[發明專利]一種具有連通性保持的多智能體系統協同控制方法

有效

• 申請號: 201110147349.4
• 申請日: 2011-06-02
• 公開（公告）號: CN102215260A
• 公開（公告）日: 2011-10-12
• 發明（設計）人: 方浩;竇麗華;曹虎;陳杰;劉華罡;孫巍;由佳;賈睿;李路;孫騰;王強
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H04L29/08
• 分類號: H04L29/08
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 楊志兵;高燕燕

技術領域

本發明涉及一種基于人工勢能函數的兼具連通性保持的多智能體分布式協同控制方法，屬于智能機器人技術領域。

背景技術

近年來，多智能體系統的分布式運動協調控制與應用受到日益廣泛的關注，逐漸成為復雜性科學研究的一個焦點問題。其中各智能體僅利用局部信息進行交互，并結合通信等手段發揮分布式資源的優勢實現整體規劃、解決局部沖突，從而達到整體預期目標。多智能體系統作為一門綜合性交叉學科，其在工業和軍事等應用領域均具有廣泛的應用前景和重要的理論研究價值。

在多智能體系統中，智能體利用自身配置的多種傳感器和執行器來感知環境并對環境的變化做出適當的反應，而整個多智能體系統在某種程度上可以視為一個移動傳感器網絡和執行器網絡；同時，整個多智能群體在協同操作過程中通過自身所配備的通信設備進行信息交互和共享，使得整個系統在某種程度上又成為一個通信互聯網絡，因此合理的通信網絡結構是多智能體系統進行分布式協調控制的重要保障。

其中，網絡的通信連通性保持是多智能體網絡拓撲控制中最基礎和最重要的問題之一，特別是在障礙物環境或群體受到外擾的情況下，網絡連通性的保持更為重要，其直接影響到整個群體系統的穩定性和算法的收斂性；而且，由于通信連通性是描述網絡通信拓撲結構的全局特征量，而單個智能體只能獲取有限范圍的網絡拓撲信息，其對網絡的全局拓撲估計存在本質局限性，從而導致網絡局部連通性與全局連通性并不等價。因此網絡的通信連通性保持是多智能體系統的分布式運動協調控制中非常重要的一個環節。

然而，由于單個智能體受到功能設計和硬件條件等因素的制約，其自身所配置的傳感器傳播和感應信息能力范圍R十分有限，單個智能體與群體中最近智能體之間的距離超過一定范圍R時，該單個智能體失去了與群體的聯絡，網絡連通性被破壞。

目前對網絡連通性保持的研究中，通常人為割裂通信連通性保持和分布式運動協調控制之間的聯系，缺乏將連通性作為約束條件與具體的協同控制任務的目標相結合的綜合控制方案。

發明內容

有鑒于此，本發明是為解決目前多智能體系統協調控制方法中無法保持連通性的問題，提供了一種基于人工勢能函數的兼具連通性保持功能的多智能體分布式協同控制方法，能夠兼顧通信連通性保持和智能體運動協調控制，使系統在演化的過程中始終保持通信拓撲的連通性的同時達到預期的控制目標。

該方案是這樣實現的：

通過對智能體系統的研究分析注意到，雖然在實際中不能保證系統通信網絡的初始連通性，但系統肯定存在初始連通的子系統，但子系統的初始連通并不能保證其在演化過程中始終保持連通。首先，將這些連通子系統按照一定的規則分為領航子系統和伴隨子系統，領航子系統中隨機選擇一個領航者，從伴隨子系統中隨機選擇一個伴隨者，在領航者和每個伴隨者之間建立一個或若干個長程連接，接著設計領航-伴隨勢能函數作用于領航者和伴隨者，使得彼此不相連的子系統聯合起來，形成一個凝聚的連接群體。為了使初始連通的子系統和連通融合之后的完整系統在網絡演化的過程中始終保持連通，又設計連通系統內的勢能函數來防止相互連通的智能體移動到它們的感知范圍之外。最后，將這兩個勢能函數應用到控制規則中就可以使群體系統同時達到保持網絡連通性和獲得穩定隊形的目的。

具體來說，本發明提供了一種具有連通性保持的多智能體系統分布式協同控制方法，適用于采用雙積分連續時間模型描述的智能體所構成的多智能體系統；該方法包括如下步驟：

步驟一：設計群集控制規則：

①設任意時刻，多智能體系統被分割為彼此不相連的2個或2個以上的連通子系統，連通子系統為單個智能體或為彼此連通的至少2個智能體組成的集合；其中一個連通子系統定義為領航子系統，其他連通子系統定義為伴隨子系統；從領航子系統中推舉出一個虛擬領航者，從每個伴隨子系統中推舉出一個伴隨者；在虛擬領航者和每個伴隨者之間建立長程連接，所述長程連接采用遠程短時通訊手段；每個連通子系統內部的各智能體之間采用內部連接彼此連通，該內部連接采用近距離持續通訊手段，其允許的感應信息能力范圍為R；

②設計所述長程連接的勢能函數和所述內部連接的勢能函數；

設V_il表示虛擬領航者l與作為伴隨者的智能體i之間的長程連接勢能函數，V_ij表示連通子系統內智能體i和智能體j之間的內部連接勢能函數；