CN108897339B - 一种基于速度规划的受约束多智能体编队方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于速度规划的受约束多智能体编队方法,在考虑编队的同时还考虑智能体间存在约束。通常对于一般的多智能体系统,采用分布式控制,在多智能飞行器间构建通讯拓扑,采用一致性控制进行编队控制和整体机动有一定的优势。但是,本系统的容错率低,多智能飞行器存在约束,单一智能飞行器的错误指令就可能导致整个系统的崩溃或损坏,所以特提出本发明所述的编队控制方法,以保证可靠性。
Description
技术领域
本发明属于机器人领域,涉及一种基于速度规划的受约束多智能体编队方法。
背景技术
受约束多智能体编队问题涉及诸多领域,由于约束的存在常常会导致系统的低容错率,如果控制不得当,在系统状态切换过程中,就可能会发生巨大震荡,甚至崩溃,因此,对每个个体的精确控制就尤其重要,进行速度规划可以使得个体的轨迹十分精确,动态过程短,且超调量小,是一种良好的解决受约束多智能体编队控制的方法。
近年来,多智能体的协同编队问题引起了越来越多的关注目前,针对多智能体的编队问题,一般有三种解决方案:
基于行为的编队控制。该控制方法由一系列行为构成,将系统任务或者是传感器信息以及其他智能体的输出信息作为输入,其输出为运动控制或者别的智能体的输入信息,从而构成交互信息网络,该方法由良好的并行性和实时性,但其主要问题是如何设计各种行为的协调机制。
集中式控制编队。该方法将智能体群队形看做是一个刚性虚拟结构,每个智能体跟踪刚性结构中一点,系统中存在一中央主机,用于决策和发布指令,系统需要保证每个智能体与中央主机之间通讯,该方法也是目前来说较为成熟的一种编队控制方法,实现起来也较为简单,高效可靠,对中央主机有依赖。
分布式控制编队。该方法中不存在中央主机,主要是基于一致性理论,多智能个体之间会形成一通讯拓扑网络,该网络必须是一个全连通的,智能体根据自身收集到的信息进行决策,该方法的优点是在通讯可靠的情况下鲁棒性好,对中央调制无依赖,但是与此同时,各个智能体之间的通讯频率和通讯连接数量很大影响系统的性能。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处,本发明提出一种基于速度规划的受约束多智能体编队方法。
技术方案
一种基于速度规划的受约束多智能体编队方法,其特征在于步骤如下:
步骤1:中央主机接收到既定任务轨迹L(t)、需求阵型d(t),虚拟leader轨迹设定为既定任务轨迹L(t),得到各个follower智能飞行器的轨迹li(t):
li(t)=L(t)+di(t)
d(t)=[d1(t) d2(t) … dn(t)]T
在任意时刻,中央主机都会生成一刚性阵型,而各个智能飞行器会去跟踪自己所对应的位置;
步骤2:将任务确定的每个智能飞行器的轨迹分解为多段,并对每段轨迹进行速度规划,使得在轨迹末端速度达到指定值且恰好能够平滑地连接下一段轨迹;
将轨迹分解的主要分解原则:根据轨迹形状分为圆弧型、直线型;
速度规划:
直线型:
t1=ts+|vm-vs|
其中ts~t1时间内为一次函数型加速,t1~t2时间内为保持常值最大速度,t2~te时间内为2次函数型减速。其中s为直线方向上路程,vs为轨迹初始端点速度,vm为轨迹段最大速度,ve为轨迹结束端点速度;
圆弧型规划:
S2=vm(t2-t1)
t1=ts+|vm-vs|
