一种多智能体系统N分一致性控制方法技术方案

本发明专利技术提供一种多智能体系统N分一致性控制方法，涉及多智能体系统控制技术领域。该方法首先建立多智能体系统N分对抗的通信网络拓扑图；然后确定智能体的动力学方程，确定多智能体系统N分对抗一致性稳定条件；并设计双间歇控制协议，确定多智能体系统的动力学方程，将多智能体系统的N分对抗一致性问题转变为一般一致性问题；再确定多智能体系统中各智能体的N分一致性误差及测量采样误差；并设计新型李雅普诺夫函数触发机制作为各智能体的事件触发机制；最后基于新型李雅普诺夫函数触发机制，使各智能体状态收敛至与目标位置向量，进而使多智能体系统中的各智能体位置形成对抗关系的对称可控空间，从而达到N分一致性。从而达到N分一致性。从而达到N分一致性。

【技术实现步骤摘要】
一种多智能体系统N分一致性控制方法


[0001]本专利技术涉及多智能体系统控制
，尤其涉及一种多智能体系统N分一致性控制方法。

技术介绍

[0002]随着信息技术、控制理论以及人工智能技术的快速发展，多智能体系统的协同控制成为备受关注的热点问题之一。其在传感器网络、机器人编队、多机器人合作、无人机通信、卫星姿态协同等众多领域有着广泛的应用。一致性控制是协同控制的基本问题之一，也是人工智能研究中一类十分重要的方向。
[0003]多智能体系统的一致性控制研究主要由三部分组成：智能体的动力学方程、智能体之间的通信网络关系以及控制协议。其中，智能体的动力学方程反映了智能体的内部状态是如何变化的，常用微分方程或差分方程表示。智能体之间的通信网络关系反映了智能体之间的交互关系，即智能体间是相连的可进行信息交互。而智能体的控制协议需要根据控制目标来设定。
[0004]目前，多智能体系统的一致性控制研究已取得了一些成果，但绝大多数研究结果都是针对智能体间仅存在合作相互关系的情况。然而，在许多实际多智能体系统中，例如生物系统、经济系统、社会网络，智能体之间不仅存在合作的相互关系，也同时存在多种对抗的相互关系。因此，研究合作与对抗交互并存的多智能体系统一致性控制问题具有重要的理论和实际意义。
[0005]现有多智能体系统依赖于利用阈值的传统触发方法，事件触发控制的采样时刻由特定事件决定的，当且仅当设定的事件满足时才进行采样。在实际应用中，特别是在无线传感器网络控制、无人机协同控制等领域，现有方法存在收敛速度慢的问题。这就导致依赖于传统触发方式的多智能体一致性控制在很多现实网络应用中难以实现。
[0006]另外，智能体的控制协议的选择依赖于动力学方程和智能体之间的通信网络关系，传统的控制协议常依赖于领居间的连续通信信息，浪费通信资源。
[0007]因此，如何改进多智能体的一致性控制方法，改善传统的触发机制，以降低多智能体系统控制器更新频率和减少通信次数，提高收敛速度，同时确保多智能体N分一致性控制的有效性，将多智能体线性系统一致性问题的研究拓展到多智能体线性系统N分对抗一致性的研究，成为了多智能体一致性控制
的一个重要研究方向。

