[發明專利]一種多智能體分布式協同動態覆蓋方法及系統

有效

• 申請號: 202011083838.3
• 申請日: 2020-10-12
• 公開（公告）號: CN112235808B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 劉瑜;李剛;丁自然;王學謙;譚大寧;董博遠
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍航空大學;清華大學
• 主分類號: H04W16/20
• 分類號: H04W16/20;H04W84/18
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 張夢澤

本發明公開了一種多智能體分布式協同動態覆蓋方法及系統。所述方法包括：更新目標智能體上一時刻的覆蓋信息素圖得到本地更新信息素圖；判斷鄰居節點集是否為空；若否，則接收鄰居節點集發送的消息包，并采用消息包更新目標智能體當前時刻的本地更新信息素圖得到融合更新信息素圖；基于目標智能體當前時刻的位置、速度和融合更新信息素圖，計算目標智能體當前時刻的綜合控制項；若是，則基于目標智能體當前時刻的位置、速度和本地更新信息素圖計算目標智能體當前時刻的綜合控制項；由目標智能體當前時刻的綜合控制項計算目標智能體下一時刻的位置和下一時刻的速度。本發明能實現未知環境條件下基于多智能體協同的快速完全覆蓋。

技術領域

本發明涉及多智能體協同覆蓋領域，特別是涉及一種多智能體分布式協同動態覆蓋方法及系統。

背景技術

基于多智能體的態勢感知技術可被廣泛應用于搜索營救、區域偵察觀測、火力打擊、信息采集、巡邏、地形測繪、交通要道態勢監控等任務。覆蓋任務區域是執行上述任務的基礎和前提。由于單個智能體的覆蓋能力受限，通常需要多個智能體組網協作執行覆蓋任務。

多智能體協同動態覆蓋系統要求單個節點具有自主感知、分布式信息處理、決策和行為的能力，并且多節點之間能夠實施高效協同合作，以實時獲取有效的、優化的覆蓋路徑，引導多智能體協同動態覆蓋系統在給定的時間內快速搜索感興趣的目標，盡可能多地獲取任務區域的信息，從而降低任務區域信息的不確定性，獲取最大感知收益。然而，在未知環境下的態勢感知過程中，智能體的移動受限于自身探測方式、觀測區域及運動模式，且與環境中的未知障礙物密切關聯，需要實現多智能體對任務區域的全局最優覆蓋且運動控制條件是簡易可行的。此外，由于智能體通常能力有限，單個節點需要在無法預知全局信息的情況下，通過局部通信和交互合作完成復雜覆蓋任務。因而，多智能體協同動態覆蓋系統需要采用基于局部信息的分布式合作機制，且由于個體能力的限制，要盡量減少覆蓋過程中各智能體節點的通信量和計算量。

目前，為避免局部最優、降低優化或控制難度，已有大多數多智能體協同覆蓋方法大致可分為三類。第一類方法基于區域劃分的思路，首先采用多邊形分割、質心Voronoi圖劃分、模糊C均值聚類等方法把任務區域分割為與智能體等數量的子區域，然后再進行規劃分配以完成覆蓋偵察任務。這種思路是預知任務區域情況下的集中式控制策略，若有智能體出現失效問題，則需立即重新進行區域劃分和任務分配。第二類方法采用編隊協同的思路：多智能體協同動態覆蓋系統中所有個體保持相對于領導者的期望距離和方向，通過控制領導者的運動并同時保持編隊結構來簡化多智能體協同動態覆蓋系統的覆蓋問題。第三類方法是完全隨機覆蓋策略，是未知環境下執行覆蓋的一種簡單方法，多智能體協同動態覆蓋系統中的每個智能體節點在保持自身避障的基礎上采用完全隨機訪問的控制策略實現區域覆蓋。

對于區域覆蓋能力和目標搜索有效性而言，區域劃分及編隊協同這兩類方法在已知確定環境下被認為是一種高效可行的方式。但是，該類方法的優勢主要來自于預先的任務分配，因其不具備節點故障的魯棒性及不具備擴展性，故難以運用于高度動態變化的復雜實際環境。此外，與區域分區及編隊協同這兩類方法相比，完全隨機覆蓋方法可以運用于未知環境。然而，隨機覆蓋并不是實際有效的策略，因為多智能體協同動態覆蓋系統中單個智能體很可能會重復訪問相同的區域，而不是探索未訪問的其他區域，進而造成全局覆蓋效率較低。

未知環境下的多智能體分布式協同動態覆蓋系統需要兼顧到五個主要方面需求：第一是所有智能體相互之間以及智能體與障礙物之間能夠在未知環境中避免碰撞，即多智能體協同動態覆蓋系統中每個智能體具有實時避障能力；第二是多智能體協同動態覆蓋系統的組織方式是分布式無中心控制，支持部分節點的隨時加入或退出，即多智能體協同動態覆蓋系統的可擴展性；第三是多智能體協同動態覆蓋系統需要實現全局最優覆蓋，不能陷入局部最優；第四是每個智能體僅需與附近的鄰居節點進行信息交互，盡可能降低覆蓋過程中各智能體節點的通信和計算需求，以延長多智能體協同動態覆蓋系統壽命，即多智能體協同動態覆蓋系統的節能策略；第五是多智能體協同動態覆蓋系統中個別節點的失效不能嚴重影響區域覆蓋任務的執行，即多智能體協同動態覆蓋系統的運行穩定性。