CN112379626A - 具有外部干扰的多智能体系统分组领导跟随一致的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种具有外部干扰的多智能体系统实现分组领导跟随一致性的方法。旨在解决具有外部干扰和领导者的多智能体系统不能实现分组一致性的问题。外部干扰对多智能体系统的影响是不可避免的,并且实际工程应用中,我们不仅需要不同组智能体的状态分别趋于一致,还要它们的状态跟踪上领导者轨迹,也就是控制领导者智能体的一些变量,使其他智能体收敛到与该领导者智能体相同的值。本发明通过利用外部干扰对带领导者的多智能体系统的影响以及结合过去的状态信息来设计一致性协议的方法。经实验证明,本发明方法适用于多智能体系统的分组领导跟随一致性设计,并且利用网络化预测控制方法主动补偿时滞比传统方法得到的结果更准确。
Description
技术领域
本发明涉及具有外部干扰的多智能体系统实现分组领导跟随一致性的方法,属于网络化多智能体系统技术领域。
背景技术
在实际应用中,随着系统复杂程度的不断加大,人们对系统分组问题产生了极大兴趣,于是多智能体分组一致性问题收到广泛关注,并且已在多机器人的编队、无人机的联合侦察与搜索、无线传感器和交通组织等方面有着重要应用。
目前现有的多智能体系统分组一致性设计方法,对于带时滞的多智能体系统进行研究时大多利用的过去的时间,或是用系统理论的分析方法来被动的降低时延带来的影响,具有很大的保守性。此外,也没有考虑到实际情况中,智能体在接收信息时难免会受到外部环境因素的干扰。
发明内容
本发明为了解决现有的具有外部干扰的网络化多智能体系统中,利用过时的信息实现一致性,没有很好的处理时滞问题,提出了一种利用状态预测器主动补偿时滞的具有外部干扰的网络化多智能体系统分组领导跟随一致性设计方法。
本发明所述一种具有外部干扰的网络化多智能体系统实现分组领导跟随一致性的方法,可以通过以下的技术方案实现:
步骤一、建立具有外部干扰的网络化多智能体系统的离散时间动态模型;
步骤二、针对具有外部干扰的网络化多智能体系统的离散时间动态模型构造状态观测器,进行状态预测;
步骤三、根据步骤二对带有外部干扰的网络化多智能体系统的离散时间动态模型的状态预测,设计分组领导跟随一致性控制协议;
步骤四、根据步骤三设计的分组领导跟随一致性控制协议,得到分组状态误差方程与干扰估计误差方程的紧凑表达式;
步骤五、利用分组状态误差方程与估计误差方程的紧凑表达形式,基于线性矩阵不等式获得状态反馈矩阵;
步骤六、将步骤五获得的反馈增益矩阵代入步骤三中的分组领导跟随一致性协议,实现具有外部干扰的多智能体网络化控制系统的分组领导跟随一致性。
对上述步骤进一步阐述:
进一步的,所述步骤一具体为:
对于一个包含N+M个智能体的网络N≥2,M≥2;xi表示智能体i的状态,每个智能体为网络的一个节点,每个节点的状态可以根据实际情况代表实际的物理量,比如位置、温度、速度、电压等。此网络化多智能体系统的拓扑结构是一个加权有向图,包含两个子图分别为与其中,第一个子图顶点集为第二个子图顶点集为两个子图顶点索引集分别为I1={1,2,…,N},I2={N+1,N+2,…,N+M},I=I1∪I2。顶点vi在两个子图中的邻域节点集分别为
建立网络化多智能体控制系统的离散时间动态模型,其状态空间表达式为:
xi(t+1)=Axi(t)+B(ui(t)+di(t)) (1)
yi(t)=Cxi(t) (2)
其中,xi(t)为网络化多智能体系统中第i个智能体在t时刻的离散时间动态模型状态向量,yi(t)为第i个智能体在t时刻的测量输出函数,ui(t)表示第i个智能体的一致性控制协议,A,B,C是适当维数的的系统矩阵。
进一步的,步骤二中所述的基于动态模型来构造状态观测器,再进行状态预测,其具体过程包括:
在网络化多智能体系统中的智能体i能够接收自身及相邻智能体j的信息,但由于带宽等原因会存在通信时滞,设丢包和时滞的上界为τ,基于t-τ时刻的信息可以得到下一个时刻的信息:
从t-τ+2时刻到τ时刻的状态预测为:
进一步的,步骤三中所述设计的具有外部干扰的多智能体系统的分组领导跟随一致性控制协议为:
其中,Kc为同组内智能体通信的增益矩阵,Kd为不同组间智能体通信的增益矩阵;Ki01和Ki02为领导者智能体与跟随者智能体之间通信的增益矩阵;βi01和βi02分别是两组领导者智能体与相应组跟随者智能体之间的信息传递;β=1表示二者存在通讯关系,β=0表示不存在通讯关系。
进一步的,步骤四中所述分组状态误差方程与干扰估计误差方程的紧凑表达形式为;
