通讯不确定下的多智能体控制器和安全半径分离设计方法技术

本发明专利技术公开一种通讯不确定下的多智能体控制器和安全半径分离设计方法，步骤如下：步骤一：对智能体建立运动模型、通信网络模型及安全半径模型；步骤二：在理想条件和实际条件下，设计满足性能的智能体的控制器；步骤三：在实际运动过程中，考察估计安全距离与安全距离相等的条件，并基于此设计实际运动过程中安全半径的下界。本发明专利技术可以使控制器设计过程仅考虑理想条件下需达成的目标，而不考虑所有通信网络的不确定性补偿策略；本发明专利技术方法可以极大简化整个多智能体系统的控制器设计工作，并最终使得环境中智能体尽可能达到最大容量，同时所有智能体都能在线规划路径，高效且安全地完成任务。成任务。成任务。

【技术实现步骤摘要】
通讯不确定下的多智能体控制器和安全半径分离设计方法


[0001]本专利技术属于多智能体领域，具体涉及一种通讯不确定下的多智能体控制器和安全半径分离设计方法。

技术介绍

[0002]基于多智能体系统的研究如火如荼，相关成果已广泛应用于如无人机、无人车、无人船集群系统等。未来，随着多智能体系统中，智能体的数量持续增长，智能体之间的冲突频率在不断增高，这对多智能体系统的可靠性和安全性提出了挑战。目前基于多智能体系统的相关研究提出了不同方案的控制策略，通过智能体自身的传感器信息以及智能体间的通信，实现多智能体在线路径规划。其中，控制器的设计过程不仅要考虑智能体的运动模型，还要考虑环境的通信网络模型，以对状态估计噪声、通信延迟、丢包等采取补偿策略，设计过程效率较低且不具备普适性。研究通讯不确定下的多智能体控制器和安全半径分离的设计方法，可以使控制器设计过程仅考虑理想条件下需达成的目标，而不考虑所有通信网络的不确定性补偿策略；进一步，根据通信网络的不确定性设计多智能体间安全距离(称之为安全半径)，最终将安全半径应用于已设计好的控制器上。这种设计方法可以极大简化整个多智能体系统的控制器设计工作，并最终使得环境中智能体尽可能达到最大容量，同时所有智能体都能在线规划路径，高效且安全地完成任务。因此，研究一种基于多智能体模型将控制器和安全半径进行分离的设计方法是十分重要且有意义的。

