一种高阶群系统多领导者分簇编队跟踪控制方法与流程

技术特征：
1.一种高阶群系统多领导者分簇编队跟踪控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：建立高阶群系统多领导者分簇编队跟踪控制问题模型；步骤2：在步骤1建立的问题模型基础上，构建高阶群系统各分簇簇间及簇内通信连接关系；步骤3：在步骤2构建的通信连接关系基础上，建立高阶群系统多领导者分簇编队跟踪控制方法。2.根据权利要求1所述的一种高阶群系统多领导者分簇编队跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤1包括：步骤1.1：建立高阶群系统中每个智能体的状态微分方程：其中，t表示时间变量，i表示群系统中智能体的序号，x
i
(t)是智能体的状态变量，u
i
(t)是智能体的控制输入，a和b分别表示智能体的系统矩阵和输入矩阵，n为高阶群系统中智能体的个数；步骤1.2：步骤1.1中n个智能体构成编队集群，根据任务需要分为包含m个簇的子系统，每个分簇均有一个簇首领导者智能体作为分簇的领导者，其余为簇内跟随者智能体，设各分簇中智能体的数量分别为d1 1,d2 1,
…
,d
m
1，即其中，d
m
表示第m个分簇中的跟随者数量(m＝1,2,
…
m)，d
m
1表示加上领导者后的分簇重智能体数量，d
m
表示第m个分簇中的跟随者数量，则各分簇中状态向量标记为：个分簇中的跟随者数量，则各分簇中状态向量标记为：个分簇中的跟随者数量，则各分簇中状态向量标记为：个分簇中的跟随者数量，则各分簇中状态向量标记为：其中，s
m0
(t)(m＝1,2,
…
,m)，表示各分簇的簇首领导者智能体，s
mj
(t)(j∈{1,2,
…
,d
m
},m∈{1,2,
…
,m})，表示第m个分簇的第j个智能体，上标斜体t表示向量转置符号，公式左边是将智能体按分簇情况进行编号，右边是对将所有智能体放在一起依次编号；步骤1.3：控制目标为每个分簇以各自领导者为核心形成期望编队，同时，各个分簇的领导者组成期望编队队形跟踪指定目标，即：其中，f0(t)是簇首领导者智能体跟踪的目标，动态目标时，f0(t)为时变函数；静态目标时，f0(t)是常量，h
m0
(t),m＝1,2,
…
,m，是领导者编队函数，h
mj
(t),j∈{1,2,
…
,d
m
},m∈{1,2,
…
,m}，是跟随者编队函数。3.根据权利要求2所述的一种高阶群系统多领导者分簇编队跟踪控制方法，其特征在
于：所述步骤2的具体操包括：步骤2.1：构建目标与多领导者之间的通信拓扑g
o
，g
o
中含有一个以目标为根节点的生成树；步骤2.2：构建各分簇内领导者与跟随者之间内的通信拓扑g
i
(i＝1,2,
…
,m)，g
i
中含有一个以领导者为根节点的生成树。4.根据权利要求3所述的一种高阶群系统多领导者分簇编队跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤2的簇间及簇内智能体的通信连接关系满足：1)：各分簇的簇首领导者之间存在通信且通信拓扑是连通的；2)：任意两个分簇的跟随者和不能相互通信；3)：领导者均不接收跟随者信息，即不受跟随者工作状态影响；4)：簇内跟随者不能接收其它分簇领导者信息。5.根据权利要求4所述的一种高阶群系统多领导者分簇编队跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤3建立高阶群系统多领导者分簇编队跟踪控制方法具体步骤为：步骤3.1：根据智能体的动态特性设定系统矩阵a和输入矩阵b的值；步骤3.2：根据编队跟踪任务需要分为包含m个簇的子系统，每个分簇均有一个簇首领导者智能体作为分簇的领导者，其余为簇内跟随者智能体，构造跟踪目标的运动方程，满足其中，f0(t)为目标的轨迹方程，是目标的轨迹方程的导数，簇首领导者智能体搭载传感设备，观测高阶群系统需要跟踪的目标f0(t)，簇内跟随者智能体受自身性能限制无法获取目标信息；步骤3.3:根据簇首领导者智能体追踪目标时需要保持的队形或相对于目标的运动要求，构造领导者编队函数h
