基于快速有限时间一致性协议的多智能体系统的编队方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于快速有限时间一致性协议的多智能体系统的编队方法，在传统有限时间控制方法的基础上充分利用现有的机体间交互的信息，将智能体系统中的每个智能体的绝对位置偏移项引入到控制协议中，同时在不实质改变已有的拓扑结构的前提下，利用中继思想，提高群体中每个智能体所能获得状态信息的能力。在有限时间一致性协议和渐近一致性协议相互融合的基础上，实现多智能体的快速有限时间编队，从而有效解决了有限时间编队方法在现实工程应用中耗时过长的局限性。

Formation method of multi-agent system based on fast finite time consistency protocol

The invention discloses a formation method of a multi agent system based on fast finite time conformance protocol. On the basis of the traditional finite time control method, the absolute position offset of each agent in the intelligent body system is introduced to the control protocol. Under the premise of changing the existing topology, we use relay thought to improve the ability of each agent to get state information in the group. On the basis of the convergence of the finite time conformance protocol and the asymptotic consistency protocol, the fast finite time formation of the multi-agent is realized, which effectively solves the limitation of the long time consuming of the finite time formation method in the practical engineering application.

【技术实现步骤摘要】
基于快速有限时间一致性协议的多智能体系统的编队方法
本专利技术涉及多智能体编队运动
，特别是一种基于快速有限时间一致性协议的多智能体系统的编队方法。
技术介绍
多智能体系统被广泛应用于飞船探测、灾难调查、网络传感器等等实际生活中，也因此多智能体的分布式协同控制在近年来一直是一个很多人关注的研究热点。在对于多智能体分布式控制的研究中，一个核心的问题就是如何利用好自身和近邻智能体的信息来设计分布式控制策略，使得所有的智能体的状态可以达到一致，这也就是大家所熟知的一致性问题。多智能体系统的一致性控制策略可以分为很多种类，但依据不同的控制目标可以分为两类。第一类是控制策略使得多智能体系统的位置收敛到一个常值，第二类是控制策略使得多智能体系统的位置和速度都收敛到一个常值(这个常值一般都不为零)；依据控制对象又可以分为一阶一致性协议和二阶一致性协议两类。在系统稳定性的角度，一般的多智能体编队控制实现的渐近收敛是在无限时间段上的收敛，跟随者无法在有限时间与领导者保持同步，而在现实工程中对于收敛速度的要求是越快越好，进而编队控制能否在有限时间内收敛是一个很重要的指标。除此之外，有限时间控制方法还可以在控制系统中存在外界扰动的情况下表现出更强的鲁棒性。近年来，有限时间一致性问题以及编队控制问题得到了广泛的研究，部分研究深入解析了受控系统的收敛特点，在拓扑结构固定的情况下设计了基于状态反馈的不连续协议；部分研究专注连续的有限时间一致性的控制算法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
