[發明專利]基于知識嵌入的區域覆蓋和連通保持的集群控制方法

有效

• 申請號: 202011393769.6
• 申請日: 2020-12-03
• 公開（公告）號: CN112203291B
• 公開（公告）日: 2021-02-23
• 發明（設計）人: 丘騰海;吳士廣;蒲志強;劉振;易建強;常紅星
• 申請（專利權）人: 中國科學院自動化研究所
• 主分類號: H04W16/18
• 分類號: H04W16/18;H04W16/22;G06N3/04;G06N3/08
• 代理公司: 北京市恒有知識產權代理事務所(普通合伙) 11576
• 代理人: 郭文浩;尹文會

本發明屬于無人集群系統協同技術領域，具體涉及了一種基于知識嵌入的區域覆蓋和連通保持的集群控制方法，旨在解決現有技術無法在實現目標覆蓋最大化的同時有效保證集群中智能體之間的連通性，因而智能體控制效果不佳的問題。本發明包括：提取群體中各智能體和目標的狀態信息的相對特征；提取鄰居各智能體對目標的意圖特征和交互信息，并擴展感受野；設計群體獎懲函數，計算智能體選擇累計回報最大的動作；刪除冗余重要連接邊，獲得目標覆蓋最大化的重要連接圖和重要性節點集合；計算保證通信拓撲圖實時連通的智能體最大步長，對動作進行約束截斷，輸出到集群智能體。本發明將知識和數據方法相結合，能夠快速實現集群連通保持下的目標覆蓋最大化。

技術領域

本發明屬于無人集群系統協同技術領域，具體涉及了一種基于知識嵌入的區域覆蓋和連通保持的集群控制方法。

背景技術

集群協同區域覆蓋和連通保持是指在給定若干目標區域或目標點的情況下，一定個數的自組織無人集群通過協同配合，使其對所有目標形成最大面積覆蓋，同時保證無人集群智能體間的通信拓撲連通性。其中，無人集群包括無人車、無人機或者其他無人系統，拓撲連通性是指集群中的智能體經過一定數量的通信跳數，所有無人系統均能連通。有時為了保證所有無人集群中各智能體的連通性，無法確保集群對所有目標都形成覆蓋。

在大面積戰場偵察、全覆蓋式火力打擊、全天候多節點式通信中繼等軍事領域以及災后區域快速搜索、掃網式物品投遞、森林防火等民用領域，無人集群協同區域覆蓋和連通保持具有廣泛的應用前景，通過自組織集群協同，能解決單一無人系統無法完成或解決的問題，極大提高任務完成的效率和范圍，已有小規模集群協同系統應用于若干典型場景，實現了對場景的極大賦能，改變了傳統單一個體的工作方式。

現有方法雖然可以實現集群智能體間的連通保持，但是難以設計有效的策略實現目標覆蓋最大化或者只實現了目標覆蓋最大化，但無法保證智能體間的連通性。而基于深度強化學習等數據驅動的方法雖然具有較大的探索性和智能性等優勢，但由于存在難以收斂和安全性等問題，難以有效保證連通保持這一條件。因此僅考慮知識或者數據驅動的某種方法很難同時解決多智能體間的目標覆蓋最大化和連通關系保持問題，從而導致智能體控制效果難以達到預期。

發明內容

為了解決現有技術中的上述問題，即現有技術無法在實現目標覆蓋最大化的同時有效保證集群中智能體之間的連通性，因而智能體控制效果不佳的問題，本發明提供了一種基于知識嵌入的區域覆蓋和連通保持的集群控制方法，該方法包括：

步驟S10，實時獲取集群中各智能體和目標的狀態信息，并通過全連接神經網絡進行特征編碼，獲得智能體特征和目標特征；

步驟S20，計算所述智能體特征和目標特征之間的注意力關注系數， 歸一化并通過觀測多頭注意力機制進行多頭注意力特征提取，獲得智能體與目標之間的觀測注意力特征；

步驟S30，基于所述智能體與目標之間的觀測注意力特征，通過通信多頭注意力機制提取各鄰居智能體的交互信息和查詢目標特征、鍵目標特征和值目標特征映射、、，并通過多跳通信機制擴展智能體的感受野，獲得智能體與目標之間的交互注意力特征；

步驟S40，分別基于代數連通度以及覆蓋率和目標與智能體間的距離設計集群連通保持和集群對目標覆蓋的總的獎懲函數，并結合所述交互注意力特征，計算當前時刻各智能體能夠獲得最大累計回報的動作；

步驟S50，將各智能體通過鏈式拓撲連接，并刪除冗余重要連接邊，獲得目標覆蓋大于設定閾值的通信拓撲圖以及重要性節點集合；

步驟S60，基于分布式連通保持策略、重要性節點集合以及設定的約束條件之間的關系，計算各智能體保持連通的動作的最大步長；

步驟S70，基于所述最大步長進行動作的約束截斷，并通過截斷后的動作進行集群中各智能體控制。

在一些優選的實施例中，步驟S20包括：