基于无线紫外光通信的单虚拟主控多智体蜂群控制方法技术

本发明专利技术公开了基于无线紫外光通信的单虚拟主控多智体蜂群控制方法，首先，将多智能体网络设为G(t)；任意一个多智能体Xi的位置设为圆心O；通信设备的最佳通信距离为半径R，在R内的多智能体均为相邻节点Yi，将多智能体间防止碰撞的安全距离设为r；当Xi与各个Yi之间的距离都相等时，定义其相隔的距离为平衡距离为d(d≤R)，||qij||＝||qj‑qi||表示Xi至Yi的距离，则||qij||min＝r＞0；之后构建斥力势场为ψij

【技术实现步骤摘要】
基于无线紫外光通信的单虚拟主控多智体蜂群控制方法
本专利技术属于信息控制
，具体涉及一种基于无线紫外光通信的单虚拟主控多智体蜂群控制方法。
技术介绍
国内无人机已发展了将近30余年，从最初的军用领域逐渐扩展到消费领域，无人机在各个领域的应用已经非常广泛。在特定场景应用中，既要保证大量无人机在同时工作，还需要自主形成编队并保持队形完整飞行至目的地。现有通信方法是采用无人机间以及长机与地面通信方式同时采用无线电，这种通信方式传输信号时安全性差且易受干扰，极大影响了整个无人机编队的鲁棒性。无人机防碰撞控制算法多采用人工势场法等。这种防碰撞控制方法局限性也很明显，相隔很近障碍物之间不能发现路径，目标点附近有障碍物时无法达到目的地等。基于此研究基于无线紫外光通信的单虚拟主控多智体蜂群控制方法。无人机间的通信方式利用无线紫外光不同波长，非视距的优势改善无人机网络连通性等问题，无线紫外光通信可以有效保障的单虚拟主控多智体蜂群控制方法的有效性，从而完成无人机编队的集结，使编队中无人机速度与其追踪虚拟长机速度保持一致，并在编队过程中避免编队成员之间的碰撞，完成队形保持。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于无线紫外光通信的单虚拟主控多智体蜂群控制方法，解决现有多智能体在编队集结、队形保持过程中出现的由多智能体速度与其虚拟主控速度不同带来的碰撞问题。本专利技术所采用的技术方案是，基于无线紫外光通信的单虚拟主控多智体蜂群控制方法，具体步骤如下：步骤1，将多智能体网络设为G(t)；任意一个多智能体Xi的位置设为圆心O；通信设备的最佳通信距离为半径R，在R内的多智能体均为相邻节点Yi，将多智能体间防止碰撞的安全距离设为r；当Xi与各个Yi之间的距离都相等时，定义其相隔的距离为平衡距离为d(d≤R)；||qij||＝||qj-qi||表示Xi至Yi的距离，则||qij||min＝r＞0，表示为Xi至Yi的距离值为r且该值不为零，当||qij||＜r时，Xi和Yi不满足安全条件，发生碰撞；当Yi与Xi之间的距离逼近r时，作用于Xi和Yi之间的斥力为无穷大，表示为将D设为任意一区间，当D＝(||qij||min，||qij||max]＝(r，R]时，满足构造斥力势的条件，即势函数ψ在D内大于等于零且光滑可导；步骤2，经步骤1后，构建斥力势场为ψijr(||qij||)和引力势场为ψija(||qij||)；步骤3，经步骤2后，确定Xi与Yi所处位置，确定通信光波波长，以达到最佳通信；步骤4，经步骤3后，得到光通信的单虚拟主控多智体蜂群控制方法。本专利技术的特点还在于，步骤1中，最佳通信距离为半径R，如式(1)所示：式(1)中，θ1为机载发射机的仰角；θ2为机载接收机的仰角；φ1为光束发散角；φ2为接收视场角；Pr为接收功率；Pt是发送功率；Ps是散射相函数；Ar是接收机孔径的面积；Ke为大气衰减系数，由Rayleigh散射系数KSR、Mie散射系数KSM和大气吸收系数Ka组成。步骤2中，构建斥力势场为ψijr(||qij||)和引力势场为ψija(||qij||)，具体步骤如下：步骤2.1，在r至d内用广义Morse函数构建多智能体间斥力势场ψijr(||qij||)，如式(2)所示：式(2)中，b为ψijr(||qij||)的幅值；c为常数；aij为多智能体之间的连接关系；步骤2.2，在R至d内构建多智能体间引力势场ψija(||qij||)，如式(3)所示：式(3)中，g为重力加速度；kij为ψija(||qij||)的幅值。