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西北民族大学

2012级毕业论文

多智能体系统的编队控制研究

年级:

2012级

学号:

P121813972

姓名:

龙浩男

专业:

自动化

指导老师:

郭凌

二零一六年六月

摘要

本文主要研究智能体的编队控制问题，通过智能体编队控制提高空间智能体密度，增加空间容量，有效地增强交通的畅通和安全。

此外,智能体编队控制可以降低智能体所受阻力,降低智能体能量损耗,有效的减少了开支。

故智能体系统编队控制有很大的研究意义。

近年来，智能体系统编队问题逐渐成为控制领域研究的热点之一。

智能体系统编队控制研究很重要的一个问题，就是让智能体形成并保持一个期望的编队队形。

本文主要研究是结合理论知识，利用智能体自身约束条件，建立智能体运动学模型，设计其控制律，使得智能体系统在任何的起始位置都能实现期望的编队队形，并保持期望队形。

本文的主要研究内容如下：

首先，根据针对近年对智能体编队控制的研究，以及对目前的研究进行的分析和总结，提出了智能体在编队控制研究中存在的不足。

接着，分析并解决目前智能体在编队控制中存在的不足。

针对四轮智能体自身存在的约束关系，并特别考虑到智能体自身转向问题，建立单个智能体的数学模型。

选择编队里面某一组领航者与跟随者作为研究对象，根据领航跟随者编队方法，对这两个智能体设立了基本的运动学模型，得到了更加优良的领航跟随者编队模型。

最后，采用Lyapunov控制算法，设计了合适的跟随者控制器。

通过Matlab仿真验证控制器设计的正确性，充分的满足智能体编队控制的要求，使整个编队保持期望的队形运行。

关键词：

编队控制；领航跟随者；Lyapunov算法；Maltlab仿真

Abstract

Thispaperstudiestheformationofintelligentcontrolofthebody,throughtheintelligentcontroltoimprovespatialintelligencebodyformationdensity,increasedspacecapacitytoeffectivelyenhancethesafetyandsmoothflowoftraffic.Inaddition,agentscanreducetheformationwithagentbyairdrag,reducingfuelconsumption,effectivelysavingenergy.Studysomegreatresearchvaluesothatagentsystemformationcontrol.

Inrecentyears,agentsystemformationcontrolproblemisbecomingoneofthehotresearchscholars.Veryimportantquestionishowtocreateandmaintainadesirablebodyformationinintelligentcontrolsystemformation.Thispaperstudiesacombinationoftheoreticalknowledge,theuseofintelligentbody'sownconstraints,theestablishmentofintelligentbodykinematicsmodel,thedesignofitscontrollawsothatagentsysteminanarbitraryinitialpositiontoachieveagivenformationflying,andmaintained.Themaincontentsareasfollows:

Firstofall,accordingtorecentstudiesontheformationcontrolagentfor,andanalyzeandsummarizethecurrentresearch,thelackofproposedformationcontrolagentinthepresenceofthestudy.

Secondly,analyzeandsolvethelimitationsofthecurrentformationcontrolinthepresent.Forfouragentsaccordingtotheconstraintsofitsownexistence,andtoconsidertheagentsteeringsystem,amathematicalmodelofasingleagent.Thenselecttheformationsofagroupleaderandfollowersastheresearchobject,accordingtotheleaderfollowerformationmethod,thetwoagentsestablishedbasickinematicmodeltogiveamorecompletemodelofthepilotfollowers.

Finally,accordingtotheleaderfollowermodelestablishedusingLyapunovcontrolalgorithmdesignsuitablefollowercontroller.ByMatlabsimulationcontrollerdesigncorrectness,fullymeettherequirementsofformationcontrolagent,sothatthewholefleettomaintainthedesiredformationrun.

Keywords:

