專利名稱：一種具有連通性保持的多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于人工勢(shì)能函數(shù)的兼具連通性保持的多智能體分布式協(xié)同控制方法，屬于智能機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，多智能體系統(tǒng)的分布式運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制與應(yīng)用受到日益廣泛的關(guān)注，逐漸成為復(fù)雜性科學(xué)研究的一個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題。其中各智能體僅利用局部信息進(jìn)行交互，并結(jié)合通信等手段發(fā)揮分布式資源的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)整體規(guī)劃、解決局部沖突，從而達(dá)到整體預(yù)期目標(biāo)。多智能體系統(tǒng)作為一門綜合性交叉學(xué)科，其在工業(yè)和軍事等應(yīng)用領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的理論研究?jī)r(jià)值。在多智能體系統(tǒng)中，智能體利用自身配置的多種傳感器和執(zhí)行器來(lái)感知環(huán)境并對(duì)環(huán)境的變化做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，而整個(gè)多智能體系統(tǒng)在某種程度上可以視為一個(gè)移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)；同時(shí)，整個(gè)多智能群體在協(xié)同操作過(guò)程中通過(guò)自身所配備的通信設(shè)備進(jìn)行信息交互和共享，使得整個(gè)系統(tǒng)在某種程度上又成為一個(gè)通信互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，因此合理的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是多智能體系統(tǒng)進(jìn)行分布式協(xié)調(diào)控制的重要保障。其中，網(wǎng)絡(luò)的通信連通性保持是多智能體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂浦凶罨A(chǔ)和最重要的問(wèn)題之一，特別是在障礙物環(huán)境或群體受到外擾的情況下，網(wǎng)絡(luò)連通性的保持更為重要，其直接影響到整個(gè)群體系統(tǒng)的穩(wěn)定性和算法的收斂性；而且，由于通信連通性是描述網(wǎng)絡(luò)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的全局特征量，而單個(gè)智能體只能獲取有限范圍的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，其?duì)網(wǎng)絡(luò)的全局拓?fù)涔烙?jì)存在本質(zhì)局限性，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)局部連通性與全局連通性并不等價(jià)。因此網(wǎng)絡(luò)的通信連通性保持是多智能體系統(tǒng)的分布式運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。然而，由于單個(gè)智能體受到功能設(shè)計(jì)和硬件條件等因素的制約，其自身所配置的傳感器傳播和感應(yīng)信息能力范圍R十分有限，單個(gè)智能體與群體中最近智能體之間的距離超過(guò)一定范圍R時(shí)，該單個(gè)智能體失去了與群體的聯(lián)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)連通性被破壞。目前對(duì)網(wǎng)絡(luò)連通性保持的研究中，通常人為割裂通信連通性保持和分布式運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制之間的聯(lián)系，缺乏將連通性作為約束條件與具體的協(xié)同控制任務(wù)的目標(biāo)相結(jié)合的綜合控制方案。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明是為解決目前多智能體系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法中無(wú)法保持連通性的問(wèn)題，提供了一種基于人工勢(shì)能函數(shù)的兼具連通性保持功能的多智能體分布式協(xié)同控制方法，能夠兼顧通信連通性保持和智能體運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制，使系統(tǒng)在演化的過(guò)程中始終保持通信拓?fù)涞倪B通性的同時(shí)達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。該方案是這樣實(shí)現(xiàn)的通過(guò)對(duì)智能體系統(tǒng)的研究分析注意到，雖然在實(shí)際中不能保證系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的初始連通性，但系統(tǒng)肯定存在初始連通的子系統(tǒng)，但子系統(tǒng)的初始連通并不能保證其在演化過(guò)程中始終保持連通。