其中ts~t1时间内轨迹和速度为一次函数型加速,t1~t2时间内轨迹和速度保持常值最大速度,t2~te时间内轨迹和速度为2次函数型减速。其中s为轨迹路程,vs为轨迹初始端点速度,vm为轨迹段最大速度,ve为轨迹结束端点速度,θs为轨迹初始时速度朝向(定义x轴正方向为θs=0,逆时针增大),θe为轨迹终止时的速度朝向,R为圆轨迹半径;
速度连接:分解而成的多段轨迹,若轨迹衔接处速度方向不一致,则要求前段轨迹末速度和后段轨迹初速度均为0;若轨迹衔接处速度方向一致,前段轨迹末速度和后段轨迹初速度不为0但必须相等;
步骤3:系统采用WIFI无线网络作为通讯手段,中央主机和每个智能飞行器双端检测通讯链路是否正常;
中央主机不断发送轨迹控制指令给各个智能飞行器,各个智能飞行器不断发送心跳包给中央主机,若主机在2s内未收到某一智能飞行器的任何心跳包,中央主机即认为该机失联,切换至紧急模式,将所有其他受控智能飞行器停止运动,同时若某一智能飞行器2s内未接收到任何控制指令,即认为本机与主机失联,将立即停止运动。
有益效果
本发明提出的一种基于速度规划的受约束多智能体编队方法,在考虑编队的同时还考虑智能体间存在约束。通常对于一般的多智能体系统,采用分布式控制,在多智能飞行器间构建通讯拓扑,采用一致性控制进行编队控制和整体机动有一定的优势。但是,本系统的容错率低,多智能飞行器存在约束,单一智能飞行器的错误指令就可能导致整个系统的崩溃或损坏,所以特提出本发明所述的编队控制方法,以保证可靠性,
与现有技术相比,本发明有以下有益效应:
1、极高的安全性,如上文所述,本发明的诸多措施,如通讯检测、速度规划等,都是为了保证系统的安全。
2、该发明编队控制考虑了受约束多智能体,而目前许多编队控制都是不考虑约束问题的。
附图说明
图1:一种典型轨迹
图2:系统通讯信息流
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
本发明目的是针对受约束多智能体系统,提出一种基于速度规划的集中式编队方法。
本编队方法采用Leader-Follower方法。系统由中央决策主机、单个智能飞行器、弱弹性的轻质绳网网(10m*10m)组成。弱弹性绳网由多个智能飞行器牵引,由于绳网的存在,使得多飞行器编队结构及结构变换时有一定约束。
编队飞行时,中央主机会生成以虚拟leader,而其他执行任务的智能飞行器将作为follower跟踪给定编队结构中的点。
本编队控制方法的具体步骤包括:
1、根据既定任务轨迹与需求阵型,中央主机生成各智能飞行器目标轨迹。
2、将各智能飞行器目标轨迹分解为多段,并对每段轨迹进行速度规划,使得在轨迹末端速度达到指定值且恰好能够平滑地连接下一段轨迹。
3、中央主机将解算好的轨迹和指令发布给各个智能飞行器,同时检测通讯链路是否故障,保证系统安全。
第一步:根据任务,确定每个智能飞行器的轨迹
首先分析根据需求的任务,确定每个智能飞行器任务,并对每个智能飞行器指定轨迹,这些轨迹将全部由圆弧段和直线段组成,每个智能飞行器的轨迹的时间以中央主机时间为基准。
中央主机接收到既定任务轨迹L(t)、需求阵型d(t),虚拟leader轨迹设定为既定任务轨迹L(t),可以得到各个follower智能飞行器的轨迹li(t):
li(t)=L(t)+di(t) (1)
d(t)=[d1(t) d2(t) … dn(t)]T (2)
在任意时刻,中央主机都会生成一刚性阵型,而各个智能飞行器会去跟踪自己所对应的位置。
如图1所显示的就是一种典型轨迹。
第二步:将各智能飞行器目标轨迹分解,并对每段速度进行速度规划
将轨迹分解成圆弧型和直线型。
下面给出圆弧型和直线型轨迹的速度规划方法:
直线型使用一次函数型加速,常值最大速度,二次函数型减速。容易知道,三段路程和等于总路程,有:
