一种多领导者与切换拓扑下的多智能体容错编队跟踪控制方法技术

本发明专利技术涉及一种多领导者与切换拓扑下的多智能体容错编队跟踪控制方法，将故障模型加入到追随者的动态模型当中，基于智能体之间的相邻误差构造容错时变编队追踪控制协议；获得多智能体完成编队追踪所需的可行性条件；设计容错时变编队追踪的多智能体模型，并且给出自适应更新公式中所需的参数；构建智能体的控制模型，实现在多个领导者与切换拓扑下的容错时变编队追踪控制。变编队追踪控制。变编队追踪控制。

【技术实现步骤摘要】
一种多领导者与切换拓扑下的多智能体容错编队跟踪控制方法


[0001]本专利技术涉及多智能体系统协同控制
，具体涉及一种多领导者与切换拓扑下的多智能体容错编队跟踪控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，多智能体系统的协同控制因其在各个领域都拥有极其重要的应用从而得到了迅速发展，并引起了各个领域的关注。例如：微型卫星、车辆编队控制、飞行器编队控制、复杂网络同步、水下机器人，等方面都有极其重要的应用。协同控制可分为编队控制、一致性控制、合围控制和编队包围控制等几个分支。一致性控制是在设计的控制协议下，使得所有智能体的达到一致的状态。在过去的几十年中，机器人控制领域有三种典型的控制方法，分别是基于行为方法、领导
‑
追随法和虚拟结构方法。
[0003]如今很多的多智能体编队研究都没有考虑执行器故障，然而随着多智能体规模的扩大后，智能体中执行器发生故障的概率也会提升，当执行器发生故障以后，会影响任务的继续执行，从而导致任务失败。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种解决具有多个领导者的高阶线性多智能体系统的时变容错编队追踪控制问题，其中领导者的控制输入是未知且时变的。
[0005]本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种多领导者与切换拓扑下的多智能体容错编队跟踪控制方法，其包括如下步骤：
[0007](1)根据智能体空间分布确定领导者与追随者；
[0008](2)根据外部切换拓扑期间得到的故障信息，确定故障类型，将故障模型加入到追随者的动态模型当中；
[0009](3)构造领导者与追随者之间的拓扑交互结构；
[0010](4)基于智能体之间的相邻误差构造容错时变编队追踪控制协议；
[0011](5)获得多智能体完成编队追踪所需的可行性条件；
[0012](6)基于多智能体中领导与追随者模型，集合X拓扑关系，编队可行性条件，设计容错时变编队追踪的多智能体模型，并且给出自适应更新公式中所需的参数；
[0013](7)构建智能体的控制模型，实现在多个领导者与切换拓扑下的容错时变编队追踪控制。
[0014]进一步的，步骤(1)中，所有知情追随者都是消息灵通的追随者，追随者之间的信息交互渠道是无方向的，对于每一个消息不灵通的追随者而言，至少存在一个消息灵通的追随者与它连接。
[0015]进一步的，步骤(2)中，故障类型分为四种情况：
[0016]情况1：当ρ
id
(t)＝1且u
bid
(t)＝0系统不存在故障；
[0017]情况2：当0＜ρ
id
(t)＜1且u
bid
(t)＝0时只存在失效故障；
[0018]情况3：当ρ
id
(t)＝1且u
bid
(t)≠0时系统只存在偏置故障；
[0019]情况4：当0＜ρ
id
(t)＜1且u
bid
(t)≠0时系统既存在失效故障也存在偏置故障。
[0020]进一步的，步骤(4)中，所述容错时变编队追踪控制协议为：
[0021][0022]其中，与
[0023]与是自适应性参数，与表示故障的界限估计，P是一个正定矩阵。
[0024]进一步的，步骤(4)中，正定矩阵P由线性不等式求得，其中线性不等式(A,B)是稳定的并且
[0025]进一步的，步骤(5)中，所述编队的可行性条件的补偿输入v
i
(t)，通过求解，假设存在补偿输入v
i
(t)满足上述公式则可以继续，否则形成的编队对于在容错协议下的多智能体系统是行不通的。
[0026]进一步的，步骤(6)中，所述自适应性参数包括分别通过如下公式计算：
[0027][0028][0029][0030]进一步的，其中容错控制协议的局部编队追踪误差ξ
i
(t)i∈F通过下列公式计算：
[0031][0032]其中，协调变量θ
i
(t)是基于期望时变编队h
