避碰策略具体为：

当智能体预测在第预测时间步发生碰撞时，在优化问题中引入碰撞约束及松弛变量，表示为：

其中，，为对角矩阵，和分别为智能体i和智能体j利用第预测时间步的可用信息得到的第预测时间步的预测位置信息，为智能体i利用第预测时间步的可用信息得到的第预测时间步的预测位置信息，n为模拟边界的阶数，表示在第预测时间步上检测到发生碰撞的预测视界，，为2范数，为智能体间的安全距离，为决策变量；

采用带有软约束的按需避碰策略对编队控制目标函数的优化过程进行迭代求解具体为：

其中，为代价函数，，为编队控制目标函数，，为所有决策变量的堆叠向量，，为标量优化参数，分别为零矩阵、全一矩阵和单位矩阵，T为矩阵转置符号，和分别为智能体i在初始时刻t₀的位置信息和智能体i在预测视界为1的位置信息预测值，为智能体i设定的初始位置，和分别为智能体i利用第k_t预测时间步的可用信息得到的第预测时间步的状态预测值和加速度预测值，表示在第预测时间步上的预测视界，为智能体i利用第k_t预测时间步的可用信息得到的第预测时间步的状态预测值，，，，，，和分别为单位矩阵和零矩阵，为时间步长参数，K为预测视界长度，为智能体i达到t_z时刻的第k_t预测时间步的预测输入序列，，分别为最小输入序列和最大输入序列，，分别为运动空间的最小位置序列和最大位置序列，，为在k_t时刻的初始状态，k_t为预测时间步，，，，为智能体i到达t_z时刻的第k_t预测时间步的初始状态，为对角矩阵，n为模拟边界的阶数，和分别为智能体i和智能体j利用第预测时间步的可用信息得到的第预测时间步的预测位置信息，，为2范数，为智能体间的安全距离，为决策变量，和分别为智能体i在t_z时刻和t_z+1时刻的位置信息，为智能体j在t_z时刻的位置信息，h_i和h_j分别为智能体i和智能体j的期望编队构型常数，为智能体i的相邻智能体的集合，为智能体i的相邻智能体的个数。