m0
(t),m∈{1,2，
…
,m}；步骤3.4:根据每个分簇需要保持的队形或相对于各自领导者运动要求，构造跟随者编队函数h
mj
(t),j∈{1,2,
…
,d
m
},m∈{1,2，
…
,m}；步骤3.5:求取满足的非零矩阵判断编队函数是否满足条件其中是编队函数h
mj
(t)的导数，若条件满足，继续下一步；若条件不能满足，则高阶群系统的状态微分方程(1)不能在控制协议1和协议2的作用下实现h
mj
(t)所确定的多领导者分簇编队跟踪控制，此时，需要跳转回步骤1重新给定系统矩阵a和输入矩阵b或者跳转回步骤3.4、步骤3.5重新给定编队函数h
mj
(t)；步骤3.6:设置领导者之间的通信拓扑g
o
，并保证领导者间通信拓扑g
o
是连通的；步骤3.7:设置各分簇的簇内通信拓扑g
i
，并保证簇内通信拓扑g
i
包含一个以领导者为根节点的生成树，簇内领导者不仅可以传递状态量信息给其跟随者，还能传递其控制量信息给跟随者；步骤3.8:利用控制协议控制群系统中的簇首领导者智能体和簇内跟随者智能体。6.根据权利要求5所述的一种高阶群系统多领导者分簇编队跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤3.8中，每个分簇均有一个簇首领导者智能体作为分簇的领导者，其余为簇内跟随者智能体，则编队集群智能体分为两类：簇首领导者智能体和簇内跟随者智能体，两类智能体对应的分簇编队跟踪控制协议如下：
协议1：若智能体i是第m个分簇的簇首节点，即控制协议为：其中，u
i
(t)表示智能体的控制输入，是智能体i的邻居集，w
m0
·
n0
表示簇首智能体与其它分簇的簇首智能体之间的连接权重，k1项是领导者协同控制增益，k2项是领导者跟踪控制增益，通过调节k1,k2可控制领导者形成编队的速率和实现跟踪的速率，当智能体m0和n0之间存在通信时，w
m0
·
n0
＝1，否则，w
m0
·
n0
＝0；满足其中i是合适维数的单位矩阵，h
m0
(t)表示簇首智能体编队的时变队形函数，满足(t)表示簇首智能体编队的时变队形函数，满足是满足的非零矩阵，且是满秩的；协议2：智能体i是第m个分簇的第j个跟随者，即控制协议为：其中，k3是跟随者控制增益，可以调节跟随者形成编队的速率和实现跟踪的速率，w
mj
·
mk
表示第m个分簇的第j个跟随者和第k个跟随着之间的连接权重，当智能体mk和mj之间存在通信时，w
mj
·
mk
＝1，否则，w
mj
·
mk
＝0，w
mj
·
m0
表示第m个分簇的第j个跟随者与其簇首智能体间的连接权重，取值与w
mj
·
mk
类似。7.根据权利要求6所述的一种高阶群系统多领导者分簇编队跟踪控制方法，其特征在于：选取控制增益矩阵k1,k2,k3时，满足以下条件即可：(i)是hurwitz矩阵；(ii)是hurwitz矩阵；其中，是领导者之间通信拓扑对应的拉普拉斯矩阵的特征值，是各分簇内通信拓扑对应的拉普拉斯矩阵的特征值。

技术总结
本发明属于群系统编队控制领域，具体涉及一种高阶群系统多领导者分簇编队跟踪控制方法。步骤1：建立高阶群系统多领导者分簇编队跟踪控制问题模型；步骤2：在步骤1建立的问题模型基础上，构建高阶群系统各分簇簇间及簇内通信连接关系；步骤3：在步骤2构建的通信连接关系基础上，建立高阶群系统多领导者分簇编队跟踪控制方法。本发明通过将智能体集群分为M个子群，以及在控制协的作用下，使大规模集群具备了多元化的子模块编队功能。各子模块既有自主性，又有整体目标；既有分工，也有协作，大幅增强了群系统处理复杂编队跟踪任务的能力。可应用涵盖无人机集群、地面机器人集群、无人船、水下潜航器等多智能体系统的多领导者编队跟踪控制。踪控制。踪控制。


技术研发人员：席建祥 王成 杨小冈 王乐 谢学立 高久安 蔡光斌 王忠
受保护的技术使用者：中国人民解放军火箭军工程大学
技术研发日：2021.10.22
技术公布日：2022/1/28