步骤3具体为：当Xi与Yi的相对距离在r至d区域内时，应用200nm～240nm日盲波段的紫外光；当Xi与Yi的相对距离在d至R内时，应用240nm～280nm日盲波段的紫外光。步骤4具体为：步骤4.1，将经步骤2后得到的不同区域内的引力势场ψija(||qij||)和斥力势场ψijr(||qij||)进行迭代，得到多智能体总势能v(qi)，如式(4)及式(5)所示；步骤4.2，对经步骤4.1后得到的多智能体总势能V(qi)进行求导，得到如式(6)及式(7)所示：步骤4.3，经步骤4.2后，当为零时，则表明在平衡距离d处，多智能体处于稳定状态即势能最小；当不为零时，则表明d为某一常数时，kij，b，c满足如下关系，如式(8)所示：步骤4.4，经步骤4.3后，得到光通信的单虚拟主控多智体蜂群控制方法；具体为：步骤4.41，当G(t)满足α-晶格时，则-δ≤||qij||-d≤δ，其中，δ为非常微小的常数；定义可任意求导的σ-范数||z||σ，建立光滑可求导的人工势函数ψα，如式(9)所示：式(9)中，ε＞0，ε为任意微小的常量；对σ-范数||z||σ进行求导，如式(10)及式(11)所示：步骤4.42，建立光滑势函数ψ和相邻矩阵aij(q)，具体为：设在0到1内满足光滑变化的碰撞函数为ρh(z)，如式(12)所示：式(12)中，h为定义区间内的任意常数，h的取值为[0，1]；对ρh(z)进行求导，得到ρ′h(z)，ρ′h(z)在[1，∞)内满足ρ′h(z)＝0且|ρ′h(z)|有边界；通过ρh(z)求出aij(q)，如式(13)所示：aij(q)＝ρh(||qij||σ/Rα)∈[0，1]j≠i(13)；式(13)中，当Rα＝||R||σ，aii(q)＝0；当h＝1，在[0，1]内ρh(z)＝1，在[0，1]以外，ρh(z)为0；步骤4.43，经步骤4.41和4.42后，得到多智能体总势能V(qi)，如式(14)所示：步骤4.44，经步骤4.43后，得到多智能体总势能V(qi)的集合，即多智能体系统总势能为V(q)，如式(15)所示：式(15)中，V(q)须满足以下三个条件：当||qij||σ→0时，ψα为最大；当||qij||σ为某恒定值时，ψα最小；当||qij||σ≥||R||σ时，ψα可恒定义为大于等于零的常数；步骤4.45，经步骤4.44后，可设在步骤4.44条件下成立的ψα，如式(16)及式(17)所示：式(16)中，0＜a≤b，即φ(0)＝0；步骤4.46，经步骤4.45后，得到基于无线紫外光通信的单虚拟主控多智体蜂群控制方法，如式(18)及式(19)所示：式(18)及式(19)中，为虚拟主控速度和位置的反馈，为多智能体之间的速度关系，pr和qr为虚拟主控的速度和位置矢量。本专利技术的有益效果是，该方法通过引入无线紫外光多波长通信，改善多智能体之间的网络连通性，为编队集结和编队的队形保持提供支持，快速有效的解决了多智能体之间的碰撞问题。附图说明图1是本专利技术基于无线紫外光通信的单虚拟主控多智体蜂群控制方法的流程图；图2是本专利技术基于无线紫外光通信的单虚拟主控多智体蜂群控制方法中多智能体系统区域划分图；图3本实施例中迭代次数为0时的多智能体编队集结与队形保持趋势图；图4本实施例中迭代次数为1000时的多智能体编队集结与队形保持趋势图；图5本实施例中迭代次数为2000时的多智能体编队集结与队形保持趋势图；图6本实施例中x方向速度变化趋势图；图7本实施例中y方向速度变化趋势图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术基于无线紫外光通信的单虚拟主控多智体蜂群控制方法，如图1所