仅方位角测量下基于双领导者模式的集群协同控制方法技术

本发明专利技术公开了一种仅方位角测量下基于双领导者模式的集群协同控制方法，首先为无人机集群中所有智能体分配身份，确定领导者、副领导者和其余跟随者，使用邻接矩阵规定编队内各无人机通讯关系，无人机利用方位角测量信息计算位置，根据目标误差输入运动控制律，完成编队跟随行为，最后判断智能体是否到达目标位置。本发明专利技术的方法仅需在无人机上配备能够探测领导者和第一跟随者相对方位角的传感器设备，只对领导者和第一跟随者二者有较高的设备要求，从而简化硬件设备，降低成本，在简单的约束下，能自动对其编队整体期望角度和缩放规模完成跟随，可实现集群的运动控制，对未知区域进行合作式扫掠，完成任务目标。完成任务目标。完成任务目标。

【技术实现步骤摘要】
仅方位角测量下基于双领导者模式的集群协同控制方法


[0001]本专利技术属于集群智能控制领域，具体涉及一种仅方位角测量下基于双领导者模式的集群协同控制方法。

技术介绍

[0002]随着近些年自动化技术和电子技术的提升，使用有一定自主任务能力的无人机执行任务的应用领域得到长足发展，如农业植保，紧急搜救等领域。相较于目前较为常见的单机作业方式，多无人机协同作业可以提高在单位任务时间内的任务完成量，减少任务完成的总体时间。多无人机在同一地理区域内协同作业，为了避免任务区域重合，影响效率以及相互碰撞，造成损失，需要在多无人机之间设计通信方式和各无人机控制律对其路径和行为进行控制。
[0003]在多无人机控制领域中，领导者
‑
跟随者编队法是一种较为常使用的方式，但是单领导者无法指示编队的行进方向，也不具备长度规模。利用双领导者设计，可以将领导者角色扩为一个具有大小的方向的刚体，加强对集群中跟随者的控制能力。在集群控制中通常需要跟随无人机通过传感器或是通信获取其他智能体的全局坐标，局部坐标或是距离信息进行定位。而如果无人机搭载的探测能力有限，无法获得以上三种信息，但可以基于简单的传感器获取其他无人机的相对方位角测量信息，本专利技术即提供了一种仅方位角测量下基于双领导约束的集群协同控制方案。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种基于仅方位角测量下双领导者模式方式的集群控制方法。
[0005]本专利技术采用的技术方案是：一种基于仅方位角测量下双领导者模式方式的集群控制方法，具体步骤如下：
[0006]S1、为无人机集群中所有智能体分配身份，确定领导者、副领导者和其余跟随者；
[0007]S2、使用邻接矩阵规定编队内各无人机通讯关系；
[0008]S3、无人机利用方位角测量信息计算位置；
[0009]S4、无人机根据目标误差输入运动控制律，完成编队跟随行为；
[0010]S5、判断智能体是否到达目标位置，若是则结束，若否则回到步骤S3。
[0011]进一步地，所述无人机集群中的角色有一个领导者、一个第一跟随者作为副领导者和若干其余跟随者，共三种类型。对于领导者和第一跟随者，允许其搭载较为复杂的探测器和通信设备以完成编队控制中的高级任务，而对于其余跟随者，其仅搭载足以获取双领导者无人机的相对方位角测量信息的探测器和通信设备。
[0012]进一步地，在所述步骤S2中，对于在双领导者模式下有n个无人机的智能编队，确定其表示信息获取关系的邻接矩阵为：
[0013][0014]其中，邻接矩阵中的元素a
ij
，表示的含义为编号为i的无人机到编号为j的无人机的信息流通能力，若为0则为不可流通，若为1则为可流通。一般的，若a
ij
＝a
ji
则编号为i的无人机和编号为j的无人机之间信息是双向流通的，在这里邻接矩阵表示从双领导者到其余跟随者的信息都是单向传递的。
[0015]进一步地，在所述步骤S3中，无人机利用自身可获取的相对自身坐标系下领导者和第一跟随者的方位角测量信息，可以利用双领导者刚体进行三角定位，从而确定自身的位置。智能体n可获取自身前进方向与全局坐标系的夹角为θ
asn
，领导者和第一跟随者之间距离为ρ
s
，而这形成双领导者刚体，其在第n跟随者坐标系C
n
下的相对角度θ
snl
和θ
sns1
，则可计算此时无人机跟随者n在领导者坐标系C
l
下当前位置为s
n
＝(x
n
,y
n
)
T
，其中，T表示矩阵转置，(x
n
,y
n
)为无人机跟随者n此时的二维坐标值，计算方式如下：
[0016][0017]在步骤S4中，第n跟随者无人机可以获得其在领导者坐标系下的目标位置s
t
，根据计算出的s
n
，计算此时相对目标位置的误差值为
[0018]进一步地，在所述步骤S4中使用设计控制率为：
[0019][0020]其中，ω
