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研究了基于离散时间模型的多智能体领航跟随编队控制算法。在该算法中,通过引入基于邻居的局部控制律以及基于邻居的状态估计规则设计了一种新型控制器,在该控制器中通过简单地设定跟随者和领航者之间的相对坐标即可方便地实现任意形状编队,同时该文引入了坐标旋转公式―――用于实现整个队形能够随着领航者的运动方向的变化做相应旋转,且文中分别给出了固定拓扑和切换拓扑时系统稳定编队的充分条件。最后分别通过Matlab仿真和在Amigobot机器人平台上做实验来验证该算法的正确性及实际可行性。
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第 卷第 期
智 能 系 统 学 报
年 月
:
网络出版地址::
一种多智能体领航跟随编队新型控制器的设计
王中林
,
,刘忠信
,
,陈增强
,
,孙青林
,
,吴垠
,
,马争光
,
(南开大学 计算机与控制工程学院, 天津 ; 天津市智能机器人技术重点实验室, 天津 )
摘 要:研究了基于离散时间模型的多智能体领航跟随编队控制算法 在该算法中通过引入基于邻居的局部控制
律以及基于邻居的状态估计规则设计了一种新型控制器在该控制器中通过简单地设定跟随者和领航者之间的相
对坐标即可方便地实现任意形状编队同时该文引入了坐标旋转公式用于实现整个队形能够随着领航者的运
动方向的变化做相应旋转且文中分别给出了固定拓扑和切换拓扑时系统稳定编队的充分条件 最后分别通过
仿真和在 机器人平台上做实验来验证该算法的正确性及实际可行性
关键词:多智能体系统一致性编队控制领航跟随机器人坐标旋转公式
中图分类号: 文献标志码: 文章编号:()
中文引用格式:王中林,刘忠信,陈增强,等.一种多智能体领航跟随编队新型控制器的设计[ J] . 智能系统学报, , ( ) : -
.
英文引用格式:WANG Zhonglin, LIU Zhongxin, CHEN Zengqiang, et al. A kind of new type controller for multi-agent leader-fol-
lower formation[J] . CAAI Transactions on Intelligent Systems, , (): -.
A kind of new type controller for multi-agent leader-follower formation
Abstract
Keywords
收稿日期: 网络出版日期:
基金项目:国家自然科学基金资助项目新世纪优秀人才支
持计划资助项目 天津市自然科学基金资助
项目
通信作者:刘忠信
近年来多智能体系统受到了越来越多的关注 所谓多智能体系统是指由多个可自主计算的智能体
组成的系统它具有自组织学习和推理等能力以及
自主性分布性和协调性等特点在系统中每个智能
体仅需与邻居进行信息交互便能完成一个整体的
期望目标 多智能体技术有着广泛的应用背景譬
如可用于编队控制交通流控制分布式信息融合以
及生物经济工程等领域
随着无线通信技术以及计算机技术的快速发
展使多个智能体组成的群体系统通过协调合作来
完成原本由单个智能体无法或难以完成的工作已经
成为可能 多智能体系统具有单个智能体难以拥有
的丰富的感知能力高效率的并行执行能力优秀稳
定的鲁棒性和卓越的容错能力等优势因此使得智
能体在实际工作环境中的可适应性及实用性均得到
了大幅提高 而多智能体编队问题是对于多智能体
协调合作问题所开展的研究中的一个典型应用 多
智能体编队控制主要是指多个智能体在群体运动过
程中能够在克服环境限制的同时还保持着期望队
形最终都能够顺利到达指定目的地的控制技术
多智能体的编队控制是目前对多智能体协调合作问
题进行研究的重要基础引起了国内外广大学者的
关注是国内外进行多智能体系统研究的热点课题
目前常用的多智能体编队控制方法主要有分布式
控制基于行为法虚结构法人工势场法和领航跟
随法等
在以上几种编队方法中领航跟随法得到了
广泛应 用 并 且 成 为 最 普 遍 采 用 的 编 队 方 法 之
一
领航跟随法的基本思想是在多个智能体组
成的群体中某个智能体被指定为领航者其余作为
它的跟随者跟随者以一定的距离间隔跟踪领航智
能体的位置和方向
对于领航跟随法有 种
控制器形式
控制器和 控制器 控制器
的控制目标是使跟随者和领航者之间的距离和相对
转角达到设定值
控制器考虑的是 个机器人
之间的相对位置问题当跟随者和 个领航者之间
的距离达到设定值时就可以认为整个队形稳定了
文中通过引入基于邻居的局部控制律以及基于
邻居的状态估计规则
设计了一种领航跟随编
队算法的新型控制器在控制器中通过简单地设定
跟随者和领航者之间的相对坐标即可轻松实现任意
形状编队并为了将所有跟随者相对于领航者的相
对坐标统一映射到领航者的坐标系中在控制器中
引入了 坐标旋转公式
用于实现整个队形的
对称轴和领航者的运动方向平行即所编队形随着
领航者的运动方向的改变做相应旋转 文中设计的
这种新型控制器既突破了 控制器中机器人个数
的限制又避免了 控制器设计偏复杂的缺点 文
中分别给出了固定拓扑和切换拓扑下的系统稳定编
队的充分条件及相应的证明 文章的最后分别通过
仿真和在 机器人平台上做实验
来验证该算法的正确性及实际可行性
相关的图论基础
为了讨论方便简单介绍一些文中能够用到的
图论中的一些基本的概念和相关的标记符号 更多
图论细节可参阅文献
图论在连通系统中是非常重要且有效的数学分
析工具 一个无向图
是由非空有限顶点
集合和无序的元素偶对
的集合组成其中
称为图的边 文中假设不存在从一个
顶点到它自身的边
而且由于图 是无向
图所以有
如果
那么可以说
是
的邻居顶点则顶点
的邻居顶点集合定义为
图中顶点
到顶点
的一条路径是指从起始
顶点
到终止顶点
过程中一系列顶点对组成的连
续的边 如果无向图中任何 个顶点至少有一条路
径那么就说这个图是连通的否则就是非连通的
在无向图中用 A
来表示系统的权重
邻接矩阵其中
满足
且
在无
向图 中节点
的度定义为
其中
则图 的度矩阵为对角阵 D
那么图 的拉普 拉斯 矩 阵 L
D
A 显然 L 是对称矩阵 从 L 的定义中可以知
道 L 的每一行元素之和为零即 L
这里
从而可以很容易得到 L 的其中
一个特征值为零其对应的特征向量为
控制算法设计
在介绍算法设计之前这里先对系统的连接拓
扑图 做一个简要的说明 文中图 的邻接矩阵
包括两部分一部分是所有跟随者之间组成的连通
图
的邻接矩阵用表示相应图
的度矩阵用 D 表
示而领航者和每个跟随者之间的连接矩阵用 B 表
示 假设系统中包括领航者共有
个智能体那
么 A 为
的对称矩阵 B 为
的对角矩阵
对角线上的元素为跟随者和领航者之间的连接权重
值文中假定图 总是连通的则 B 对角线上的元
素的值至少有一个不为零即至少有一个跟随者和
领航者是直接连通的但这种连通是单向的就是说
领航者的运动不受跟随者的影响 当系统的拓扑图
在一定时刻变化时则图 被认为是这
个智能
体组成的所有可能的拓扑图集合
中的一个定义
为拓扑图的索
第 期 王中林等一种多智能体领航跟随编队新型控制器的设计
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