[发明专利]一种基于ROS的多智能体分布式编队控制系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于ROS的多智能体分布式编队控制系统及方法，包括智能体组以及实验环境初始化、上位机ROS环境、通信与处理、测量、控制算法五个模块；实验环境初始化模块进行节点以及位置初始化，通过上位机ROS环境模块发布开始编队指令；根据编队算法将初始位置最前方的智能体作为领航者，其余作为跟随者，领航者接收信息，通过处理模块发布移动指令；同时领航者记录自身的速度信息，计算出当前的实时位置信息；通信模块将信息广播给跟随者；跟随者运行一致性算法，驱动智能体运动，实现编队控制；同时跟随者记录自己的实时位置，并广播给跟随者子节点，通过分布式通信实现编队。本发明能够对多个智能体进行快速、高效的编队控制。

技术领域

本发明属于多智能体智能控制技术领域，特别是一种基于ROS(Robot OperatingSystem，机器人操作系统)的多智能体分布式编队控制系统及方法。

背景技术

随着科学技术的进步，机器人的数量快速增长，并逐步进入到人类生活的各个领域。机器人有灵活的特性，因为其有特稿生产力、增加安全性、便于控制和维护的特点广泛地应用于了工业生产环境以及科学研究当中。但是面对日渐复杂的工作环境，单个机器人不能很好的承担工作，难以满足更加复杂的要求。为了适应日益复杂的工作环境，提出了通过个体的行为结合实现整体系统的协作的多机器人系统。多机器人系统的出现弥补了单个机器人能力上的不足，提高了工作效率。

单个智能体可视为独立的简单计算机系统，其受限于单机计算瓶颈，可处理的问题有限。然而，将一个复杂的问题拆分并分配给每一个智能体，这些多智能体之间依赖于通信网络建立连接进行信息交互及协调，从而可以实现预期的复杂任务，其能力远超过一般的单一智能体。与传统的集中式一致性优化方法相比，基于网络的分布式多智能体系统由于其拥有很高的可用性、灵活性、强容错性等特点，在各个领域都有广泛的应用。

对于分布式多智能体的控制实现主要分如下几个方向：集中式、分布式和分层式。集中式控制的思想是，假设有一个中心节点存在于网络中，其他的所有智能体都于该节点进行通信，该节点中心负责对所有的智能体进行控制的运算能力，这种情况下，网络由中心节点直接控制称为集中式控制。分布式控制则是，节点之间的通信交互不通过集中节点进行，而是节点之间单独交互，根据通信得到信息后单独进行决策。集中式控制的显著优势在于：网络结构简单、子节点通信负担小、控制方法简单。但是对于中心节点的稳定性和运算能力要求很高，不利于降低成本。而分布式相反，在整个网络上不存在严格意义上的中心节点，每个智能体仅需和相邻的节点进行信息交互即可，但是与之优点相对应的是会带来更复杂的结构以及更高难度的控制问题,对于实际运用的落地是一个很大的挑战。而对于分层式结构而言，集中式体系结构和分布式体系结构的优点，分层式结构有一个主控结构，主控结构的作用是与智能体进行交互实现整体的编队运作控制，而不是控制单一的智能体进行运动，智能体除了接收主控单元的信息之外，还与其他智能体成员进行单独的信息交互，单个智能体通过上述两种信息获取进行综合判断做出决策。分层式体系结构具有集中式的编队统一协调性能，同时也兼备分布式的易拓展的特性，但是设计实现比较繁琐。

在现有的多智能体编队控制中，如专利CN109032138A公开了一种基于一致性算法的多机器人编队控制系统及方法，该专利采用集中式结构进行多机器人编队实现，具体实施为，上位机作为整个系统的主控中心，全局摄像头进行全局的视觉获取；对于编队算法的实施，通过上位机统一发布指令，各个机器人执行。然而，该专利无法实现对分布式算法的验证，且由于是集中式结构，对于主控单元的要求很高，主控单元因数据量庞大处理数据迟滞，会导致整个系统的混乱。

发明内容

本发明的目的在于提供一种准确、高效的基于ROS的多智能体分布式编队控制系统及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于ROS的多智能体分布式编队控制系统，包括实验环境初始化模块、上位机ROS环境模块、通信与处理模块、测量模块、控制算法模块和智能体组，其中：