[发明专利]多智能体系统的通信配置与控制策略的协同设计方法

权利要求书

1.多智能体系统的通信配置与控制策略的协同设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：图结构及通信拓扑网络的设计

定义包含n个智能体的多智能体系统，多智能体的的动态方程可以表示为：

p_i[k+1]＝p_i[k]+Tu_i[k],i＝1,...,N

其中，q_i[k]代表的是第i个智能体在k时刻的位置信息，p_i[k]代表的是第i个智能体在k时刻的速度信息，T代表的是采样时间，u_i[k]代表的是第i个智能体在k时刻的控制的输入量；

多智能体系统的网络结构可以以有向图G＝{V,E,A}来表示，其中V＝{1,2,...,n}代表的是智能体的集合，代表的是边的集合，A＝[a_ij]代表的是邻接矩阵的集合，如果有(j,i)∈E，表示智能体i可以获得智能体j的信息，a_ij＝1，否则的话a_ij＝0；智能体i邻居的集合可以表示为N_i＝{j∈V:(j,i)∈E}，且|N_i|表示智能体i邻居的数量，通信矩阵定义为K(G)＝[k_ij]，且如果智能体j是i的邻居或j＝i时，有否则的话，k_ij＝0；

S2：通信配置的设计

以R_i[k]来表示第i个智能体在k时刻的通信范围的值，为了保证多智能体系统的网络拓扑结构不被破坏，即保证系统中智能体之间的连接性，设计的通信配置策略是使得智能体i在k+1时刻的通信范围对于所有的邻居智能体j具有如下关系：

R_i[k+1]≥||q_i[k+1]-q_j[k+1]||

为了实现上述目标，本专利对通信配置策略进行设计；在本专利中，假定每个智能体的输入存在限值σ,即存在关系||u_i[k]||≤σ，为了保证多智能体系统的网络拓扑结构不被破坏，对于智能体i，在k时刻设计的k+1时刻通信范围值，即设计的通信配置策略如下：

可以证明以上述的通信配置，智能体在一致性过程中的连接性总是可以保持的；

实现一致性是使得智能体i与它所有邻居智能体j之间的速度之差以及位置之差随着时间最终都趋于0，即并且考虑到本专利中的通信配置策略对控制的要求只需每个智能体的控制输入存在限值，因此，对于带本专利中的通信配置策略的多智能体系统的控制策略设计具有很大的自由度；

S3：控制策略的设计

控制策略的设计便是设计合适的控制方法u_i[k]，保证控制输入u_i[k]始终不超出限值σ，即||u_i[k]||≤σ，同时使得智能体i与它所有邻居智能体j之间的速度之差以及位置之差随着时间最终都趋于0，即以及

基于本专利技术方案中S1的图结构与通信拓扑网络的设计，以及S2的通信配置的设计，本专利中以预测控制的方法为例，来完成S3控制策略的设计；

首先，先不考虑控制输入来进行预测控制的设计；

定义损失函数其中有

分别代表智能体位置、速度、控制量的损失函数；其中r_i^q,r_i^p为相应的参考轨迹；

对其进行维数上分解，定义

q_i(k)＝[q_i,1(k),q_i,2(k),...,q_i,m(k)]^T

p_i(k)＝[p_i,1(k),p_i,2(k),...,p_i,.m(k)]^T

u_i(k)＝[u_i,1(k),u_i,2(k),...,u_i,m(k)]^T

则参考轨迹定义为

在参考轨迹定义中，有

对损失函数分解为则有

其中

令x_i,l(l)＝col[q_i,l(k),p_i,l(k)]

则系统二阶动态可改写为

x_i,l(k)＝Ax_i,l(k)+Bu_i,l(k)

其中

预测状态可写为

x_i,l(k+t|k)＝Ax_i,l(k+t-1|k)+Bu_i,l(k+t-1|k),t＜H_u

x_i,l(k+t|k)＝Ax_i,l(k+t-1|k)+Bu_i,l(k+H_u-1|k),t≥H_u

把以上部分写成一个整体的形式，有

X_i,l(k+1)＝P_xx_i,l(k)+P_uU_i,l(k),，其中

X_i,l(k+1)＝col[x_i,l(k+1|k),...,x_i,l(k+H_p|k)]

U_i,l(k+1)＝col[u_i,l(k|k),...,u_i,l(k+H_u-1|k)],

损失函数可以写为通过对其求导得到最优控制输入为

将其中第一项作为控制信号，即

其中

如果考虑到系统实际存在的输入限制，可证明得到带有输入限制时，实际的控制输入量为

其中为输入限值，即