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于无线紫外光通信的单虚拟主控多智体蜂群控制方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，将多智能体网络设为G(t)；任意一个多智能体Xi的位置设为圆心O；通信设备的最佳通信距离为半径R，在R内的多智能体均为相邻节点Yi，将多智能体间防止碰撞的安全距离设为r；当Xi与各个Yi之间的距离都相等时，定义其相隔的距离为平衡距离为d(d≤R)；||qij||＝||qj‑qi||表示Xi至Yi的距离，则||qij||min＝r＞0，表示为Xi至Yi的距离值为r且该值不为零，当||qij||＜r时，Xi和Yi不满足安全条件，发生碰撞；当Yi与Xi之间的距离逼近r时，作用于Xi和Yi之间的斥力为无穷大，表示为

【技术特征摘要】
1.基于无线紫外光通信的单虚拟主控多智体蜂群控制方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，将多智能体网络设为G(t)；任意一个多智能体Xi的位置设为圆心O；通信设备的最佳通信距离为半径R，在R内的多智能体均为相邻节点Yi，将多智能体间防止碰撞的安全距离设为r；当Xi与各个Yi之间的距离都相等时，定义其相隔的距离为平衡距离为d(d≤R)；||qij||＝||qj-qi||表示Xi至Yi的距离，则||qij||min＝r＞0，表示为Xi至Yi的距离值为r且该值不为零，当||qij||＜r时，Xi和Yi不满足安全条件，发生碰撞；当Yi与Xi之间的距离逼近r时，作用于Xi和Yi之间的斥力为无穷大，表示为将D设为任意一区间，当D＝(||qij||min,||qij||max]＝(r,R]时，满足构造斥力势的条件，即势函数ψ在D内大于等于零且光滑可导；步骤2，经步骤1后，构建斥力势场为ψijr(||qij||)和引力势场为ψija(||qij||)；步骤3，经步骤2后，确定Xi与Yi所处位置，确定通信光波波长，以达到最佳通信；步骤4，经步骤3后，得到光通信的单虚拟主控多智体蜂群控制方法。2.根据权利要求1所述的基于无线紫外光通信的单虚拟主控多智体蜂群控制方法，其特征在于，所述步骤1中，最佳通信距离为半径R，如式(1)所示：式(1)中，θ1为机载发射机的仰角；θ2为机载接收机的仰角；φ1为光束发散角；φ2为接收视场角；Pr为接收功率；Pt是发送功率；Ps是散射相函数；Ar是接收机孔径的面积；Ke为大气衰减系数，由Rayleigh散射系数KSR、Mie散射系数KSM和大气吸收系数Ka组成。3.根据权利要求1所述的基于无线紫外光通信的单虚拟主控多智体蜂群控制方法，其特征在于，所述步骤2中，构建斥力势场为ψijr(||qij||)和引力势场为ψija(||qij||)，具体步骤如下：步骤2.1，在r至d内用广义Morse函数构建多智能体间斥力势场ψijr(||qij||)，如式(2)所示：式(2)中，b为ψijr(||qij||)的幅值；c为常数；αij为多智能体之间的连接关系；步骤2.2，在R至d内构建多智能体间引力势场ψija(||qij||)，如式(3)所示：式(3)中，g为重力加速度；kij为ψija(||qij||)的幅值。4.根据权利要求1所述的基于无线紫外光通信的单虚拟主控多智体蜂群控制方法，其特征在于，所述步骤3具体为：当Xi与Yi的相对距离在r至d区域内时，应用200nm～240nm日盲波段的紫外光；当Xi与Yi的相对距离在d至R内时，应用240nm～280nm日盲波段的紫外光。5.根据权利要求1所述的基于无线紫外光通信的单虚拟主控多智体...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵太飞，高鹏，解颖，李慧杨，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61