中所涉及到的缺陷，提供一种基于快速有限时间一致性协议的多智能体系统的编队方法，在传统有限时间控制方法的基础上将多智能体系统中的每个智能体的绝对位置偏移的渐近稳定项引入到控制协议中，并且在满足不改变拓扑结构的前提下进一步融合二层邻居信息，实现多智能体系统的有限时间快速编队。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：基于快速有限时间一致性协议的多智能体系统的编队方法，所述多智能体系统包含n个智能体υi(i＝1,2,…,n)，智能体之间能够相互通信、传递智能体的状态信息，所述状态信息包含智能体的位置和智能体的速度；令智能体υi的邻居智能体υj(j＝1,2,…n)为智能体υi的一次邻居，智能体υj的邻居智能体υk(k＝1,2,…n)为智能体υi的二次邻居；所述编队方法包含以下步骤：步骤1)，基于各个智能体与其邻居智能体之间的相对位置偏差以及相对速度偏差，在通常一致性协议基础上附加相对位置偏差、相对速度偏差的分数幂项，并进一步将各个多智能体与其期望位置之间的绝对位置偏差引入到一致性协议中，得到多智能体系统的有限时间一致性算法；步骤2)，在利用各个智能体与其邻居系统相对位置、相对速度信息基础上，进一步利用各个智能体与其二次邻居的相对位置、相对速度信息，更新多智能体系统的有限时间一致性算法，得到多智能体系统的有限时间收敛的快速一致性算法；步骤3)，基于多智能体系统的期望队形形状以及期望速度，将智能体之间的期望距离偏差与期望速度融入多智能体系统的有限时间收敛的快速一致性算法，得到多智能体系统的有限时间收敛快速编队算法；步骤4)，基于多智能体系统的有限时间收敛快速编队算法对多智能体系统进行编队。作为本专利技术基于快速有限时间一致性协议的多智能体编队方法进一步的优化方案，步骤1)中在通常一致性协议基础上引入附加状态偏差的分数幂项，其具体的定义为sig(x)α＝|x|αsign(x)，这里0＜α＜1，sign(x)是符号函数，提出的有限时间快速一致性算法如下：式中，ui(t)是控制输入，Ni代表的是第i个智能体的邻居智能体集合，第三项和第四项就是融入的分数幂项，第五项就是引入的绝对位置偏差项。ri,rj(i,j＝1,2,...n)代表的是智能体的实时位置，vi,vj(i,j＝1,2,...n)代表的是智能体的实时速度，这里γ是大于零的常数，ai0代表的是智能体υi(i＝1,2,…n)与虚拟领导者之间连通性并且大于零，rd代表的是虚拟领导者的期望位移，这里的虚拟领航者代表一个虚拟的智能体υ0，该智能体的位移和速度就是期望位移和期望速度，一致性协议的控制目标就是期望多智能体系统的位移和速度随时间趋近于该虚拟智能体的状态。aij代表的是相邻智能体之间的连通性并且有aij≥0，当两相邻智能体能够相互传递状态信息时，那就有aij＞0，当相邻智能体不可以连通时，就有aij＝0。0＜α1＜1，分数幂项的存在使得智能体系统的速度趋于期望速度，智能体之间的位置误差趋于零。作为本专利技术基于快速有限时间一致性协议的多智能体编队方法进一步的优化方案，步骤2)引入两跳网络，在不改变智能体拓扑结构的前提下，利用自身的状态信息与二次邻居的状态信息作为控制输入的一部分，提高智能体状态一致性的收敛速度。假设智能体υi(i＝1,2,…n)可以与智能体υj(j＝1,2,…n)通信，此时智能体υj是智能体υi的邻居智能体，若智能体υj能够与智能体υk(k＝1,2,…n)进行通信，此时智能体υk是智能体υj的邻居智能体，那么利用二层邻居之后，智能体υi与υk之间就可以进行通信并传递状态信息。此时有限时间一致性算法更新为：式中，第二项中的rk和第四项中的vk代表的是υk的位置和速度。智能体υk与智能体υj是近邻智能体，智能体υj与智能体υi是近邻智能体，引入二跳网络之后，智能体υk与智能体υi可以进行信息交互，控制输入中的第二项和第四项就是智能体υk与智能体υi的位置和速度状态相互交互计算的过程，该项的引入使得智能体的位置与速度状态可以更快的收敛到期望位置和期望速度。作为本专利技术基于快速有限时间一致性协议的多智能体编队方法进一步的优化方案，步骤3)引入智能体与期望位置之间的相对位置偏差δid(i＝1,2,...n)，当需要智能体系统编队队形最终能够形成期望的队形时，就需要设定一个参照点，以拓扑结构图的中心为参照点，计算实际智能体系统与期望队形参考点之间的相对位置偏差δid，提出如下多智能体系统的有限时间收敛快速编队算法：式中，δid、δjd、δkd分别是智能体υi、υj、υk与其对应期望位置之间的相对位置偏差。