[发明专利]基于虚拟结构法和人工势场法的编队控制方法

说明书

本发明公开了基于虚拟结构法和人工势场法的编队控制方法，由虚拟结构参考点周围的虚拟结构生成期望的虚拟结构队形，该虚拟结构队形中的虚拟结构作为虚拟结构点的期望位置；虚拟结构点向着期望位置运动；智能体则跟随智能体所对应的虚拟结构点移动，进而获得智能体编队队形；建立虚拟结构点和虚障碍物对智能体的斥力场；基于所构建的斥力场，根据智能体所受的势场作用对智能体进行受力分析，进而获得智能体所受到的斥力场力；智能体采用轨迹跟踪控制算法跟踪虚拟结构点的轨迹，根据虚拟结构点追踪虚拟结构以及避障产生的运动轨迹，利用轨迹跟踪控制算法实现智能体编队追踪控制。本方法采用人工势场法实现避障，编队控制方法适应性强、编队稳定。

技术领域

本发明涉及多智能体编队控制技术领域，尤其是基于虚拟结构法和人工势场法的编队控制方法。

背景技术

随着自动驾驶策略、传感器精度、无线通信技术的发展，自动驾驶逐渐成为各个车企和高校研究的重点，从扫地机器人到无人自动驾驶，单个智能体已经无法满足预期目标，所以智能体编队协作才是未来的发展方向。

编队控制是通过多智能体之间的协同合作，编队控制实现智能体队列成型、队形变换、预防碰撞，编队可以用最少的功耗实现庞大的控制，实现高效率、低功耗减少人力投入。现有的编队方法主要包括：跟随领航者控制法、基于行为控制法、基于虚拟结构控制法、基于人工势场控制法等。

上述现有编队方法存在一定的不足，具体是：跟随领航者控制法其结构简单、易于理解，但是缺点也很明显就是领导者受到的干扰会对队列造成巨大影响；行为控制法虽然具有实时的特点，但是很难描述系统并且保持其稳定；虚拟结构控制法中把编队结构当成虚拟的刚体，编队稳定，但是对路况的适应性较差；人工势场法可以实现实时控制，但是其忽略了通信拓扑的影响，脱离实际情况。

因此在现有编队的基础之上，提出一种适应性强、编队稳定的方法对于编队控制算法具有长远的意义。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本申请提出了基于虚拟结构法和人工势场法的编队控制方法，采用虚拟结构控制方法形成智能体编队队形，采用人工势场法实现避障，进而获得一种适应性强、编队稳定的编队控制方法。

本发明所采用的技术方案如下：

基于虚拟结构法和人工势场法的编队控制方法，包括如下步骤：

步骤1，分别建立智能体和障碍物模型；

步骤2，将虚拟结构参考点作为队列的参考点，由虚拟结构参考点周围的虚拟结构生成期望的虚拟结构队形，该虚拟结构队形中的虚拟结构作为虚拟结构点的期望位置；虚拟结构点的初始位置和智能体的初始位置是重合的，且虚拟结构点向着期望位置运动；智能体则跟随智能体所对应的虚拟结构点移动，进而获得智能体编队队形；

步骤3，建立虚拟结构点和虚障碍物对智能体的斥力场；

步骤4，基于所构建的斥力场，根据智能体所受的势场作用对智能体进行受力分析，进而获得智能体所受到的斥力场力；

步骤5，智能体采用轨迹跟踪控制算法跟踪虚拟结构点的轨迹，根据虚拟结构点追踪虚拟结构以及避障产生的运动轨迹，将运动轨迹输入到控制器当中，利用轨迹跟踪控制算法实现智能体编队追踪控制。

进一步，所述步骤3中建立虚拟结构点和虚障碍物对智能体的斥力场的方法为：

步骤3.1，由障碍物和虚拟结构点的距离定义斥力势场，表示为：

步骤3.2，对斥力势场求负梯度求得斥力势场所对应的斥力，表示为：