fi
为智能体指向的方向目标，u
fi
为智能体此时的速度目标，在二者约束下跟随者智能体收敛于编队中的期望位置；K
ai
为幅度参量，结合系统物理意义即为跟随者允许的最高移动速度；K
fi
为频率参量，适当调节其参数值可以调整系统的控制效果。
[0021]进一步地，在步骤S5中，设定一个足够小的判断阈值进一步地，在步骤S5中，设定一个足够小的判断阈值表示误差值的绝对值，当时，认为已经达到足够好的收敛效果，无人机到达目标位置；当时，认为无人机未达到目标位置，重新回到步骤S3更新控制律，对编队进行跟踪。
[0022]本专利技术的有益效果：本专利技术的方法首先为无人机集群中所有智能体分配身份，确定领导者、副领导者和其余跟随者，使用邻接矩阵规定编队内各无人机通讯关系，无人机利用方位角测量信息计算位置，根据目标误差输入运动控制律，完成编队跟随行为，最后判断智能体是否到达目标位置。本专利技术使用双领导者模式的优势在于领导者和第一跟随者形成了一个在二维平面上有运动方向，有运动速度，自身还能区分方位角的一个刚体系统，使得
以之定位的跟随者无人机可以维持一个相对于编队形状的位置，编队整体可以实现较为简便的旋转，和缩放控制；此外，本专利技术的方法仅需在无人机上配备能够探测领导者和第一跟随者相对方位角的传感器设备，只对领导者和第一跟随者二者有较高的设备要求，从而简化硬件设备，降低成本，在简单的约束下，能自动对其编队整体期望角度和缩放规模完成跟随，可实现集群的运动控制，对未知区域进行合作式扫掠，完成任务目标。
附图说明
[0023]图1为本专利技术的一种基于仅方位角测量下双领导者模式方式的集群控制方法流程图。
[0024]图2为本专利技术实施例中饱和控制律速度相对于误差距离的关系。
[0025]图3为本专利技术实施例中基于仅方位角基于双领导者模式的任务过程示意图。
[0026]图4为本专利技术实施例中通过Henenberg约束拓展编队规模的示意图。
具体实施方式
[0027]下面结合附图进一步说明本专利技术的技术方案。
[0028]如图1所示，本专利技术的一种基于仅方位角测量下双领导者模式方式的集群控制方法的流程图，具体步骤如下：
[0029]S1、为无人机集群中所有智能体分配身份，确定领导者、副领导者和其余跟随者；
[0030]S2、使用邻接矩阵规定编队内各无人机通讯关系；
[0031]S3、无人机利用方位角测量信息计算位置；
[0032]S4、无人机根据目标误差输入运动控制律，完成编队跟随行为；
[0033]S5、判断智能体是否到达目标位置，若是则结束，若否则回到步骤S3。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.仅方位角测量下基于双领导者模式的集群协同控制方法，具体步骤如下：S1、为无人机集群中所有智能体分配身份，确定领导者、副领导者和其余跟随者；S2、使用邻接矩阵规定编队内各无人机通讯关系；S3、无人机利用方位角测量信息计算位置；S4、无人机根据目标误差输入运动控制律，完成编队跟随行为；S5、判断智能体是否到达目标位置，若是则结束，若否则回到步骤S3。2.根据权利要求1所述的仅方位角测量下基于双领导者模式的集群协同控制方法，其特征在于，所述无人机集群中的角色有一个领导者、一个第一跟随者作为副领导者和若干其余跟随者，共三种类型；对于领导者和第一跟随者，允许其搭载较为复杂的探测器和通信设备以完成编队控制中的高级任务，而对于其余跟随者，其仅搭载足以获取双领导者无人机的相对方位角测量信息的探测器和通信设备。3.根据权利要求2所述的仅方位角测量下基于双领导者模式的集群协同控制方法，其特征在于，所述步骤S2中：在双领导者模式下有n个无人机的智能编队，确定其表示信息获取关系的邻接矩阵为：其中，邻接矩阵中的元素a
ij
，表示的含义为编号为i的无人机到编号为j的无人机的信息流通能力，若为0则为不可流通，若为1则为可流通，若a
ij
＝a
ji
则编号为i的无人机和编号为j的无人机之间信息是双向流通的，在这里邻接矩阵表示从双领导者到其余跟随者的信息都是单向传递的。4.根据权利要求3所述的仅方位角测量下基于双领导者模式的集群协同控制方法，其特征在于，所述步骤S3中：无人机利用自身可获取的相对自身坐标系下领导者和第一跟随者的方位角测量信息，利用双领导者刚体进行三角定位，确定自身的位置；智能体n获取自身前进方向与全局...

【专利技术属性】
技术研发人员：施孟佶，袁昊扬，林伯先，李维豪，姜兵，路嘉琪，秦开宇，刘强，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：