FormationControl;leaderfollower;Lyapunovalgorithm;Matlabsimulation

第1章绪论

1.1研究目的和意义

近年以来，多智能体系统的编队控制已经成为研究的热门之一。

在我国，尤其是大都市，人口密度相对很大，车辆拥有率也很多。

与美国等发达国家相比较而言，我国公路建设和车辆控制都有较大差距。

因而交通堵塞，环境污染现象普遍存在。

1.1.1研究目的

编队行为在自然界十分常见，比如鸟儿、蚂蚁等生物为了觅食、迁徙、御敌等情况经常会出现有一定规律，一定目的合作。

通过这种编队控制，个体之间相互协作很大程度的提高了觅食等的概率，也很大程度的减少了自身成为食物的可能。

鱼群、鸟群等经常会形成一个巨大的编队，在编队中的个体位置相对固定，所有个体组成了一个相对固定的队形，而整个编队可以看做一个移动的整体[1]。

因此编队控制行为体现出了比单个个体更大的优势。

故很多研究人员以自然界中生物的编队行为为依据，对智能体系统编队控制进行了一系列针对性的分析研究，如车辆系统、卫星系统、无人机系统、导弹等编队控制问题。

目前，我们国家车辆等智能体拥有量很多，但是公路建设方面还不够完善，加上在智能体编队控制技术方面相对比较落后。

在一些特殊情况下，如可见度低等恶劣行驶环境下，经常会出现智能体的编队以各种指定队形方式，通过互相协作完成探查、巡逻、援救等任务的情况[2]。

故而智能体系统编队控制问题也成为当前学者研究的热门之一。

1.1.2研究意义

生活中，我们经常会看到鸟儿形成编队飞行，尤其是在大批鸟儿在迁徙过程中总是保持一字排开或者三角形等队形，研究人员对于这种情况进行了深入的分析研究，研究表明编队飞行的鸟儿由于能在飞行过程中产生涡流效应，使得编队飞行的鸟儿要比独自飞行的鸟儿节省70%以上的能量。

受到鸟类编队行为的启示，研究人员对车辆编队进行研究，经过研究发现以一定的编队行驶的车辆能很大程度的降低能源的损耗，并且智能体编队也可以完成单个个体所不能完成的一系列复杂的和不可能完成的任务。

智能体系统编队控制问题就是让智能体形成并保持一个期望的编队队形。

本文主要分析研究智能体自身的约束条件，建立单个和两个智能体运动学模型，设计其控制器，使得智能体系统在任何的起始位置都能达到给定的期望队形，并且按照期望的队形运动，并保持。

1.2国内外研究现状

近十多年来，国内外科研人员在编队控制方面展开了大量的实物与理论研究，并取得丰富的科研成果。

智能体编队控制目前被普遍用在无人机系统、车辆系统、卫星系统、船舶系统等的协作中。

学者们提出下面5种常见的控制方法来分析处理智能体系统的编队控制研究问题。

1.2.1编队控制的研究方法

1基于行为的控制方法

基于行为的控制方法是由Balch和Arkin提出的。

其基本原理是：

提前给定智能体设定的运动方法，包含避障，追踪，保持编队队形等一些基本行为，使单个个体的输出是控制作用的平均值。

这种控制方式是运用由下而上的方法构造系统，通过智能体行为合成来实现智能体的运动控制。

比如机器人系统群体的编队队形控制，运用基于行为的控制方法对个体系统进行设定，每一个基本设计都将出现一个表达预期行为的输入。

这种基本设计包括阻止碰撞、躲避障碍、搜索目标和保持队形，从而有利于机器人系统的编队控制。

综上所述，可以看出基于行为的控制方法缺点主要是不能很好的表现系统的稳定性，优点是并行性、实时性和分布性好。

2基于虚拟结构的控制方法

Tan和Lewis等人在1997年首先提出了基于虚拟结构的控制方法基本理论。

该控制方法的主要原理是将编队结构作为虚拟的刚性结构，实际单个智能体个体在虚拟结构中相对该结构中固定的一点。

根据个体之间相对位置建立参考系，当编队有移动时，参考系在空间中移动，编队的虚拟结构与编队里每个实际智能体个体相对应的虚拟个体智能体也跟随移动[3][20]。

虚拟个体智能体的状态即为实际个体的期望状态，在智能体编队控制中，设计出每个单个智能体的控制器，使得每个虚拟能与实际重合，从而完成编队控制。

基于虚拟结构的控制方法比较方便应用在航天器和车辆系统等编队，并可以取得比较高的精度。

此控制方法如要保持高精度的编队队形，会出现容错性差等缺点。

如果要求编队队形按一定的虚拟结构运动，同时也缺乏一定缺乏灵活性和适应性[4]。

其特点主要是比较简单的能给出智能体各自的行为，同时也很轻易能得到编队的反馈。

3基于图论的控制方法

图论是编队分析处理的相当重要的工具。

对于编队控制问题的研究，最早是从数学家开始的，其基本的理论就是图论，它也是目前组合数学领域最活跃的分支。

在具体研究中，通常把编队中的单个智能体看成图中的顶点，编队系统中的智能体之间的通讯表示为图中的边[5][19]。

编队中各个智能体之间的期望相对距离可以表示为图中的权值。

文献[6]中用有向图描述了线性时不变智能体系统的编队控制问题，通过分析Lyapunov矩阵特征值判定了编队在控制问题上的有效性。

一般而言智能体编队控制用图来表示，假如各个智能体之间的交流是相互的，则用左边的无向图表示智能体队形。

假如各个智能体之间的交流为单向的，用右边的有向图来表示，如下图1.1所示。

其中两条相反方向的有向图的边可以表示无向图的边。

（a）无向图（b）有向图

图1.1通讯结构图