一种基于动态虚拟区域的集群队形控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于动态虚拟区域的集群队形控制方法，属于无人集群协调运动控制技术领域，针对大规模集群系统的协同运动控制问题，采用基于动态虚拟区域的集群队形控制技术，在动态虚拟区域的协调下，集群个体依靠局部的通信与交互，自组织地协调运动，基于局部通信和信息交互自组织协同运动，实现无人集群收敛并保持在给定区域内

【技术实现步骤摘要】
一种基于动态虚拟区域的集群队形控制方法


[0001]本专利技术涉及无人集群协调运动控制
，具体涉及一种基于动态虚拟区域的集群队形控制方法，尤其涉及一种基于动态虚拟区域的面向无人集群队形形成和变换任务的协调控制方法与策略
。

技术介绍

[0002]现阶段，无人集群系统智能涌现的关键技术之一是协同控制，其作为群体智能的核心研究领域，主要针对集群编队
、
防撞和避碰等具体任务
。
无人系统集群相较于单一智能体，由于相互协同产生能力上的涌现，能够在整体上发挥“1+1>2”的效应，但由于在进行集群设计的过程中需要保持严格的拓扑关系，当集群规模较大时计算复杂难于实施，因此随着集群规模的扩大，对无人集群的协同控制提出了更高的要求
。
[0003]目前，无人集群系统中编队形成与保持技术，要求集群运动时收敛至稳定的拓扑结构且保持相互之间的拓扑联系，现有技术中的编队形成与保持技术主要方法包括结构化方法
、
基于行为的方法
。
其中，结构化方法包括领航者
‑
跟随者方法和虚拟结构方法，首先需要识别领航者或虚拟结构，然后跟随者跟随领航者或者跟随具有刚性或松弛约束的结构，该类方法的主要思路是保持预定义的队形
。
领航者
‑
跟随者方法设计和执行简单，编队跟踪效果好，但需要编队中个体的身份和顺序，对于领航者节点依赖性很强，领航者的失效可能导致整个群体任务的失败，往往难以指导大规模集群的协调运动；
[0004]虚拟结构法通过消除物理领航者在队形中的角色或层级来避免领航者失效或应对干扰，但增加了计算和通信负担，在大规模群集中使用受限
。
[0005]此外，基于行为的方法主要可以划分为基于势场的方法和基于共识的方法，相较其他方法对于通信的要求低，但是难点在于如何设计单个个体的行为以满足给定的群体级规范，难以建模且稳定性低
。