首先，將這些連通子系統(tǒng)按照一定的規(guī)則分為領(lǐng)航子系統(tǒng)和伴隨子系統(tǒng)，領(lǐng)航子系統(tǒng)中隨機(jī)選擇一個(gè)領(lǐng)航者，從伴隨子系統(tǒng)中隨機(jī)選擇一個(gè)伴隨者，在領(lǐng)航者和每個(gè)伴隨者之間建立一個(gè)或若干個(gè)長(zhǎng)程連接，接著設(shè)計(jì)領(lǐng)航-伴隨勢(shì)能函數(shù)作用于領(lǐng)航者和伴隨者，使得彼此不相連的子系統(tǒng)聯(lián)合起來(lái)，形成一個(gè)凝聚的連接群體。為了使初始連通的子系統(tǒng)和連通融合之后的完整系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)演化的過(guò)程中始終保持連通，又設(shè)計(jì)連通系統(tǒng)內(nèi)的勢(shì)能函數(shù)來(lái)防止相互連通的智能體移動(dòng)到它們的感知范圍之外。最后，將這兩個(gè)勢(shì)能函數(shù)應(yīng)用到控制規(guī)則中就可以使群體系統(tǒng)同時(shí)達(dá)到保持網(wǎng)絡(luò)連通性和獲得穩(wěn)定隊(duì)形的目的。具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明提供了一種具有連通性保持的多智能體系統(tǒng)分布式協(xié)同控制方法，適用于采用雙積分連續(xù)時(shí)間模型描述的智能體所構(gòu)成的多智能體系統(tǒng)；該方法包括如下步驟步驟一設(shè)計(jì)群集控制規(guī)則①設(shè)任意時(shí)刻，多智能體系統(tǒng)被分割為彼此不相連的2個(gè)或2個(gè)以上的連通子系統(tǒng)，連通子系統(tǒng)為單個(gè)智能體或?yàn)楸舜诉B通的至少2個(gè)智能體組成的集合；其中一個(gè)連通子系統(tǒng)定義為領(lǐng)航子系統(tǒng)，其他連通子系統(tǒng)定義為伴隨子系統(tǒng)；從領(lǐng)航子系統(tǒng)中推舉出一個(gè)虛擬領(lǐng)航者，從每個(gè)伴隨子系統(tǒng)中推舉出一個(gè)伴隨者；在虛擬領(lǐng)航者和每個(gè)伴隨者之間建立長(zhǎng)程連接，所述長(zhǎng)程連接采用遠(yuǎn)程短時(shí)通訊手段；每個(gè)連通子系統(tǒng)內(nèi)部的各智能體之間采用內(nèi)部連接彼此連通，該內(nèi)部連接采用近距離持續(xù)通訊手段，其允許的感應(yīng)信息能力范圍為R;②設(shè)計(jì)所述長(zhǎng)程連接的勢(shì)能函數(shù)和所述內(nèi)部連接的勢(shì)能函數(shù)；設(shè)Vil表示虛擬領(lǐng)航者1與作為伴隨者的智能體i之間的長(zhǎng)程連接勢(shì)能函數(shù)，Vij 表示連通子系統(tǒng)內(nèi)智能體i和智能體j之間的內(nèi)部連接勢(shì)能函數(shù)；Vil的設(shè)計(jì)滿足如下條件=Vil是11 Xil 11的函數(shù)，11 Xil 11為長(zhǎng)程連接兩端虛擬領(lǐng)航者ι與伴隨者之間的相對(duì)距離；當(dāng)IIxilII為d時(shí)，Vil的值最?。划?dāng)IxilI趨近ο或者無(wú)窮大時(shí)，Vil的值趨于無(wú)窮大；并且考慮，當(dāng)I |Xil| I從ο向d變化時(shí)，Vil的變化率為負(fù)；當(dāng)
Xil I從d向無(wú)窮大變化時(shí)，Vil的變化率為正；其中，d是預(yù)設(shè)的智能體系統(tǒng)中彼此連通智能體間的期望距離；Vij.的設(shè)計(jì)滿足如下條件=Vij是ι IxijI ι的函數(shù)，ι Xij ι為內(nèi)部連接兩端智能體i 和智能體j之間的相對(duì)距離；當(dāng)IIxijII大于R時(shí)，Vij的值為常數(shù)；當(dāng)IxijI等于0或R 時(shí)，Vij的值趨于無(wú)窮；當(dāng)IIxijII達(dá)到d時(shí)，Vij達(dá)到最?。徊⑶铱紤]，當(dāng)MxijII從ο向d變化時(shí)，Vij的變化率為負(fù)；當(dāng)I Xij I從d向R變化時(shí)，Vij的變化率為正；③結(jié)合兩個(gè)勢(shì)能函數(shù)設(shè)計(jì)智能體的控制率；因?yàn)橐笏兄悄荏w在保持期望隊(duì)形的同時(shí)達(dá)到一致的速度，則期望智能體i和 j之間的相對(duì)速度趨近于0，并且期望智能體i和j之間的相對(duì)距離趨近于d，則智能體i的控制率設(shè)計(jì)如下
權(quán)利要求
