[发明专利]一种基于行为的领航者-跟随者多智能体队形控制方法

说明书

技术领域

    本发明与人工智能和控制学科有关，随着多智能体的广泛应用，其研究和应用主要体现在多智能体的协同控制，形成多智能体编队；本发明涉及一种基于行为的领航者-跟随者多智能体编队控制方法，有效快速的形成多种多智能体队形。

背景技术

    多智能体的编队控制是指智能体之间形成或达到期望的距离和方位角。多智能体在陆地智能机器人、水下自主航行器和空间飞行器等方面的许多的应用，智能体之间的协同控制问题是一个不可回避的重要问题。

    目前对多智能体系统的研究比较多的一类控制问题就是编队控制。目前主要的队形控制方法有：1）人工势场法，即通过定义人工势场得到相应的队形，但存在着队形单一，不同的队形需要定义不同的人工势场，势函数过于复杂；2）虚拟结构法，其缺点是应用范围很大程度上受到虚拟结构法形成的队形的限制；3）领航者-跟随者法，对领航者的依赖程度大，一旦领航者失效会导致整个队伍失效。4）基于行为法，群体行为没有明确的定义，对其进行数学分析非常困难。

    不同于其它研究方法，本发明将基于行为法和领航者-跟随者方法相结合得到一种多智能体队形控制方法，既适合分布式控制，又可以通过控制一个领航者就能控制整个队伍。该方法通过增加候补领航者在一定程度上能弥补领航者发生障碍后导致队形失效的缺陷。

发明内容

本发明建立一种基于行为的领航者-跟随者的多智能体队形控制方法，该方法可分为两个部分：第一是设计包括朝向目标、队形形成、队形变换和障碍规避等基本行为；第二是针对几项基本行为分别设计相应的控制器。

本发明的基本原理如下：

这种基于行为的领航者-跟随者多智能体队形控制方法是指设计智能体的基本行为，包括朝向目标、队形保持、队形变换和障碍物规避等，具体的行为控制过程如下说明：

1. 朝向目标行为，这一行为的设计主要是为了使多智能体的队伍在运动的过程中始终都是朝着目标运动的，多智能体的运动方程为

                                                                         (1)

                  (2)

    控制的最终目标为：，

    把控制策略定为

                            (3)

                            (4)

其中和是给定的比例系数，式（1）~（4）可以得到控制变量为

                    (5)

               (6)

    考虑到的限制，控制变量为

            (7)

              (8)

 2. 队形保持行为，这一行为的设计是为了使多智能体能够完成任务，而需要保持某种特定的队形，参考智能体的状态为，智能体，相对于参考智能体的相对参数为，则

    (9)

 (10)

其中为参考智能体的指向，为智能体的指向，，分别是队形要求中相对于参考智能体的理想距离和方位角，控制的最终目标为：

                              

                               (11)

                              (12)

将公式（11）和（12）带入之前上面的式中，求得控制变量

                     (13)

                   (14)

其中

    同样考虑到的限制，控制变量为

        (15)

          (16)