其中,ξ(t)表示第一组智能体在t时刻的状态误差矩阵,η(t)表示第二组智能体在t时刻的状态误差矩阵,E(t-τ+1)表示多智能体系统中的状态估计误差矩阵,F(t-τ+1)表示多智能体系统中的干扰估计误差矩阵, 表示矩阵的直和,表示克罗内克积;
令:
(5)式可以简化为
计算等式(6)中Π的具体形式:
βG1=diag(β1,β2,…,βN)
βG2=diag(βN+1,βN+2,…,βN+M)
进一步的,步骤五所述的具体过程如下:
等式(6)中当且仅当矩阵Π和是Schur稳定时,协议(4)可使得具有外部干扰的网络化多智能体系统实现分组领导跟随一致性;利用步骤三中的紧凑形式可以得到反馈增益矩阵Kc,Kd,Ki01,Ki02表达式。
本发明与现有的技术方法相比,具备的特点和有益效果是:
本发明考虑了对于带有外部干扰的网络化多智能体系统的影响,利用状态预测方法充分考虑了时滞的有效信息;本发明的分组领导跟随一致性协议设计方法可以主动补偿网络时滞的影响,对所有智能体进行统一的预测,克服了时滞对分组领导跟随一致控制的影响;此外,本方法考虑了实际工程应用中智能体接收信息会因为环境因素受到各种干扰,更贴合生活实际,然后借助于图论与矩阵论的分析方法,给出了保证具有外部干扰的网络化多智能体系统实现分组领导跟随一致的若干判据,使系统达到分组领导跟随一致。
附图说明
图1为本发明所述方法流程图;
图2是网络化多智能体系统通信拓扑结构图;
图3是时滞τ=0.1网络化多智能体系统的输出图;
图4是时滞τ=0.25网络化多智能体系统的输出图。
具体实施方式
为了更清晰的介绍本申请的目的,技术方案和优点,下面结合附图和具体实施方式,对本申请进一步详细说明。
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式,本实施方式所述具有外部干扰的多智能体系统分组领导跟随一致的方法,该方法具体包括以下步骤:
步骤一、建立具有外部干扰的网络化多智能体系统的离散时间动态模型;
步骤二、针对步骤一建立的所述的多智能体系统的离散时间动态模型来构造状态观测器,进行状态预测;
步骤三、根据步骤二对带有外部干扰的网络化多智能体系统的离散时间动态模型的状态预测,设计分组领导跟随一致性控制协议;
步骤四、根据步骤三设计的分组领导跟随一致性控制协议,得到分组状态误差方程与干扰估计误差方程的紧凑表达式;
步骤五、利用分组状态误差方程与估计误差方程的紧凑表达形式,基于线性矩阵不等式获得状态反馈矩阵;
步骤六、将步骤五获得的反馈增益矩阵代入步骤三中的分组领导跟随一致性协议,实现具有外部干扰的多智能体网络化控制系统的分组领导跟随一致性。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是所述步骤一具体为:
对于一个包含N+M个智能体的网络N≥2,M≥2;xi表示智能体i的状态,每个智能体为网络的一个节点,每个节点的状态可以根据实际情况代表实际的物理量,比如位置、温度、速度、电压等。此网络化多智能体系统的拓扑结构是一个加权有向图,包含两个子图分别为其中,第一个子图顶点集为第二个子图顶点集为两个子图顶点索引集分别为I1={1,2,…,N},I2={N+1,N+2,…,N+M},I=I1∪I2。顶点vi在两个子图中的邻域节点集分别为
建立网络化多智能体控制系统的离散时间动态模型,其状态空间表达式为:
xi(t+1)=Axi(t)+B(ui(t)+di(t)) (1)
yi(t)=Cxi(t) (2)
其中,xi(t)为网络化多智能体系统中第i个智能体在t时刻的离散时间动态模型状态向量,yi(t)为第i个智能体在t时刻的测量输出函数,ui(t)表示第i个智能体的一致性控制协议,A,B,C是适当维数的的系统矩阵;
其他步骤及参数与具体实施方式相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式二不同的是,步骤二中所述进行状态预测的具体过程包括:
在网络化多智能体系统中的智能体i能够接收自身及相邻智能体j的信息,但由于带宽等原因会存在通信时滞,设丢包和时滞的上界为τ,基于t-τ时刻的信息可以得到下一个时刻的信息:
从t-τ+2时刻到τ时刻的状态预测为:
其他步骤及参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式三不同的是,步骤三中所述分组领导跟随一致性协议为:
其中,Kc为同组内智能体通信的增益矩阵,Kd为不同组间智能体通信的增益矩阵。Ki01和Ki02为领导者智能体与跟随者智能体之间通信的增益矩阵。βi01和βi02分别是两组领导者智能体与相应组跟随者智能体之间的信息传递。β=1表示二者存在通讯关系,β=0表示不存在通讯关系。