技术实现思路

[0006]鉴于上述问题，本专利技术提供了一种基于动态虚拟区域的集群队形控制方法，针对大规模无人集群系统的协同运动控制问题，采用基于行为的集群控制框架，结合基于人工势场法和一致性原理的队形控制技术，通过动态虚拟区域的协调维持队形形成和变换下集群的内聚性，集群个体依靠与邻居个体的局部通信与交互，自组织地协调运动，实现整个集群系统收敛至动态虚拟区域内并维持在动态虚拟区域内运动，集群个体间维持特定的编队距离并且避免相互碰撞
。
[0007]本专利技术提供了一种基于动态虚拟区域的集群队形控制方法，包括：
[0008]设计集群队形的动态虚拟区域，建立将集群队形限制在动态虚拟区域内的动态虚拟区域形状控制分量；
[0009]依据个体间避碰距离设计集群个体间避碰的局部势能函数，对所述局部势能函数求偏导获得集群个体间避碰的控制分量；
[0010]依据队形任务场景的需要选取集群编队距离，根据集群个体的位置和速度向量，基于人工势场法和一致性原理构造集群个体的编队控制分量；
[0011]依据动态虚拟区域的中心位置和速度以及集群个体的位置和速度构建集群个体导航控制分量；
[0012]依据队形任务场景建立集群队形协调策略，将所述动态虚拟区域形状控制分量
、
集群个体间避碰的控制分量
、
集群个体的编队控制分量
、
集群个体导航控制分量输入集群队形协调策略中进行加权组合输出集群个体控制量；依据所述集群个体控制量对集群个体进行速度和位置的控制
。
[0013]优选的，在同一时刻下，所述动态虚拟区域为圆形或椭圆形的形状域
。
[0014]优选的，所述动态虚拟区域形状控制分量表达式为：
[0015][0016]其中，
u
P,i
为第
i
个集群个体的动态虚拟区域形状控制分量，
u
Pc,i
为第
i
个集群个体的圆形动态虚拟区域形状控制分量，
u
Pe,i
为第
i
个集群个体的椭圆形动态虚拟区域形状控制分量
,i
＝
1,2,3,...,N
，
N
表示集群个体的总个数
。
[0017]进一步的，当动态虚拟区域为圆形时，建立将集群队形限制在动态虚拟区域内的动态虚拟区域形状控制分量具体包括：
[0018]定义集群队形中集群个体与圆形动态虚拟区域中心相对位置，基于所述相对位置构建圆形动态虚拟区域的形状控制目标函数，根据圆形动态虚拟区域的形状控制目标函数获取圆形动态虚拟区域形状控制的势能函数；
[0019]将圆形动态虚拟区域形状控制的势能函数对所述相对位置求导，得到圆形动态虚拟区域形状控制分量
。
[0020]进一步的，所述集群队形中集群个体与圆形动态虚拟区域中心的相对位置的表达式为：
[0021][0022]其中，为第
i
个集群个体与圆形动态虚拟区域中心的相对位置；
x
i
为第
i
个集群个体的位置向量，
i
＝
1,2,3,...,N
，
N
表示集群个体的总个数，
x
c
为圆形动态虚拟区域的中心坐标
。
[0023]进一步的，所述圆形动态虚拟区域的形状控制目标函数表达式为：
[0024][0025]其中，
f
Gc
(
·
)
为圆形动态虚拟区域的形状控制目标函数；为第
i
个集群个体与圆形动态虚拟区域中心的相对位置，
i
＝
1,2,3,...,N
，
N
表示集群个体的总个数；
R
为圆形动态虚拟区域的半径，
R≥0。
[0026]进一步的，所述圆形动态虚拟区域形状控制的势能函数，表达式为：
[0027][0028]其中，为第
i
个集群个体与圆形动态虚拟区域中心的相对位置的势能值，
k
c
为圆形动态虚拟区域可调参数，取值为正常数，
f
Gc
(
·
)
为圆形动态虚拟区域的形状控制目标函数；为第
i
个集群个体与圆形动态虚拟区域中心的相对位置
。
[0029]进一步的，将圆形动态虚拟区域形状控制的势能函数对所述相对位置求导，得到圆形动态虚拟区域形状控制分量，表达式为：
[0030][0031]其中，
u
Pc,i
为第
i
个集群个体的圆形动态虚拟区域形状控制分量，为第
i
个集群个体与圆形动态虚拟区域中心的相对位置势能值，为第
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于动态虚拟区域的集群队形控制方法，其特征在于，包括：设计集群队形的动态虚拟区域，建立将集群队形限制在动态虚拟区域内的虚拟区域形状控制分量；依据个体间避碰距离设计集群个体间避碰的局部势能函数，基于所述局部势能函数获得集群个体间避碰的控制分量；选取集群编队距离，获取集群个体的位置和速度，根据所述位置
、
速度和编队距离构造集群个体的编队控制分量；依据动态虚拟区域的中心位置
、
集群个体的位置和速度构建集群个体导航控制分量；建立集群队形协调策略，将所述虚拟区域形状控制分量
、
集群个体间避碰的控制分量
、
编队控制分量
、
导航控制分量输入集群队形协调策略中输出集群个体控制量；依据所述集群个体控制量对集群个体进行速度和位置的控制
。2.
根据权利要求1所述集群队形控制方法，其特征在于，所述动态虚拟区域形状控制分量表达式为：其中，
u
P,i
为第
i
个集群个体的动态虚拟区域形状控制分量，
u
Pc,i
为第
i
个集群个体的圆形动态虚拟区域形状控制分量，
u
Pe,i
为第
i
个集群个体的椭圆形动态虚拟区域形状控制分量，
i
＝
1,2,3,
…
,N,N
表示集群个体的总个数
。3.
根据权利要求1所述集群队形控制方法，其特征在于，所述获得集群个体间避碰的控制分量的具体步骤为：依据个体间避碰距离建立集群个体间避碰的目标函数，基于集群个体间避碰的目标函数设计集群个体间避碰的局部势能函数，对所述局部势能函数求偏导并加和获得集群个体间避碰的控制分量
。4.
根据权利要求1所述集群队形控制方法，其特征在于，所述集群个体间避碰的控制分量，表达式为：其中，
u
Q,i
为第
i
个集群个体的编队控制分量，为第
i
个集群个体的邻居集合
,x
ij
为互为邻居的第
i
个和第
j
个集群个体之间的相对位置向量，
s
ij
为互为邻居的第
i
个和第
j
个集群个体对应的邻接矩阵中的值；
r
为集群个体间为避免碰撞允许的最小距离，
i
＝
1,2,3,
…
,N,j
＝
1,2,3,
…
,N,i≠j
，
N
表示集群个体的总个数
。5.
根据权利要求1所述集群队形控制方法，其特征在于，所述集群个体的编队控制分量，表达式为：其中，
u
n,i
为第
i
个集群个体的编队控制分量，为集群个体邻居间保持距离的权重参
数，为集群个体邻居间保持速度对齐的权重参数；为第
i
个集群个体的邻居集合，
α
表示集群个体邻居，
φ
α
为集群个体邻居间保持编队距离的动作函数，
x
i
为第
i
个集群个体的位置，
x
j
为第
j
个集群个体的位置，
σ
为衡量向量...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵江，张璇，池沛，王英勋，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：