[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

本發明公開了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,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；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。本發明實現群網絡拓撲可擴展性自主構型。

技術領域

本發明屬于多智能體技術領域，尤其涉及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。

背景技術

多智能體技術是分布式人工智能的一個重要組成部分，已成為當前分布式人工智能領域的研究熱點。隨著嵌入式計算機性能的提升，通信網絡的不斷完善，多智能體能夠以更高的效率完成復雜的任務，并被大量的應用于軍事，航天以及工業生產等領域。但隨著智能體技術在無人機編隊控制，機器人控制，無線傳感器網絡等各領域的深入研究，該技術面臨著巨大的挑戰，其中，如何使多智能體有效安全地完成任務是當前智能體聚集問題面臨的主要挑戰。為了能將集群控制策略應用于實際應用中，必須考慮許多問題，包括可擴展和可靠的網路拓撲結構，靈活的集群配置和集群重構性，障礙物和防撞以及多種約束，包括系統動力學約束和復雜的環境約束。

目前，圖論通常用于描述多智能體系統的網絡拓撲。Vicsek針對多智能體系統的分布式一致性問題提出了粒子群模型，要求系統僅通過本地網絡連接來實現一致性。任等人探索利用圖論和矩陣理論達成一致性的最低要求，并指出，如果拓撲網絡圖包括有向生成樹，則多智能體系統可以漸進一致。Olfati-Saber將圖論、矩陣論、非線性理論等應用于多智能體系統一致性的研究，建立了一致性的基本框架。在接下來的十年中，圖論被廣泛用于描述多智能體系統的網絡拓撲結構，并在集群控制、編隊控制和協同控制等方面取得了豐富的研究成果。不幸的是，大多數研究沒有考慮通信約束，通常假設信息交互是理想的，網絡拓撲是實時連接的。然而，在實際應用中，信息感知、傳輸、接收和執行不可避免地受到各種不利因素的影響，如傳感器的感應范圍、環境噪聲和外部干擾等。同時，現有的網絡拓撲多適用于個體較少的系統，可擴展性較差。隨著個體數量的增加，網絡結構變得非常復雜。對于具有大規模個體的群體系統，關鍵問題是設計無中心、可擴展的網絡拓撲。為了設計可擴展的集群算法并保證它們的收斂性，Belta和Kumar提出了一種控制方法，用于控制大量智能體穿過狹窄的路徑。R.OlfatiSaber提出了一個理論和計算框架，用于在存在或不存在障礙物的情況下設計和分析Rm中的可擴展集群算法。

聚集是動物生存的重要行為。通過聚集，動物獲得保護，抵御捕食者或抵抗不利環境條件。在自然界中，聚集有兩種不同的方式：自組織的和基于線索的。為了研究具有大量個體特征的群體自組織聚集算法，Craig W.Reynolds提出了一種基于模擬的方法，以替代單獨編寫每只鳥的路徑，并生成鳥群的真實動態。S.Kalantar和U.R.Zimmer提出了一種分布式形狀控制方法，該方法實現了大量通信能力有限的自動駕駛車輛形成復雜的幾何形狀。不幸的是，這些任務都沒有考慮智能體之間的通信拓撲結構，群體的形狀是不可控的，并且無法分析整個系統的收斂性。為了在聚合機器人群時進行自組織，B.Khaldi等人提出了一種用于機器人群行為的距離加權k-最近鄰(DWKNN)拓撲結構。D.Li等人提出了一種具有固定和切換拓撲的自組織系統的群體控制方法，在拓撲固定的情況下可以漸近地實現聚合和穩定性。自組織系統可以自動為群中的智能體構建通信拓撲，并基于關系不變自動生成通信拓撲。然而，網絡拓撲的可擴展性相對較差。D.Yu等人提出了多層編隊控制方法的統一框架，它為具有任意數量編隊層和靈活編隊配置的多智能體編隊問題提供了新的見解。不幸的是，它沒有考慮系統中節點的添加和故障，Leader Agent故障會導致系統癱瘓。

綜上，多智能體自組織聚合控制仍然存在許多問題，根據需要提出了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。

發明內容