技术实现思路

[0003]本专利技术给出了一种通讯不确定下的多智能体控制器和安全半径分离设计方法，包括提出控制器设计目标、将控制器和安全半径进行分离的设计条件，以及安全半径设计流程。它解决了多智能体系统的碰撞避免问题，使得同一区域中同时存在尽可能多的智能体，同时，所有智能体间避免冲突，使得多智能体系统保持高效、安全地完成任务。
[0004]为实现上述目的，本专利技术的实现步骤如下：
[0005]步骤一：对智能体建立运动模型、通信网络模型及安全半径模型，具体如下：
[0006]步骤1.1：基于智能体的运动特性，建立智能体的运动模型。智能体的一种运动模型定义为：
[0007][0008]其中，为智能体的位置，为智能体的速度，为智能体的速度控制输入，l为智能体的操纵系数，代表着智能体的机动能力大小，可以通过试验获得。
[0009]为确保所有情况的安全性，对于每个智能体而言，环境中的其他智能体都会被其视为不会主动规避该智能体的障碍物。障碍物的运动模型建立如下：
[0010][0011]其中，为障碍物的位置，为障碍物的速度，为障碍物的速度控制输入。智能体和障碍物的速度控制输入均存在如下约束：
[0012][0013]进一步，如图1a、b、c所示，考虑到智能体与障碍物的不同运动方向情况对防止碰撞紧急程度带来的影响，建立智能体及障碍物的滤波位置模型如下：
[0014][0015]其中，为智能体的滤波位置，为障碍物的滤波位置，其中同时包含了位置、速度和机动性的信息。智能体和障碍物的最终运动模型如图1a、b、c所示，其中多旋翼飞行器代表智能体，固定翼飞行器代表障碍物。
[0016]步骤1.2：基于环境中的通信链路特性，建立智能体间的通信网络模型，包括智能体自身的估计噪声、智能体间的通信延迟和丢包。如图2所示，智能体和障碍物分别以多旋翼飞行器、固定翼飞行器为例，其中，智能体对自身的状态估计存在估计噪声，对障碍物的状态估计包括估计噪声、通信延迟以及丢包。首先，智能体(障碍物)模型建立如下：
[0017]对于智能体(障碍物)，为在运动中对自身的滤波位置估计，有
[0018][0019]其中ε为智能体(障碍物)对自身的估计滤波位置噪声，有||ε||≤b，b为ε的上界，v
b
为噪声ε的导数的上界；
[0020]智能体与障碍物间的通信延迟和丢包模型建立如下：
[0021][0022]其中，对智能体而言，ξ
o
(t)为t时刻障碍物的滤波位置；为对通信延迟及丢包建立均值模型后，t时刻障碍物的期望滤波位置；为智能体获得的障碍物的估计滤波位置；T
s
为智能体获取障碍物状态的通信数据传输间隔；θ为通信环境的丢包率；τ
d
为通信环境的通信延迟上界；ε
o
为智能体对障碍物的估计滤波位置与期望滤波位置间的误差噪声，b
o
为ε
o
的上界，为噪声ε
o
的导数的上界。
[0023]步骤1.3：建立智能体的安全半径模型。基于智能体的物理尺寸，定义智能体的物理区域为一个球体：
[0024][0025]其中球体的球心为智能体的位置，球体的半径r
m
＞0与智能体的物理尺寸有关，称为智能体的物理半径。当智能体间物理区域无交叉时，则认为智能体间没有发生碰撞。
[0026]由于对智能体而言，环境中的其他智能体都会被其视为不会主动规避该智能体的障碍物。因此，在智能体视角下，对于某一障碍物，定义障碍物区域为一个球体：
[0027][0028]其中球体的球心为障碍物的位置，球体的半径r
o
＞0称为障碍物的物理半径。智能体与障碍物不发生碰撞意味着：
[0029][0030](8)式即为最终智能体控制器的设计目标。
[0031]进一步，基于智能体的滤波位置模型及通信网络模型，定义智能体的安全区域为另一个球体：
[0032][0033]其中球体的球心为智能体的滤波位置，球体的半径r
s
＞0称为智能体的安全半径。当智能体的安全区域与障碍物区域无交叉时，即：
[0034][0035]则认为智能体间在考虑机动性及通信网络条件下，没有与障碍物碰撞的风险，即式(11)为式(9)的充分条件。对于智能体的物理半径和安全半径之间的关系，显然有r
s
＞r
m
成立。以两架多旋翼飞行器为例，智能体及障碍物的安全半径模型如图3所示。
[0036]步骤二：在理想条件和实际条件下，设计满足一定性能的智能体的控制器，具体如下：
[0037]步骤2.1：根据智能体的物理特性，假设存在合适的以智能体间滤波位置误差作为控制输入的控制器，使得在可以精确获得智能体与障碍物滤波位置的理想条件下，智能体与障碍物的滤波位置误差可以在运动阶段始终大于给定安全距离r。智能体的控制器可表示为
[0038][0039]其中控制器(12)应满足以下条件：当智能体与障碍物间的滤波位置误差在初始时刻满足那么在整个运动过程中
[0040]步骤2.2：考虑在实际运动过程中，在无法精确获得智能体与障碍物滤波位置的理想条件下，控制器输入只能采用智能体与障碍物的估计滤波位置e
o
(t)，表示为：
[0041][0042]此时，智能体的控制器表示为
[0043]v
c
＝c(t,e
o
,r)
ꢀꢀꢀ
(14)
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通讯不确定下的多智能体控制器和安全半径分离设计方法，其特征在于：该方法步骤如下：步骤一：对智能体建立运动模型、通信网络模型及安全半径模型；步骤二：在理想条件和实际条件下，设计满足性能的智能体的控制器；步骤三：在实际运动过程中，考察估计安全距离与安全距离相等的条件，并基于此设计实际运动过程中安全半径的下界。2.根据权利要求1所述的通讯不确定下的多智能体控制器和安全半径分离设计方法，其特征在于：所述步骤一的过程具体如下：步骤1.1：基于智能体的运动特性，建立智能体的运动模型；智能体的一种运动模型定义为：其中，为智能体的位置，为智能体的速度，为智能体的速度控制输入，l为智能体的操纵系数，代表着智能体的机动能力大小，可以通过试验获得；为确保所有情况的安全性，对于每个智能体而言，环境中的其他智能体都会被其视为不会主动规避该智能体的障碍物；障碍物的运动模型建立如下：其中，为障碍物的位置，为障碍物的速度，为障碍物的速度控制输入；智能体和障碍物的速度控制输入均存在如下约束：进一步，考虑到智能体与障碍物的不同运动方向情况对防止碰撞紧急程度带来的影响，建立智能体及障碍物的滤波位置模型如下：其中，为智能体的滤波位置，为障碍物的滤波位置，其中同时包含了位置、速度和机动性的信息；步骤1.2：基于环境中的通信链路特性，建立智能体间的通信网络模型，包括智能体自身的估计噪声、智能体间的通信延迟和丢包；首先，智能体/障碍物模型建立如下：对于智能体/障碍物，为在运动中对自身的滤波位置估计，有其中ε为智能体/障碍物对自身的估计滤波位置噪声，有||ε||≤b，b为ε的上界，v
b
为噪声ε的导数的上界；
智能体与障碍物间的通信延迟和丢包模型建立如下：其中，对智能体而言，ξ
o
(t)为t时刻障碍物的滤波位置；为对通信延迟及丢包建立均值模型后，t时刻障碍物的期望滤波位置；为智能体获得的障碍物的估计滤波位置；T
s
为智能体获取障碍物状态的通信数据传输间隔；θ为通信环境的丢包率；τ
d
为通信环境的通信延迟上界；ε
o
为智能体对障碍物的估计滤波位置与期望滤波位置间的误差噪声，b
o
为ε
o
的上界，为噪声ε
o
的导数的上界；步骤1.3：建立智能体的安全半径模型；基于智能体的物理尺寸，定义智能体的物理区域为一个球体：其中球体的球心为智能体的位置，球体的半径r
m
＞0与智能体的物理尺寸有关，称为智能体的物理半径；当智能体间物理区域无交叉时，则认为智能体间没有发生碰撞；由于对智能体而言，环境中的其他智能体都会被其视为不会主动规避该智能体的障碍物；因此，在智能体视角下，对于某一障碍物，定义障碍物区域为一个球体：其中球体的球心为障碍物的位置，球体的半径r
o
＞0称为障碍物的物理半径；智能体与障碍物不发生碰撞意味着：(8)式即为最终智能体控制器的设计目标；进一步，基于智能体的滤波位置模型及通信网络模型，定义智能体的安全区域为另一个球体：其中球体的球心为智能体的滤波位置，球体的半径r
s
＞0称为...

【专利技术属性】
技术研发人员：全权，付饶，高岩，毛鹏达，蔡开元，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：