[發明專利]一種異構無人集群編隊避障方法及系統

有效

• 申請號: 202210539701.7
• 申請日: 2022-05-17
• 公開（公告）號: CN115033016B
• 公開（公告）日: 2023-03-17
• 發明（設計）人: 劉澤民;沈雨陽;趙一先;閆昌智;林學忠;徐金明
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 杭州知見專利代理有限公司 33295
• 代理人: 盧金元

本發明公開了一種異構無人集群編隊避障方法及系統。該方法中根據異構無人集群編隊避障系統確定領航者和跟隨者，采用領航者可切換的方式，在集群中找到最合適的智能體作為領航者；根據異構無人集群編隊避障系統的運動狀態以及環境中障礙物的位置構造分布式的編隊避障控制器；根據異構無人集群編隊避障系統的運動狀態以及控制輸入構造運動學約束模塊保證智能體的控制輸入限制在相應智能體的運動學約束范圍之內；根據異構無人集群編隊避障系統的通信拓撲關系構造通信拓撲模塊；根據異構無人集群編隊避障系統中智能體的異構性構造空地協同模塊；本發明實現存在障礙物條件下的編隊和避障之間的權衡控制。

技術領域

本發明涉及異構多智能體協同控制領域，特別是涉及一種異構無人集群編隊避障方法及系統。

背景技術

在過去幾十年中，由于無人機、無人車在軍事和民用領域的巨大潛在應用，多智能體領域得到了快速發展。目前，學者們對于多智能體的研究主要集中在同構多智能體上，對于異構多智能體的研究還十分有限，但是在實際的應用場景下，同構智能體有時無法滿足人們的要求，往往需要多種異構的智能體協同起來共同完成某項復雜的任務。例如，在對未知區域探索的場景下，無人機由于機動性強、受環境條件限制小等因素會進入狹小的區域開展任務，但是由于其電量、算力資源有限，無法長時間的進行探索；而無人車可以攜帶充足的算力對未知場景進行精細的探索，但是無人車由于體積大等因素無法進入狹小的空間進行探索；然而無人機與無人車的結合，可以以更高的效率完成更復雜的任務。因此，亟需研究異構無人系統的協同控制問題。

異構多智能體在執行任務時往往需要以一定的隊形進行，異構多智能體的編隊具有很多的應用場景，能夠以更高的魯棒性完成探索、覆蓋等復雜任務。針對無人系統的編隊問題已有大量的研究工作，然而現有的無人集群編隊系統相對簡單，一般假設集群系統是同構的。在實踐中，環境中會出現大量障礙物，為了安全起見，智能體需要躲避障礙物并躲避鄰居機器人防止發生碰撞。目前異構集群編隊避障控制的研究還不成熟，智能體在避障及避碰時會偏移出編隊期望隊形，導致編隊隊形無法繼續保持。如何系統地權衡編隊及避障這兩個相互沖突的要求，是實現無碰撞編隊行駛的關鍵。

人工勢場法和動態窗口法是智能體避障、避碰傳統有效的方法。其中人工勢場是指將智能體所在的環境當做一個虛擬的場，目標點可以對智能體產生引力場，障礙物對智能體產生斥力場，智能體在引力場和斥力場相互作用下到達目的地、形成期望的編隊。但是人工勢場法存在局部最優值問題，現有解決局部最優值的方法是對智能體施加一個隨機的擾動，使得智能體跳出局部最優點，但是隨機的擾動可能導致智能體無法保持期望的編隊隊形，導致編隊隊形被破壞。動態窗口法是指考慮機器人的朝向、速度、到障礙物的距離等因素的條件下，在可行的速度空間內選擇最優的速度，以最優的軌跡到達指定目標點。在編隊避障系統中采用動態窗口法需要引入多個虛擬節點，導致智能體的通信拓撲變得復雜，更適用于單個智能體的避障。綜上所述，研究異構無人集群編隊避障系統不僅具有理論意義，更加具有工程實際意義。

發明內容

本發明主要是解決現有技術所存在的缺乏合適的異構無人集群編隊避障方法的技術問題，提供一種可選擇編隊領航者且在智能體避障過程中可以保持編隊隊形的異構無人集群編隊避障方法及系統。

本發明針對上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的：

一種異構無人集群編隊避障方法，包括以下步驟：

S101、獲取異構無人集群編隊避障系統的通信拓撲關系，確定編隊系統的穩定性；所述的異構無人集群編隊避障的通信拓撲關系包括無人車之間的通信拓撲圖和無人機之間的通信拓撲圖，智能體只能與同構的鄰居智能體進行通信，且智能體與智能體之間的作用拓撲是雙向的；

S102、根據異構無人集群編隊避障系統中智能體的運動狀態和控制輸入，確定智能體的運動學模型；

S103、根據智能體的運動狀態和障礙物的位置信息，選擇無人車領航者和無人機領航者；