一种考虑避障的多边形平面编队自组织形成控制方法技术

发明专利技术公开了一种考虑避障的多边形平面编队自组织形成控制方法，属于智能体/无人机/航天器集群运动控制技术领域，包括确定集群个体数、动力学模型、初始状态量及目标构型参数；判断目标构型参数中的目标构型顶点坐标是否落在目标构型平面内，根据判断结果，调整最终目标构型顶点坐标；确定目标构型平面中目标构型各边所对应的边界方程，调整临时目标位置初始值；通过吸引势及排斥势设计控制律；根据集群个体数、动力学模型、初始状态量、目标构型顶点坐标、临时目标位置初始值及控制律，进行集群运动仿真。该方法可使集群以合适的控制量有效形成目标多边形区域构型，满足复杂障碍环境下的实际任务需要的问题。的实际任务需要的问题。的实际任务需要的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑避障的多边形平面编队自组织形成控制方法


[0001]本专利技术涉及智能体/无人机/航天器集群运动控制
，具体涉及一种考虑避障的多边形平面编队自组织形成控制方法。

技术介绍

[0002]在无人机、航天器等真实集群编队形成运动控制研究中，一种类似于生物集群运动的技术是给定目标编队构型形状下的平面编队构型自组织形成控制，以其灵活适应于复杂工况及集群规模的变化的特性，逐渐受到关注。但现有的多边形平面编队构型自组织控制存在三点不足：一是普遍忽略障碍物的存在；二是假设集群初始时刻已经分布在目标构型所在平面内，忽视了集群在障碍物外整个空间中运动的现实情况；三是集群的近似均匀分布依赖于个体间较大的排斥力，可能造成控制量过大而无法用于实际任务。
[0003]面向大型航天器附近的集群协同探测等实际任务，例如空间站，需要对集群的初始位置进行限制，同时需要空间站周围的障碍物不能过多，不然会导致控制量过大，无法满足复杂障碍下的实际任务需要。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术存在的对集群初始位置存在严格限制，无法满足复杂障碍环境下的实际任务需要的问题，本专利技术提供了一种考虑避障的多边形平面编队自组织形成控制方法。该方法可使集群以合适的控制量有效形成目标多边形区域构型，满足复杂障碍环境下的实际任务需要。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供了如下的技术方案。
[0006]一种考虑避障的多边形平面编队自组织形成控制方法，包括以下步骤：
[0007]确定集群个体数、动力学模型、初始状态量及目标构型参数；
[0008]判断目标构型参数中的目标构型顶点坐标是否落在目标构型平面内，根据判断结果，调整最终目标构型顶点坐标；
[0009]确定目标构型平面中目标构型各边所对应的边界方程，调整临时目标位置初始值；
[0010]根据目标构型平面构造吸引势，根据边界方程构造排斥势，通过吸引势及排斥势设计控制律；
[0011]根据集群个体数、动力学模型、初始状态量、目标构型顶点坐标、临时目标位置初始值及控制律，进行集群运动仿真。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，所述判断目标构型参数中的目标构型顶点坐标是否落在目标构型平面内，包括：
[0013]对于每一个目标构型顶点坐标依次用其分量和分别替换公式中的x、y和z，然后检查该公式等号是否满足；
[0014]如果满足，直接使用该目标构型顶点坐标；
[0015]如果不满足，将目标构型顶点坐标替换为其在目标构型平面上的投影坐标
[0016]其中，其中，为目标构型顶点个数。
[0017]作为本专利技术的进一步改进，所述将目标构型顶点坐标替换为其在目标构型平面上的投影坐标接下来：
[0018]检查目标构型区域是否与障碍物相交；
[0019]如果目标构型区域与障碍物相交，则重新选取目标构型顶点坐标；
[0020]如果目标构型区域与障碍物不相交，则无需调整目标构型顶点坐标。
[0021]作为本专利技术的进一步改进，所述确定目标构型平面中目标构型各边所对应的边界方程，包括：
[0022]对于目标构型面的第j条边其边界面的方程可用如下关于变量x、y和z的方程给出
[0023][0024]并化为如下形式
[0025][0026]其中，为目标构型平面的方向矢量；为第j个目标构型顶点坐标；
[0027]待所有边界面方程求解完毕后，依次检查各边界面的方向；
[0028]如果存在某一个边界面其对应的如下约束条件
[0029][0030]能够使中除边的端点之外的其他所有点满足，则保持边界面方程不变；
[0031]如果不存在这样的边界面，则将各分别替换为后，再根据公式重新求解各边界面方程；
[0032]其中，其中，为目标构型顶点个数。
[0033]作为本专利技术的进一步改进，所述调整临时目标位置初始值，包括：
[0034]对于个体i的临时目标位置初始值如果满足公式如果满足公式所示的各个目标构型边界面的约束，即在目标构型
平面内的投影落在目标构型区域内，则不做调整；
[0035]其中，i＝1, 2, ..., n；j＝1,2,...,n
F
。