技术实现思路

[0008]本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种多智能体系统N分一致性控制方法，实现多智能体系统的一致性控制。
[0009]为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种多智能体系统N分一致性控制方法，包括以下步骤：
[0010]步骤1：确定多智能体系统，建立多智能体系统N分对抗的通信网络拓扑图G，将多
智能体系统分组，通过智能体之间的通信权重矩阵建立智能体之间合作与竞争的关系；定义多智能体系统N分一致性为各智能体围绕一个目标位置朝N个对立的方向运动，最终形成N分对抗的状态；
[0011]步骤1.1：建立多智能体系统N分对抗的通信拓扑图；所述多智能体系统N分对抗的通信拓扑图由有向图G(V,E,A)描述，其中，V＝{V1,V2,...,V
M
}表示M个智能体节点集合，每个节点代表一个智能体，是智能体节点间边的集合，A＝[a
ij
]M
×
M
是智能体间的通信权重矩阵，a
ij
表示智能体间的连接权值,i＝1,2,
…
,M,j＝1,2,
…
,M；当智能体个体之间是合作关系时，a
ij
>0；当智能体个体之间是对抗关系时，a
ij
＜0；
[0012]步骤1.2：将多智能体系统分组；将由M个智能体构成的多智能体系统分为N组，N＝2
n
，n为正自然常数；智能体分组集合S＝S1∪S2∪S3∪S4…
∪S
N
，其中，S
N
表示第N组智能体；
[0013]步骤1.3：设定对角矩阵A
q
＝diag(A1,A2,...,A
N
)为不同组智能体之间的通信权重矩阵，A
N
为第N组智能体的连接权值；A
q
根据对角线元素的正负不同，分别表示多组智能体之间的合作和竞争关系；
[0014]步骤2：针对每个智能体，确定智能体的动力学方程，利用稳定性原理和代数图论确定多智能体系统的N分对抗一致性稳定条件；并设计双间歇控制协议，即控制协议间歇更新和不需要邻居之间持续通信的间歇通信，确定多智能体系统的动力学方程，将多智能体系统的N分对抗一致性问题转变为一般一致性问题；
[0015]步骤2.1：确定各智能体的动力学方程，如下公式所示：
[0016][0017]其中，表示第i个智能体状态的导数；x
i
∈R表示第i个智能体的状态变量；u
i
∈R表示第i个智能体的双间歇控制协议；A
′
、B
′
为具有兼容维数的常系数矩阵；
[0018]步骤2.2：设定多智能体控制系统的N分对抗一致性稳定条件，如下公式所示：
[0019][0020][0021][0022][0023][0024][0025][0026]其中，d
i
表示第i个智能体的目标位置向量，t为时间，均为正常数；
[0027]如果满足上述稳定条件，则最终实现了多智能体系统的N分对抗一致性；
[0028]步骤2.3：采用间歇通信和间歇更新的方法设计智能体的双间歇控制协议；
[0029]设计的第i个智能体的双间歇的控制协议u
i
如下公式所示：
[0030][0031]其中，x
j
表示第j个智能体的状态变量，d
j
表示第j个智能体的目标位置向量，sgn()为符号函数，表示第i个智能体的第k个触发时刻，表示第j个智能体的第k个触发时刻；
[0032]步骤2.4：确定多智能体系统的动力学方程；
[0033]定义x＝col(x1,
…
,x
M
)∈R
2n
，d＝col(d1,
…
,d
M
)∈R
2n
；则多智能体系统的线性时不变动力学方程写成如下矩阵形式：
[0034][0035]其中，col(
·
)表示堆叠列向量；L
*
表示由N+1部分构成的一个特殊的拉普拉斯矩阵；
[0036]是L
*
矩阵中对角线上元素形成的矩阵；L0、L1…
L
N
分别表示图G(V,E,A)不同情况的拉普拉斯矩阵；
[0037]步骤3：确定多智能体系统中各智能体的N分一致性误差及测量采样误差；