其他步骤及参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式四不同的是,步骤四中所述分组状态误差方程与干扰估计误差方程的紧凑表达形式为:
其中,ξ(t)表示第一组智能体在t时刻的状态误差矩阵,η(t)表示第二组智能体在t时刻的状态误差矩阵,E(t-τ+1)表示多智能体系统中的状态估计误差矩阵,F(t-τ+1)表示多智能体系统中的干扰估计误差矩阵, 表示矩阵的直和,表示克罗内克积。
令:
(5)式可以简化为
计算等式(6)中Π的具体形式:
其他步骤及参数与具体实施方式四相同。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式五不同的是,所述步骤五具体包括以下过程:
等式(6)中当且仅当矩阵Π和是Schur稳定时,协议(4)可使得具有外部干扰的多网络化智能体控制系统实现分组领导跟随一致性。利用步骤三中的紧凑形式可以得到反馈增益矩阵Kc,Kd,Ki01,Ki02表达式。
其他步骤及参数与具体实施方式四相同。
实施例
采用以下实施例验证本发明的有益效果:
一个包含4个智能体的网络,I1={1,2},I2={3,4};其通信拓扑结构如图2所示。
系统的拉普拉斯矩阵:
系统的状态初值为x1(0)=[-10 6]T,x2(0)=[12 -10]T,x3(0)=[-11 -13]T, x4(0)=[7 6]T。
系统的反馈矩阵如下:
图3是时滞τ=0.1网络化多智能体系统的输出曲线图,图4是时滞τ=0.25网络化多智能体系统的输出图。
由图中可知,针对具有外部干扰的网络化多智能体系统,所发明的分组领导跟随一致性协议可有效的达到分组领导跟随一致,且收敛速度较快。
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.具有外部干扰的多智能体系统分组领导跟随一致的方法,其特征在于,包含下面的步骤:
步骤一、建立具有外部干扰的网络化多智能体系统的离散时间动态模型;
步骤二、针对具有外部干扰的网络化多智能体系统的离散时间动态模型构造状态观测器,进行状态预测;
步骤三、根据步骤二对带有外部干扰的网络化多智能体系统的离散时间动态模型的状态预测,设计分组领导跟随一致性控制协议;
步骤四、根据步骤三设计的分组领导跟随一致性控制协议,得到分组状态误差方程与估计误差方程的紧凑表达式;
步骤五、利用分组状态误差方程与干扰估计误差方程的紧凑表达形式,基于线性矩阵不等式获得状态反馈矩阵;
步骤六、将步骤五获得的反馈增益矩阵代入步骤三中的分组一致性协议,实现具有外部干扰的多智能体网络化控制系统的分组领导跟随一致性。
2.根据权利要求1所述具有外部干扰的多智能体系统分组领导跟随一致的方法,其特征在于,所述步骤一具体为:
对于一个包含N+M个智能体的网络xi表示智能体i的状态,每个智能体为网络的一个节点,每个节点的状态可以根据实际情况代表实际的物理量,比如位置、温度、速度、电压等;此网络化多智能体系统的拓扑结构是一个加权有向图,包含两个子图分别为与其中,第一个子图顶点集为第二个子图顶点集为两个子图顶点索引集分别为I1={1,2,…,N},I2={N+1,N+2,…,N+M},I=I1∪I2,其中顶点vi在两个子图中的邻域节点集分别为
建立本离散时间动动态模型,其状态空间表达式为:
xi(t+1)=Axi(t+1)+B(ui(t)+di(t)) (1)
yi(t)=Cxi(t) (2)
其中,xi(t)∈Rn为第i个智能体状态,yi(t)∈Rr为第i个智能体的测量输出,ui(t)∈Rm为控制输入,也就是第i个智能体的一致性控制协议,A,B,C是具有适当维数的矩阵,di(t)∈Rm为第i个智能体的外部干扰。
5.根据权利要求4所述具有外部干扰的多智能体系统分组领导跟随一致的方法,其特征在于,步骤四中所述分组状态误差方程与干扰估计误差方程的紧凑表示形式为:
其中,ξ(t)表示第一组智能体在t时刻的状态误差矩阵,η(t)表示第二组智能体在t时刻的状态误差矩阵,E(t-τ+1)表示多智能体系统中的状态估计误差矩阵,F(t-τ+1)表示多智能体系统中的干扰估计误差矩阵, 表示矩阵的直和,表示克罗内克积;
于是(5)简化得
计算等式(6)中Π的具体形式:
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210219 |
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