基于二叉树拓扑结构和特定规则的多智能体编队变换方法技术

本发明专利技术提供一种基于二叉树拓扑结构和特定规则的多智能体编队变换方法，以领航—跟随法为基础，通过对智能体自带传感器量测信息的解算得到领航者的绝对位置和速度，进而设计智能体的分布式控制律；同时，本发明专利技术应用二叉树拓扑结构设计可行编队队形的拓扑结构，包括V型、人字型、一字型以及十字型，使多智能体排布尽量稀疏的同时保证量测范围约束，并根据对拓扑结构的分析设计了四类队形之间的可直接变换关系，针对可直接变换的两类队形设计变换规则，为多智能体的编队队形变换提供指导；由此可见，本发明专利技术提供的是一种不依赖通信条件、仅依赖传感器量测的队形变换方法，适用于不同规模的多智能体群体，尤其适用于无人潜航器(UUV)。

【技术实现步骤摘要】
基于二叉树拓扑结构和特定规则的多智能体编队变换方法
本专利技术属于多智能体编队控制
，尤其涉及一种基于二叉树拓扑结构和特定规则的多智能体编队变换方法。
技术介绍
在实际情况中多智能体依靠不同的队形来适应不同的环境和任务，因此研究编队队形变换有非常重要的意义与价值。常用的队形有V形、人字队形、纵队和十字队形等。据调研所知，多数研究成果主要将队形变换作为约束条件，没有具体说明变换的过程，少数文献讨论了变换过程的实现，用到的方法有基于具体规则的方法和路径规划方法等，但这些方法都依赖较理想的通信条件。也有文献考虑了只依赖传感器量测信息的情况，但只设计了单一队形的保持方法，没有给出具体队形变换的方法。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种基于二叉树拓扑结构和特定规则的多智能体编队变换方法，仅依赖多智能体自带传感器的量测即可完成多智能体不同队形之间的变换，并且多智能体数量可扩展。一种基于二叉树拓扑结构和特定规则的多智能体编队变换方法，编队队形的类别包括V型、人字型、一字型以及十字型，同时，多智能体中存在一个总领航者，且本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二叉树拓扑结构和特定规则的多智能体编队变换方法，其特征在于，编队队形的类别包括V型、人字型、一字型以及十字型，同时，多智能体中存在一个总领航者，且除总领航者外，其余智能体至多有两个跟随者；/n多智能体按照设定的各类别之间的可直接变换关系，由当前编队队形G

【技术特征摘要】
1.一种基于二叉树拓扑结构和特定规则的多智能体编队变换方法，其特征在于，编队队形的类别包括V型、人字型、一字型以及十字型，同时，多智能体中存在一个总领航者，且除总领航者外，其余智能体至多有两个跟随者；
多智能体按照设定的各类别之间的可直接变换关系，由当前编队队形Gnow变换为下一个编队队形Gnew的方法为：
获取在编队队形Gnew中领航者相对于编队队形Gnow发生变化的智能体，并将领航者发生变化的智能体记为待定智能体；将各待定智能体作为当前智能体执行以下步骤：
获取当前智能体的领航者从编队队形Gnow的智能体A变换到编队队形Gnew中的智能体B所要经过的智能体，并将所要经过的智能体记为跳板智能体；
调节当前智能体的与以当前智能体在编队队形Gnow中对应的领航者作为当前智能体的领航者执行位置变换操作，使得当前智能体落入第一个跳板智能体的探测范围；以第一个跳板智能体作为当前智能体的领航者，再次执行位置变换操作；以此类推，直到当前智能体落入其在编队队形Gnew中对应的领航者的探测范围；以当前智能体在编队队形Gnew中对应的领航者作为当前智能体的领航者再次执行位置变换操作，实现编队队形的变换；
其中，若当前智能体需拉大与当前的领航者之间的距离，则增大减小若当前智能体需减小与当前的领航者之间的距离，则减小增大且为当前智能体与其当前的领航者之间的欧氏距离期望值，为当前智能体与其当前的领航者的连线与大地坐标系Y轴正方向的夹角期望值；
所述位置变换操作包括以下步骤：
S1：除总领航者外，各智能体通过自带传感器量测得到各自当前的领航者的位置、艏向角、前进速度以及角速度；
S2：根据智能体各自对应的领航者的位置、艏向角、前进速度以及角速度，采用基于积分滑模控制设计的运动学控制器得到各智能体的前进速率控制律和艏向角控制律；
S3：将各智能体的前进速率控制律和艏向角控制律输入PID动力学控制器中，得到各智能体对应的水动力模型的控制输入向量τ＝(τ1，τ2，τ3)T，其中，τ1和τ2分别为各智能体在自身本体坐标系x轴和y轴方向上的速度，τ3为角速度；
S4：各智能体根据各自对应的控制输入向量τ＝(τ1，τ2，τ3)T更新自身的位置、艏向角、前进速度以及角速度，并反馈给运动学控制器和PID动力学控制器，使各智能体与其领航者保持期望的相对位置关系。


2.如权利要求1所述的一种基于二叉树拓扑结构和特定规则的多智能体编队变换方法，其特征在于，智能体根据如下四种情况获取自身当前的领航者的位置、艏向角、速度以及角速度：
情况a：当领航者完全在作为其跟随者的智能体的量测范围内，且不位于作为其跟随者的智能体的正前方时：
领航者的艏向角αL为：



其中，(Y1，X1)为领航者的头部在大地坐标系下的坐标，(Y2，X2)为领航者的尾部在大地坐标系下的坐标；
领航者在作为其跟随者的智能体的机体坐标系下的质心坐标为经坐标转换后得到领航者在大地坐标系下的质心坐标(YL，XL)，其中，(y1，x1)为领航者的头部在所述机体坐标系下的坐标，(y2，x2)为领航者的尾部在所述机体坐标系下的坐标；
情况b：当领航者完全在作为其跟随者的智能体的量测范围内，且位于作为其跟随者的智能体的正前方时：
领航者的艏向角αL与作为其跟随者的智能体的艏向角αi相同；
领航者在作为其跟随者的智能体的机体坐标系下的质心坐标为(0，x2+LU/2，经坐标转换后得到领航者在大地坐标系下的质心坐标(YL,XL)，其中，LU为作为跟随者的智能体的机身长度；
情况c：当领航者不完全在作为其跟随者的智能体的量测范围内，且作为其跟随者的智能体只能量测到领航者的头部时：
若领航者的机身与作为其跟随者的智能体的量测范围边界交点纵坐标与领航者的头部的纵坐标相同，则领航者的艏向角αL与作为其跟随者的智能体的艏向角αi相同；否则，领航者的艏向角αL为：



其中，(Yb，Xb)为大地坐标系下，领航者的机身与作为其跟随者的智能体的量测范围边界交点；
领航者在大地坐标系下的质心坐标(YL，XL)为：



情况d：当领航者不完全在作为其跟随者的智能体的量测范围内，且作为其跟随者的智能体只能量测到领航者的尾部时：
若领航者的机身与作为其跟随者的智能体的量测范围边界...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛斌，张钧溪，曲韵，陈杰，王晴，杨庆凯，曾宪琳，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11