一种基于时间同步稳定的多智能体一致性控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于时间同步稳定的多智能体一致性控制方法，包括以下步骤：建立多智能体的二阶动态模型，并设计编队辅助函数；基于单位方向向量的数学原理，设计一种新型的方向符号函数，并利用该函数构建一种新颖的固定时间滑模面；针对多智能体系统，设计多智能体系统的收敛时间并构建固定时间同步收敛控制器实现多智能体系统的位置一致跟踪；所有多智能体的状态协同到达平衡点。本发明专利技术的控制方法具有鲁棒性强，控制精度高等特性，适合应用于多智能体固定时间所有状态同步收敛一致性跟踪问题。跟踪问题。跟踪问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于时间同步稳定的多智能体一致性控制方法


[0001]本专利技术涉及一种基于时间同步稳定的多智能体一致性控制方法，主要应用于航天器星群编队，无人船分布跟踪等，属于多智能体控制


技术介绍

[0002]随着现代通讯和智能计算的飞速发展，多智能体系统得到了越来越多学者的关注。由于其低成本，网络化作业，高灵活性的优势，在诸多实际应用中得到了有效性证明。多智能体协同控制是通过多个多智能体相互协作，形成规则有序的运动。多智能体分布式跟踪控制不仅具有基础理论价值，更具有重要的工程应用前景。针对可以广泛表征航天器、机器人、无人车等实际系统模型，研究多智能体的分布式协同控制算法设计是本领域技术人员亟待解决的问题。
[0003]针对多智能体一致性控制问题，专利CN108181926A公开了一种快速有限时间一致性协议，提高了多智能体的收敛速度。专利CN113269297A考虑了带有时间约束的多智能体调度方法，提高了多智能体的反应速度和运行可靠性。然而上述两种方法无法实现特定任务中多智能体所有状态在同一时刻完成同步的控制需求。专利20210707354.X提供了单体系统多个维度状态同步收敛的控制器设计方案，但该方法不适用于分布式的多智能体系统。
[0004]综上分析，多智能体二阶动态系统作为多智能体系统的主要研究方向之一，开展分布式时间同步一致性控制方法具有十足的工程和理论研究意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于时间同步稳定的多智能体一致性控制方法，用以解决系统状态在固定时间到达滑模面；固定时间多智能体一致跟踪；所有多智能体的状态协同到达平衡点的问题，可以在10^
‑
3量级的干扰下，实现10^
‑
4量级以上的精度的控制，精度提高了一个数量级。本专利技术适合应用于多智能体固定时间所有状态同步收敛一致性跟踪问题。
[0006]本专利技术的一种基于时间同步稳定的多智能体一致性控制方法，包括如下步骤：
[0007]S1：建立多智能体的二阶动态模型，并设计编队辅助函数；
[0008]S2：基于单位方向向量的数学原理，设计一种新型的方向符号函数，并利用该函数构建一种新颖的固定时间滑模面；
[0009]S3：针对多智能体系统模型，设计固定时间同步收敛控制器；
[0010]S4：基于S2中的滑模面构建和S3中设计的控制器，验证多智能体系统状态在固定时间到达滑模面；多智能体在固定时间实现一致跟踪；所有多智能体的状态协同到达平衡点。
[0011]步骤S1中，建立多智能体的二阶动态模型如下：
[0012][0013][0014]其中，位置和速度向量为i∈{1,2,
…
,N}，是控制律，为状态转移函数，为可逆的输入函数。
[0015]定义辅助变量如下：
[0016][0017][0018]其中，
[0019]步骤S2中新型的方向符号函数设计并定义为如下形式：
[0020][0021]其中为任意n维向量，0
n
为n维零向量。该符号函数的指数幂可以定义为如下形式：
[0022][0023]其中，p为幂指数。
[0024]基于以上符号函数可以构建一种新型的时间同步稳定滑模面为：
[0025][0026]其中，式中滑模面切换条件阈值ε>0，设计滑模面增益参数α1>0,β1>0,滑模面幂指数满足0<p1<1,g1>1。
[0027]步骤S3中设计多智能体系统收敛的时间的界过程如下：
[0028]首先，设计李雅普诺夫函数并设计其时间偏导数的形式为：
[0029][0030]其中，设计增益参数α2>0,β2>0，幂指数参数满足p2<1,g2>1。由此可分析得到，多智能体系统状态在固定时间到达滑模面s