1. 一種具有連通性保持的多智能體系統(tǒng)分布式協(xié)同控制方法，適用于采用雙積分連續(xù)時(shí)間模型描述的智能體所構(gòu)成的多智能體系統(tǒng)；其特征在于，該方法包括如下步驟步驟一設(shè)計(jì)群集控制規(guī)則①設(shè)任意時(shí)刻，多智能體系統(tǒng)被分割為彼此不相連的2個(gè)或2個(gè)以上的連通子系統(tǒng)，連通子系統(tǒng)為單個(gè)智能體或?yàn)楸舜诉B通的至少2個(gè)智能體組成的集合；其中一個(gè)連通子系統(tǒng)定義為領(lǐng)航子系統(tǒng)，其他連通子系統(tǒng)定義為伴隨子系統(tǒng)；從領(lǐng)航子系統(tǒng)中推舉出一個(gè)虛擬領(lǐng)航者，從每個(gè)伴隨子系統(tǒng)中推舉出一個(gè)伴隨者；在虛擬領(lǐng)航者和每個(gè)伴隨者之間建立長(zhǎng)程連接，所述長(zhǎng)程連接采用遠(yuǎn)程短時(shí)通訊手段；每個(gè)連通子系統(tǒng)內(nèi)部的各智能體之間采用內(nèi)部連接彼此連通，該內(nèi)部連接采用近距離持續(xù)通訊手段，其允許的感應(yīng)信息能力范圍為 R；②設(shè)計(jì)所述長(zhǎng)程連接的勢(shì)能函數(shù)和所述內(nèi)部連接的勢(shì)能函數(shù)；設(shè)Vil表示虛擬領(lǐng)航者1與作為伴隨者的智能體i之間的長(zhǎng)程連接勢(shì)能函數(shù)，Vij表示連通子系統(tǒng)內(nèi)智能體i和智能體j之間的內(nèi)部連接勢(shì)能函數(shù)；Vil的設(shè)計(jì)滿足如下條件=Vil是ι IxilI ι的函數(shù)，ι IxilI ι為長(zhǎng)程連接兩端虛擬領(lǐng)航者1 與伴隨者之間的相對(duì)距離；當(dāng)IIxilII為d時(shí)，Vil的值最??；當(dāng)I IxilI I趨近ο或者無(wú)窮大時(shí)，Vil的值趨于無(wú)窮大；并且考慮，當(dāng)I |Xil| I從ο向d變化時(shí)，Vil的變化率為負(fù)；當(dāng)I Xil 從d向無(wú)窮大變化時(shí)，Vil的變化率為正；其中，d是預(yù)設(shè)的智能體系統(tǒng)中彼此連通智能體間的期望距離；Vij的設(shè)計(jì)滿足如下條件是I |Xu| I的函數(shù)，I Xij I為內(nèi)部連接兩端智能體i和智能體j之間的相對(duì)距離；當(dāng)I Xij I大于R時(shí)，Vij的值為常數(shù)；當(dāng)I Xij I趨近于ο或R時(shí)， Vij的值趨于無(wú)窮；當(dāng)I Xij I達(dá)到d時(shí)，Vij達(dá)到唯一的最小值；并且考慮，當(dāng)I |Xij| I從ο向 d變化時(shí)，Vij的變化率為負(fù)；當(dāng)I Xij I從d向R變化時(shí)，Vij的變化率為正；③結(jié)合兩個(gè)勢(shì)能函數(shù)設(shè)計(jì)智能體的控制率；要求所有智能體在保持期望隊(duì)形的同時(shí)達(dá)到一致的速度，則期望智能體i和j之間的相對(duì)速度趨近于0，并且期望智能體i和j之間的相對(duì)距離趨近于d，則智能體i的控制率 Ui設(shè)計(jì)如下
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述長(zhǎng)程連接的勢(shì)能函數(shù)的構(gòu)建方式為
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述內(nèi)部連接的勢(shì)能函數(shù)的構(gòu)建方式為
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法進(jìn)一步包括，設(shè)置一個(gè)權(quán)值因子系數(shù) BijW, Bij (t)是一個(gè)非負(fù)實(shí)數(shù)，它表示在t時(shí)刻，智能體j傳遞給智能體i的信息的權(quán)值因子，如果沒(méi)有信息的傳遞，則 “0 =0，否則=1，并引入滯后閾值為δ的滯環(huán)
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有連通性保持的多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制方法，多智能體系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)后，在任意時(shí)刻t，當(dāng)智能體根據(jù)與其他智能體的彼此連通情況檢測(cè)到所在多智能體系統(tǒng)被分割為彼此不相連的2個(gè)或2個(gè)以上的連通子系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)預(yù)定的推舉策略確定自身所在連通子系統(tǒng)是領(lǐng)航子系統(tǒng)還是伴隨子系統(tǒng)，并通過(guò)與連通子系統(tǒng)中其他智能體的通信推舉本連通子系統(tǒng)的領(lǐng)導(dǎo)者，領(lǐng)航子系統(tǒng)中的領(lǐng)導(dǎo)者稱為虛擬領(lǐng)航者，伴隨子系統(tǒng)中的領(lǐng)導(dǎo)者稱為伴隨者，在虛擬領(lǐng)航者與每個(gè)伴隨者之間建立長(zhǎng)程連接；各智能體根據(jù)自身的角色確定σi(t)的值，采用控制率的表達(dá)式對(duì)自身實(shí)時(shí)控制。本發(fā)明解決了目前多智能體系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法中無(wú)法保持連通性的問(wèn)題。
文檔編號(hào)H04L29/08GK102215260SQ201110147349
公開(kāi)日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2011年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月2日
發(fā)明者劉華罡, 孫巍, 孫騰, 方浩, 曹虎, 李路, 王強(qiáng), 由佳, 竇麗華, 賈睿, 陳杰 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)