本专利技术采用技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：与现有多智能体系统编队控制方法相比，本文所提基于有限时间一致性协议的多智能体编队控制方法，能够促使多智能体系统的自身状态在有限时间内收敛到期望值，另外在此基础上引入的期望队形偏移差项，在有限时间实现一致性的基础上进一步实现多智能体系统的快速编队。本专利技术提出的基于有限时间一致性协议的多智能体系统快速编队方法能满足现实工程对于编队控制的要求。附图说明图1为本专利技术实现步骤的流程框图；图2为本专利技术中使用的六个智能体构成的网络拓扑结构图；图3为本专利技术中引入二层邻居信息后的多智能体系统的网络拓扑结构图；图4为本专利技术中使用的六个智能体系统X轴速度变化曲线图；图5为本专利技术中使用的六个智能体系统Y轴速度变化曲线图；图6为本专利技术中使用的平面上六个智能体系统运动轨迹图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：本专利技术公开了一种基于快速有限时间一致性协议的多智能体系统的编队方法，图1为本专利技术实现步骤的流程框图，具体如下：步骤1：初始化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于快速有限时间一致性协议的多智能体系统的编队方法，所述多智能体系统包含n个智能体υi(i＝1,2,…,n)，智能体之间能够相互通信、传递智能体的状态信息，所述状态信息包含智能体的位置和智能体的速度；令智能体υi的邻居智能体υj(j＝1,2,…n)为智能体υi的一次邻居，智能体υj的邻居智能体υk(j＝1,2,…n)为智能体υi的二次邻居；其特征在于，所述编队方法包含以下步骤：步骤1)，基于各个智能体与其邻居智能体之间的相对位置偏差以及相对速度偏差，在通常一致性协议基础上附加相对位置偏差、相对速度偏差的分数幂项，并进一步将各个多智能体与其期望位置之间的绝对位置偏差引入到一致性协议中，得到多智能体系统的有限时间一致性算法；步骤2)，在利用各个智能体与其邻居系统相对位置、相对速度信息基础上，进一步利用各个智能体与其二次邻居的相对位置、相对速度信息，更新多智能体系统的有限时间一致性算法，得到多智能体系统的有限时间收敛的快速一致性算法；步骤3)，基于多智能体系统的期望队形形状以及期望速度，将智能体之间的期望距离偏差与期望速度融入多智能体系统的有限时间收敛的快速一致性算法，得到多智能体系统的有限时间收敛快速编队算法；步骤4)，基于多智能体系统的有限时间收敛快速编队算法对多智能体系统进行编队。...

【技术特征摘要】
1.基于快速有限时间一致性协议的多智能体系统的编队方法，所述多智能体系统包含n个智能体υi(i＝1,2,…,n)，智能体之间能够相互通信、传递智能体的状态信息，所述状态信息包含智能体的位置和智能体的速度；令智能体υi的邻居智能体υj(j＝1,2,…n)为智能体υi的一次邻居，智能体υj的邻居智能体υk(j＝1,2,…n)为智能体υi的二次邻居；其特征在于，所述编队方法包含以下步骤：步骤1)，基于各个智能体与其邻居智能体之间的相对位置偏差以及相对速度偏差，在通常一致性协议基础上附加相对位置偏差、相对速度偏差的分数幂项，并进一步将各个多智能体与其期望位置之间的绝对位置偏差引入到一致性协议中，得到多智能体系统的有限时间一致性算法；步骤2)，在利用各个智能体与其邻居系统相对位置、相对速度信息基础上，进一步利用各个智能体与其二次邻居的相对位置、相对速度信息，更新多智能体系统的有限时间一致性算法，得到多智能体系统的有限时间收敛的快速一致性算法；步骤3)，基于多智能体系统的期望队形形状以及期望速度，将智能体之间的期望距离偏差与期望速度融入多智能体系统的有限时间收敛的快速一致性算法，得到多智能体系统的有限时间收敛快速编队算法；步骤4)，基于多智能体系统的有限时间收敛快速编队算法对多智能体系统进行编队。2.根据权利要求1所述的基于快速有限时间一致性协议的多智能体系统的编队方法，其特征在于，所述步骤1)中在通常一致性协议基础上附加相对位置偏差、相对速度偏差的...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹科才，柴运，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32