i
＝0，收敛时间的界为：
[0031][0032]然后，再设计第二个李雅普诺夫函数李雅普诺夫函数V
m2
的导数为：
[0033][0034]多智能体系统实现跟踪一致收敛时间的界为：
[0035][0036]在分析设计收敛时间的界后，构建固定时间同步收敛控制器为如下形式：
[0037][0038]通过以上设计完成了一种时间同步稳定的多智能体一致性控制的设计。
[0039]本专利技术提供的上述考虑基于时间同步稳定的多智能体一致性控制方法，首先建立多智能体的二阶动态模型，并设计辅助变量；然后基于单位方向向量的数学原理，设计一种新型的方向符号函数，并利用该函数构建一种新颖的固定时间滑模面；接着针对多智能体系统模型，设计固定时间同步收敛控制器；最后基于构建的滑模面和控制器，验证多智能体系统状态在固定时间到达滑模面；多智能体在固定时间实现一致跟踪；所有多智能体的状态协同到达平衡点。
[0040]本专利技术与现有的技术相比优点在于：
[0041](1)与传统的固定时间姿态控制方法相比，本专利技术的符号函数的构建使得多智能体系统中的位置和速度能够实现有限时间的同步收敛。
[0042](2)由于使用方向符号函数构建的误差为实际的矢量误差，与基于传统的符号函数的控制方法相比，本专利技术的控制能耗会显著地减小，能有效地提高控制性能，并且本专利技术的控制方法的控制器的设计是不存在数值奇异的，因此能实现稳定的协同跟踪。
附图说明
[0043]图1为本专利技术的基于时间同步稳定的多智能体一致性跟踪控制方法的流程示意图；
[0044]图2为采用本专利技术控制方法多智能体同步一致的轨迹仿真结果；
[0045]图3为采用本专利技术控制方法状态量的仿真结果；
[0046]图4为采用本专利技术控制方法控制量的仿真结果；
[0047]图5为采用本专利技术控制方法的编队跟踪误差仿真结果。
具体实施方式
[0048]下面将结合本专利技术实施方式中的附图，对本专利技术实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本专利技术。
[0049]如图1所示，本专利技术的基于时间同步稳定的多智能体一致性跟踪控制方法的具体实施进行详细说明。
[0050]步骤S1中，建立多智能体的二阶动态模型如下：
[0051][0052][0053]其中，位置和速度向量为i∈{1,2,3,4}，是控制律。
[0054]选取
[0055]q
i
＝
‑
i(
‑
1)
i
[4,
‑
6,8]T
(3)
[0056]关联矩阵为：
[0057]步骤S2中新型的方向符号函数设计并定义为如下形式：
[0058][0059]其中为任意n维向量，0
n
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于时间同步稳定的多智能体一致性控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：建立多智能体的二阶动态模型，并设计编队辅助函数；S2：基于单位方向向量的数学原理，设计一种新型的方向符号函数，并利用该函数构建一种新颖的固定时间滑模面；S3：针对S1中的多智能体系统的二阶动态模型，设计多智能体系统收敛的时间，并利用李雅普诺夫稳定性原理，构建固定时间同步收敛控制器，利用位置和速度的信息以及S1中的多智能体的二阶动态模型信息，计算得到控制量的值，实现时间同步稳定的多智能体一致性控制。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S1中，建立多智能体的二阶动态模型如下：模型如下：其中，位置和速度向量为位置和速度向量为是控制律，为状态转移函数，为可逆的输入函数；定义辅助变量用于表征各个智能体之间的位置和速度的同步度：定义辅助变量用于表征各个智能体之间的位置和速度的同步度：其中，3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S2中，新型的方向符号函数设计并定义为如下形式：其中为任意n维向量，0
n
为n维零向量；该符号函数的指数幂定义为如下形式：其中，p为幂指数...

【专利技术属性】
技术研发人员：李东禹，胡庆雷，杨昊旸，郑建英，邵小东，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：