[0036]作为本专利技术的进一步改进，所述调整临时目标位置初始值，包括：
[0037]对于个体i的临时目标位置初始值如果有两个以上临时目标位置初始值不满足公式所示的各个目标构型边界面的约束，则依次度量到各个目标构型顶点的距离，找出与最近的目标构型顶点构造如下点
[0038][0039]并判断如下点
[0040][0041]是否满足各个目标构型边界面约束，若不满足某些边界面约束，则将μ替换为后返回到新的临时目标位置初始值计算步骤，直至得到的满足各个目标构型边界面约束为止，然后将替换为
[0042]其中，i＝1,2,...,n。
[0043]作为本专利技术的进一步改进，所述调整临时目标位置初始值，包括：
[0044]对于个体i的临时目标位置初始值如果只有一个临时目标位置初始值不满足公式所示的各个目标构型边界面的约束，则根据对应的边界面判断如下点
[0045][0046]是否满足各个目标构型边界面约束，若不满足某些边界面约束，则将μ替换为后返回到新的临时目标位置初始值计算步骤，直至得到的满足各个目标构型边界面约束为止，然后将替换为其中，i＝1,2,...,n。
[0047]作为本专利技术的进一步改进，所述根据目标构型平面构造吸引势，包括：
[0048]在空间中任意一点P(x,y,z)处，其目标构型吸引势表示为如下形式：
[0049][0050]其中为目标构型吸引系数；为点P(x,y,z)到目标构型平面的距离。
[0051]作为本专利技术的进一步改进，所述根据边界方程构造排斥势，包括：
[0052]在空间中任意一点P(x,y,z)处，其目标构型边界排斥势V
E
(t)可表示为如下形式：
[0053][0054]其中，为目标构型边界面的排斥势。
[0055]作为本专利技术的进一步改进，所述通过吸引势及排斥势设计控制律，其中：
[0056]排斥势包括目标构型边界排斥势、个体间排斥势、个体临时目标位置间排斥势、个体与障碍物间排斥势以及个体临时目标位置与障碍物间排斥势。
[0057]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0058]本专利技术提供一种考虑避障的多边形平面编队自组织形成控制方法，通过集群个体数、动力学模型、初始状态量及目标构型参数，在指定的以平面多边形给出的目标编队构型区域后，可驱使集群自组织形成该编队构型，即渐近收敛到该区域内并充分散开，无需要求集群初始位置位于目标构型平面内，因而适应于三维空间环境下的二维编队自组织形成任务需要。通过引入临时目标位置引导集群各个体的运动，避免较大的临时目标位置间排斥项直接作用于个体，从而有效减小控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑避障的多边形平面编队自组织形成控制方法，其特征在于，包括以下步骤：确定集群个体数、动力学模型、初始状态量及目标构型参数；判断目标构型参数中的目标构型顶点坐标是否落在目标构型平面内，根据判断结果，调整最终目标构型顶点坐标；确定目标构型平面中目标构型各边所对应的边界方程，调整临时目标位置初始值；根据目标构型平面构造吸引势，根据边界方程构造排斥势，通过吸引势及排斥势设计控制律；根据集群个体数、动力学模型、初始状态量、目标构型顶点坐标、临时目标位置初始值及控制律，进行集群运动仿真。2.根据权利要求1所述的一种考虑避障的多边形平面编队自组织形成控制方法，其特征在于，所述判断目标构型参数中的目标构型顶点坐标是否落在目标构型平面内，包括：对于每一个目标构型顶点坐标依次用其分量和分别替换公式中的x、y和z，然后检查该公式等号是否满足；如果满足，则直接使用该目标构型顶点坐标；如果不满足，则将目标构型顶点坐标替换为其在目标构型平面上的投影坐标其中，为目标构型顶点个数。3.根据权利要求2所述的一种考虑避障的多边形平面编队自组织形成控制方法，其特征在于，所述将目标构型顶点坐标替换为其在目标构型平面上投影坐标接下来：检查目标构型区域是否与障碍物相交；如果目标构型区域与障碍物相交，则重新选取目标构型顶点坐标；如果目标构型区域与障碍物不相交，则无需调整目标构型顶点坐标。4.根据权利要求1所述的一种考虑避障的多边形平面编队自组织形成控制方法，其特征在于，所述确定目标构型平面中目标构型各边所对应的边界方程，包括：对于目标构型面的第j条边其边界面的方程可用如下关于变量x、y和z的方程给出并化为如下形式其中，为目标构型平面的方向矢量；为第j个目标构型顶点坐标；待所有边界面方程求解完毕后，依次检查各边界面的方向；
如果存在某一个边界面其对应的如下约束条件能够使中除边的端点之外的其他所有点满足，则保持边界面方程不变；如果不存在这样的边界面，则将各分别替换为后，再根据公式重新求解各边界面方程；其中，为目标构型顶点个数。5.根据权利要求4所述的一种考虑避障的多边形平面编队自组织形成控制方法，其特征在于，所述调整临时目标位置初始值，包括：对于个体i的临时目标位置初始值如...

【专利技术属性】
技术研发人员：党朝辉，周昊，张育林，张皓，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：