[发明专利]时序逻辑任务的多无人车系统的路径规划与编队控制方法

说明书

本发明提供一种时序逻辑任务的多无人车系统的路径规划与编队控制方法，包括：建立多无人车系统的信号时序逻辑(STL)任务规范框架；根据所述任务规范框架构造所述STL对应的控制障碍函数(CBF)；在所述CBF的约束下求解多无人车系统的输入控制律；在所述输入控制律下完成多无人车系统的路径规划与编队任务；循环检测任务完成度。本发明利用CBF约束实时求解多无人车系统的输入控制律，求解速度快，适用于动态求解输入控制律，且在输入限制下总有合适的解，由于CBF的鲁棒性设计，能够保证避障、避碰任务的完成。

技术领域

本发明涉及多无人系统的协同任务路径规划与编队控制技术，具体地，涉及一种时序逻辑任务下的多无人车系统的路径规划与编队控制方法。

背景技术

近年来，多无人系统受到了工业界和学术界的广泛关注。多无人系统由多个智能体组成，且每个智能体能够通过与相邻的智能体间进行信息交互以及协同合作来完成一些特定的任务。多无人系统的应用范围十分广阔，可用于移动机器人、船舶、飞行器、航天器、物流、医疗和制造等各类领域，执行如分散式任务分配、救援任务、区域巡逻、空间定位、地图绘制和生物制造等任务。随着无人系统在物流、医疗和工业等应用领域的快速增加，其执行的任务复杂度也越来越高，需要更加严谨和高效的时序逻辑控制方法。为解决如周期性任务、请求-响应任务、时间限制任务等时序逻辑任务，需引进形式化的时序逻辑任务。

然而，对于多无人系统的控制问题研究存在着许多问题，尤其是在面临复杂的时间与空间的双重约束，即时序逻辑约束时，要同时满足编队、到达、避障、避碰等任务的完成度和稳定性对传统的控制方法来说依然是一个比较困难的问题。对于多无人系统而言，当智能体之间存在任务耦合时，多无人系统协同运作时的安全问题显得至关重要。

多无人系统协作控制指管理智能体以协同实现其目标，是解决复杂问题的一种有效方法，其目标任务可能在如位置、姿态等方面具有空间约束，也可能带有如周期、顺序、时间限制等时序逻辑约束，系统将目标任务分配给智能体，每个智能体使用多个输入(如子任务、操作历史、与相邻智能体的信息交互等)来达到控制目标，同时每个智能体执行的操作都会影响环境，进而影响其他智能体的决策，综合考虑多种因素，形成最优控制输出。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种时序逻辑任务的多无人车系统的路径规划与编队控制方法，包括：

建立多无人车系统的信号时序逻辑(STL)任务规范框架；

根据所述任务规范框架构造所述STL对应的控制障碍函数(CBF)；

在所述CBF的约束下求解多无人车系统的输入控制律；

在所述输入控制律下完成多无人车系统的路径规划与编队任务；

循环检测任务完成度。

优选地，所述建立多无人车系统的信号时序逻辑(STL)任务规范框架，包括：

建立多无人车系统状态空间模型；

含M个无人车的多无人车系统由无向图建模构成，其中ε∈v×v表示无人车之间的关联；

令表示单个无人车i的n_i维状态轨迹列向量，表示单个无人车i的m_i维输入列向量；

令其中n:＝n₁+...+n_M表示多无人车系统的状态维数总和；

单个无人车的状态空间模型定义如下：

其中

其中第一变量x_i是局部李普希兹连续的，时间t可测；