[0038]步骤3.1：设定每个智能体能够访问邻居之间的相对信息，则多智能体系统中各智能体的N分一致性误差如下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多智能体系统N分一致性控制方法，其特征在于：建立多智能体系统N分对抗的通信网络拓扑图；将多智能体系统分组；通过智能体之间的通信权重矩阵建立智能体之间合作与竞争的关系；确定多智能体系统的N分对抗一致性稳定条件；将多智能体系统的N分对抗一致性问题转变为一般一致性问题；确定各智能体的事件触发机制；使多智能体系统中的各智能体位置形成对抗关系的对称可控空间。2.根据权利要求1所述的一种多智能体系统N分一致性控制方法，其特征在于：所述多智能体系统N分一致性为各智能体围绕一个目标位置朝N个对立的方向运动，最终形成N分对抗的状态。3.根据权利要求2所述的一种多智能体系统N分一致性控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤1：确定多智能体系统，建立多智能体系统N分对抗的通信网络拓扑图G，将多智能体系统分组，通过智能体之间的通信权重矩阵建立智能体之间合作与竞争的关系；步骤2：针对每个智能体，确定智能体的动力学方程，利用稳定性原理和代数图论确定多智能体系统的N分对抗一致性稳定条件；并设计双间歇控制协议，即控制协议间歇更新和不需要邻居之间持续通信的间歇通信，确定多智能体系统的动力学方程，将多智能体系统的N分对抗一致性问题转变为一般一致性问题；步骤3：确定多智能体系统中各智能体的N分一致性误差及测量采样误差；步骤4：设计新型李雅普诺夫函数触发机制作为各智能体的事件触发机制；利用李雅普诺夫函数的导数，定义理想执行的新方法，通过智能体的线性时不变动力学方程，采用对角转换解耦的方式设计各智能体的事件触发机制；步骤5：基于新型李雅普诺夫函数触发机制，使各智能体状态收敛至与目标位置向量，进而使多智能体系统中的各智能体位置形成对抗关系的对称可控空间，从而达到N分一致性。4.根据权利要求3所述的一种多智能体系统N分一致性控制方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：步骤1.1：建立多智能体系统N分对抗的通信拓扑图；步骤1.2：将多智能体系统分组；将由M个智能体构成的多智能体系统分为N组，N＝2
n
，n为正自然常数；智能体分组集合S＝S1∪S2∪S3∪S4…
∪S
N
，其中，S
N
表示第N组智能体；步骤1.3：设定对角矩阵A
q
＝diag(A1,A2,...,A
N
)为不同组智能体之间的通信权重矩阵，A
N
为第N组智能体的连接权值；A
q
根据对角线元素的正负不同，分别表示多组智能体之间的合作和竞争关系。5.根据权利要求4所述的一种多智能体系统N分一致性控制方法，其特征在于：所述多智能体系统N分对抗的通信拓扑图由有向图G(V,E,A)描述，其中，V＝{V1,V2,...,V
M
}表示M个智能体节点集合，每个节点代表一个智能体，是智能体节点间边的集合，A＝[a
ij
]
M
×
M
是智能体间的通信权重矩阵，a
ij
表示智能体间的连接权值,i＝1,2,
…
,M,j＝1,2,
…
,M；当智能体个体之间是合作关系时，a
ij
>0；当智能体个体之间是对抗关系时，a
ij
<0。
6.根据权利要求5所述的一种多智能体系统N分一致性控制方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：步骤2.1：确定各智能体的动力学方程，如下公式所示：其中，表示第i个智能体状态的导数；x
i
∈R表示第i个智能体的状态变量；u
i
∈R表示第i个智能体的双间歇控制协议；A
′
、B
′
为具有兼容维数的常系数矩阵；步骤2.2：设定多智能体控制系统的N分对抗一致性稳定条件，如下公式所示：其中，d
i
表示第i个智能体的目标位置向量，t为时间，均为正常数；如果满足上述稳定条件，则最终实现了多智能体系统的N分对抗一致性；步骤2.3：采用间歇通信和间歇更新的方法设计智能体的双间歇控制协议；设计的第i个智能体的双间歇的控制协议u
i
如下公式所示：其中，x
j
表示第j个智能体的状态变量，d
j
表示第j个智能体的目标位置向量，sgn()为符号函数，表示第i个智能体的第k个触发时刻，表示第j个智能体的第k个触发时刻；步骤2.4：确定多智能体系统的动力学方程；定义x＝col(x1,
…
,...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨东升，何静，张化光，丁进良，周博文，朱叶盛，王昕，罗艳红，李广地，王迎春，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：