[發明專利]大規模集群系統的分布式遞歸編組及自主聚合控制方法

有效

• 申請號: 202210252109.9
• 申請日: 2022-03-15
• 公開（公告）號: CN114594689B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 潘振華;夏元清;鄭穎;鮑泓;孫中奇;馬楠;戴荔;詹玉峰;張元;郭澤華
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京盛詢知識產權代理有限公司 11901
• 代理人: 方亞兵

1.一種大規模集群系統的分布式遞歸編組及自主聚合控制方法，其特征在于，包括：

智能體多層圖拓撲結構設計將大規模的多智能體劃分為幾個不同的層，每個層里包含一些子群，子群由“簇節點”和“子節點”構成，再由簇節點構成一個高層的網絡，從而構成一個分層網絡結構；

多層自組織聚合控制方法是基于臨近優先原則為每個智能體分配鄰居，把整個群組分為許多不重合的子群，并在子群內部的個體間建立交互和聚合控制關系；

步驟2、多層自組織聚合控制

步驟2.1第一層聚合控制：對于隨機分布在一個特定區域的N個智能體，基于臨近優先原則，為每個智能體分配鄰居，把整個群組分為許多不重合的子群，并在這些子群內部的個體間建立交互和聚合控制關系；

步驟2.1.1基于臨近優先準則給每個個體分配鄰居，把整個智能體群分為許多不重合的子群，并在這些子群內部的個體間建立交互和聚合控制關系； 其中第i個智能體的三類鄰居分別為“斥力區”，平衡區，“引力區”，用N₁，N₂，N₃表示：

N₁＝{j∈N_i|d_r＞||d_ij||}

N₂＝{j∈N_i|d_r≤||d_ij||≤d_s}

N₃＝{j∈N_i|d_s＜||d_ij||＜d_m}

其中d_ij＝q_i-q_j表示A_i和A_j的相對位置向量；q_i，q_j表示智能體A_i和A_j的位置坐標，N_i表示智能體A_i的鄰居，d_r表示智能體間安全距離，d_s表示平衡區域最大半徑，d_m表示智能體最大感知范圍；

步驟2.1.2第i個智能體影響范圍內的非相鄰智能體或障礙物用如下公式描述：

其中obj_j表示第j個非相鄰智能體或障礙物d_ij表示的是第i個智能體與非相鄰智能體或障礙物的實際距離；

步驟2.1.3假設智能體A_i知道鄰居的位置，鄰居的數量o_i，相鄰智能體之間的期完距離以及智能體的總數量，第一層聚合控制公式如下：

其中k_c是一個正的常數，作為阻尼系數；F_ij用于調節智能體A_i與其鄰居A_j間的位置，從而避免子群中的碰撞與分散；F_io用于避免撞到障礙物和非鄰居的智能體；u_i為控制輸入，obj_j表示智能體Ai感知范圍內的障礙物；

步驟2.1.4F_ij是由一個勢能函數p_ij(q)產生的，勢能函數依賴于智能體A_i與其鄰居A_j的相對距離；p_ij是一個可微分的、非負的平整的成對的勢函數，p_ij定義如下：

k_ij為正的參數，一個向量的σ-范數||·||_σ是一個映射：R^m→R₊，被定義為其中參數ε大于0；不同于在0處不可微分的范數||z||，映射||z||_σ處處可微分；d_des表示期望距離；

F_io是由一個勢能函數P_io(q)產生的，P_io(q)依賴于智能體A_i和障礙物的相對距離，P_io定義如下

其中k_o為正數含義障礙物斥力系數；||d_io||表示智能體A_i與障礙物距離，d_io為智能體與障礙物間距；

步驟2.1.5分別對p_ij(q)為智能體i和j間的勢場函數，p_ij含義為智能體i和j間的勢場函數，和P_io(q)為智能體i與障礙物間勢場函數求微分，得到勢場力，

步驟2.2當第一層智能體形成了一些無重合的子群，并在子群內的個體間建立定位和交流關系；作為多層圖結構模型的結果，上層中特定子群會被聚集，并形成一些大一點的子群；通過這個方式，大規模智能體群體通過一個分級的框架有機的聚集起來，可以有效地提升層間交互的效率，增強可擴展性和整體，并避免系統的分布散；

步驟2.2.1第ρ層整合控制：在第ρ層，有k_ρ個子群；將這些子群認為是新的個體，鄰居被定義為：

表示V_i^ρ和V_j^ρ的相對位置向量，含義第ρ層智能體小組i和小組j中心坐標的距離；為V_i^ρ的鄰居組；分別表示排斥區、平衡區、引力區的最大半徑；V_i^ρ的坐標可以表示為

和表示V_i^ρ-1的相鄰坐標，為第ρ層智能體小組i中心位置坐標，函數f(·)被定義為V_i^ρ的幾何重心；

步驟2.2.2相鄰的子群可以相互協作，然后整個系統會自動的聚集，形成k_ρ子群；類似于第一層的p_ij，第ρ層子群間的勢函數定義如下：

其中為第ρ層子群i，j間勢場函數，為正數，為第ρ層子群i，j間勢場系數，為第ρ層子群間期望間距；

多層自組織聚合控制方法的公式如下：

其中k_c是一個正的常數，作為阻尼系數；F_ij用于調節智能體A_i與其鄰居A_j間的位置，F_io用于避免撞到障礙物和非鄰居的智能體；表示第rol層智能體小組i鄰居個數；λ表示總層數；含義第ρ層子群i，j間勢場力，k_c為擾動系數；

基于三維空間下進行仿真實驗，通過最近鄰優先原則，所有個體間建立通訊鏈路，形成了一些不重合的子系統，每個子組中的個體們相互維持期望的角度和距離，然后子組的狀態和誤差漸進收斂。