i
(t)来定义的，定义编队的协调变量为θ
i
(t)＝x
i
(t)
‑
h
i
(t)i∈F；
[0033]在多智能体运行期间，追随者的时变编队偏移向量h
i
(t)，需要满足下述条件：对于任意给定有界初始状态，如果存在一个正常数a
k
(k∈E)满足可以实现具有多个领导者的编队追踪控制；
[0034][0035]代表编队参考函数。
[0036]进一步的，步骤(7)中，带有执行器故障的追随者动力学模型：
[0037][0038]本专利技术的有益效果在于：
[0039]1、当多智能体系统中一个或者多个智能体发生执行器故障以后，不仅可以完成所期望的时变编队，同时还可以跟踪领导者预期的轨迹，其中领导者存在未知时变控制输入使得研究变得更为复杂，并且相比较与无领导者或者单个领导者而言，本专利技术研究了存在多个领导者的情况更为复杂，且鲁棒性更强，单个领导者的研究结果不能直接应用到多个领导者。
[0040]2、编队是时变的，每个多智能体都是高阶的，相比较与时不变编队而言，时变编队的研究更为实用并且研究更为复杂。
[0041]3、本专利技术的拓扑是切换的，相比较与固定拓扑的研究本专利技术研究的切换拓扑应用更加广泛且鲁棒性更强，因为障碍物阻塞或通信设备链路故障时，多智能体系统的交互拓扑可能发生切换。并且固定拓扑的处理方法不能直接适用于切换拓扑，具有切换拓扑的多智能体系统的研究相较于固定拓扑而言更加复杂并且更加具有挑战性。
[0042]本专利技术考虑了编队控制方法，给出了一种分布式编队控制协议用来补偿偏置故障与未知效率故障，给出了时变编队的可行性方法。对于大规模多智能体控制，由于通信的限
附图说明
[0043]图1为本专利技术的方法的流程示意图。
[0044]图2为计算例中，多智能体通信拓扑图集合X包含的G1生成树编队拓扑结构。
[0045]图3为为计算例中，多智能体通信拓扑图集合X包含的G2生成树编队拓扑结构。
[0046]图4为拓扑切换信号时序示意图。
[0047]图5为追随者的误差。
具体实施方式
[0048]用G＝{V,E,W}表示拥有M结点的加权有向图，用V＝{v1,v2,....,v
M
}来表示结点集合，为边集合，W＝[w
ij
]∈R
M
×
M
表示具有非负权重的w
ij
的邻接矩阵。G每条边用e
ij
＝(v
i
,v
j
)来表示，v
i
是v
j
的邻居。权重w
ij
＞0当且仅当e
ji...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多领导者与切换拓扑下的多智能体容错编队跟踪控制方法，其特征在于，其包括如下步骤：(1)根据智能体空间分布确定领导者与追随者；(2)根据外部切换拓扑期间得到的故障信息，确定故障类型，将故障模型加入到追随者的动态模型当中；(3)构造领导者与追随者之间的拓扑交互结构；(4)基于智能体之间的相邻误差构造容错时变编队追踪控制协议；(5)获得多智能体完成编队追踪所需的可行性条件；(6)基于多智能体中领导与追随者模型，集合X拓扑关系，编队可行性条件，设计容错时变编队追踪的多智能体模型，并且给出自适应更新公式中所需的参数；(7)构建智能体的控制模型，实现在多个领导者与切换拓扑下的容错时变编队追踪控制。2.根据权利要求1所述的一种多领导者与切换拓扑下的多智能体容错编队跟踪控制方法，其特征在于，步骤(1)中，所有知情追随者都是消息灵通的追随者，追随者之间的信息交互渠道是无方向的，对于每一个消息不灵通的追随者而言，至少存在一个消息灵通的追随者与它连接。3.根据权利要求1所述的一种多领导者与切换拓扑下的多智能体容错编队跟踪控制方法，其特征在于，步骤(2)中，故障类型分为四种情况：情况1：当ρ
id
(t)＝1且u
bid
(t)＝0系统不存在故障；情况2：当0＜ρ
id
(t)＜1且u
bid
(t)＝0时只存在失效故障；情况3：当ρ
id
(t)＝1且u
bid
(t)≠0时系统只存在偏置故障；情况4：当0＜ρ
id
(t)＜1且u
bid
(t)≠0时系统既存在失效故障也存在偏置故障。4.根据权利要求1所述的一种多领导者与切换拓扑下的多智能体容错编队跟踪控制方法，其特征在于，步骤(4)中，所述容错时变编队追踪控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：武晓晶，郭振安，甄然，吴学礼，
申请(专利权)人：河北科技大学，
类型：发明
国别省市：