其中ts~t1时间内为一次函数型加速,t1~t2时间内为保持常值最大速度,t2~te时间内为2次函数型减速。其中s为直线方向上路程,vs为轨迹初始端点速度,vm为轨迹段最大速度,ve为轨迹结束端点速度。
由于第一段加速斜率一定,故可以知道:
t1=ts+|vm-vs| (4)
带入(1)中,可以求得:
根据该段速度形式的定义,可以容易得到速度规划:
圆弧型规划的方法是基于直线型的,使得圆弧型全段和速度(这里规定逆时针为正,逆时针为负)满足直线型的规划,然后将该速度分解到2个方向上即可,我们需要将(4)式看做是整段的路程,然后根据一定规律分解。
可知圆轨迹的速度方向和当前所处的角度位置有关,而这个角度位置可以通过已行进路程得到,所以,加速度段路程S1:
匀速段路程:
S2=vm(t2-t1) (8)
那么,可以容易写出速度规划结果:
其中R为圆轨迹半径。
分解而成的多段轨迹,若轨迹衔接处速度方向不一致,则应当要求前段轨迹末速度和后段轨迹初速度均为0;若轨迹衔接处速度方向一致,前段轨迹末速度和后段轨迹初速度可不为0但必须相等。
第三步:发送轨迹指令并且检测通讯链路
如图2所示,由于使用环境限制,本系统采用WIFI无线网络作为通讯手段,无线网络受环境干扰大,容易出现断线、丢包等情况,故需要中央主机和每个智能飞行器双端检测通讯链路是否正常,中央主机不断发送轨迹控制指令给各个智能飞行器,各个智能飞行器不断发送心跳包给中央主机,若主机在2s内未收到某一智能飞行器的任何心跳包,中央主机即认为该机失联,切换至紧急模式,将所有其他受控智能飞行器停止运动,同时若某一智能飞行器2s内未接收到任何控制指令,即认为本机与主机失联,将立即停止运动。
通过这样的方法以保证该低容错率系统不易崩溃,保证系统安全。
Claims (1)
1.一种基于速度规划的受约束多智能体编队方法,其特征在于步骤如下:
步骤1:中央主机接收到既定任务轨迹L(t)、需求阵型d(t),虚拟leader轨迹设定为既定任务轨迹L(t),得到各个follower智能飞行器的轨迹li(t):
li(t)=L(t)+di(t)
d(t)=[d1(t) d2(t)…dn(t)]T
在任意时刻,中央主机都会生成一刚性阵型,而各个智能飞行器会去跟踪自己所对应的位置;
步骤2:将任务确定的每个智能飞行器的轨迹分解为多段,并对每段轨迹进行速度规划,使得在轨迹末端速度达到指定值且恰好能够平滑地连接下一段轨迹;
将轨迹分解的主要分解原则:根据轨迹形状分为圆弧型、直线型;
速度规划:
直线型:
t1=ts+|vm-vs|
其中ts~t1时间内为一次函数型加速,t1~t2时间内为保持常值最大速度,t2~te时间内为2次函数型减速;其中s为直线方向上路程,vs为轨迹初始端点速度,vm为轨迹段最大速度,ve为轨迹结束端点速度;
圆弧型规划:
S2=vm(t2-t1)t1=ts+|vm-vs|
其中ts~t1时间内轨迹和速度为一次函数型加速,t1~t2时间内轨迹和速度保持常值最大速度,t2~te时间内轨迹和速度为2次函数型减速;其中s为轨迹路程,vs为轨迹初始端点速度,vm为轨迹段最大速度,ve为轨迹结束端点速度,θs为轨迹初始时速度朝向,定义x轴正方向为θs=0,逆时针增大,θe为轨迹终止时的速度朝向,R为圆轨迹半径;
速度连接:分解而成的多段轨迹,若轨迹衔接处速度方向不一致,则要求前段轨迹末速度和后段轨迹初速度均为0;若轨迹衔接处速度方向一致,前段轨迹末速度和后段轨迹初速度不为0但必须相等;
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