[发明专利]一种面向多智能体系统的集群控制方法

说明书

技术领域

本发明面向由多个智能装备所构成的复杂系统，包括由地面装备构成的系统、由水下装备构成的系统、由空中装备构成的系统，或是由其中两种或多种装备构成的复杂异构系统，提供一种可靠的、有效的协同方法，使得系统可以呈现出类似于鸟群、鱼群、蜂群等群居动物的集群协同行为，在工业、农业、军事方面都有重要应用前景。

背景技术

军事强，则国强。即使在和平时期，国家的军事力量也是衡量一个国家综合国力的重要因素。为维持国家的国际地位，大量的军费开销令政府经费吃紧，为此，军方亟需寻求一种低成本、高效能的作战方式，替代高性能、高成本、高技术含量的单一武器装备。

受自然界中蜂群、鸟群、鱼群等群居生物的群集行为启发，诞生了一种全新的作战模式，被称为集群作战。集群作战是指依靠大量低成本、速度快、适应能力强、易于携带和投射的智能装备形成规模优势，从而取得战争的主动权。集群作战具有较高的效能和成本优势，被期待会成为未来应对世界上最先进的军事防御体系的杀手锏。

与单一装备相比，集群装备的数量优势使得它可以有效缩减任务时间、实现更大的空间覆盖、更低的成本消耗以及更强的鲁棒性。该优势使得大规模智能装备的集群效应在农业、工业、军事等领域都有潜在的巨大应用价值，特别是对时间或空间要求较高的任务，例如在最短的时间内发现重大灾害后的幸存者，在最短的时间内完成指定区域的勘测等等。

基于多智能体集群协同的重要研究价值，近年来，来自生物、物理、计算机、数学和控制等领域的学者都对自然界的群集行为产生了浓厚的研究兴趣，分别从相应领域去探索集群现象产生的原因及工程应用。生物学家已经发现，动物的群集行为是其迁徙、捕食或是躲避敌害时所采用的一种风险规避的模式，可以描述和解释大多数生物的群体协调行为和自组织现象。集群现象是指生物群中的个体仅依靠局部感知作用和简单的通信规则自主决定其运动状态，并且从简单的局部规则涌现出协同的整体行为。这种成千上万的低等生物有目的性的集群运动至今依旧是科技界和学术界公认的高级运动能力。因此，如何设计通信规则及协同方法，使得分散的、杂乱的无人系统涌现出期望的集群式整体行为，成为众多学者研究的焦点。

蜂拥作为一种集群策略，更强调位置协同的重要性，最终实现所有个体的速度矢量一致且相互间的距离保持稳定（即形成稳定的紧致队形或是几何队形）。蜂拥常见于自然界的低等生物中，如蜂群、鸟群、鱼群等，具有良好的环境适应性、鲁棒性、分散性和自组织性等特点。本发明从自然界中群居动物的蜂拥策略入手，提取其中的生物学机理，设计可工程实现且具有良好可扩展性的通信规则和协同方法，解决智能装备在三维空间的蜂拥协同控制问题。

尽管复杂系统理论发展迅速，科研成果很多。但是大多针对简单的一阶或是二阶积分器模型，并没有考虑实际无人装备的物理学约束。本发明提出了一种有效的解决方法，针对具体的无人装备，设计对应的通信机制和协同方法，实现无人装备的集群行为。为了更好的具有普适性，本发明针对三维空间内的集群行为设计协同方法。以普通的无人飞行器的物理学模型为例，说明该协同方法的设计思路。此外，安全问题在智能装备的发展中一直受到重点关注，本发明针对智能装备之间的避碰问题也提出了一种有效的解决方法，确保智能装备安全运行。需要特别指出的是，本发明提出的是一种考虑避碰的集群协同问题的解决方法，针对不同物理模型均可按照该方法设计出对应的通信和协同机制，并不局限于某一种智能装备。该方法具有良好的可扩展性，可从几个多智能体构成的系统，推广到大规模多智能体构成的复杂系统。此外，该方法还具有良好的鲁棒性，在运行过程中某一个或是几个多智能体的消失并不会影响整个系统任务的完成。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种通信机制及协同控制方法，运行过程中没有发生设备碰撞的隐患，可广泛适用于各种智能装备，用于复现自然界中群居动物的集群协同行为，并进一步推广到各种农业、工业、军事应用中。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。