有向切換拓撲下多智能體系統(tǒng)編隊控制

趙學遠，周紹磊，祁亞輝，王帥磊

(中國人民解放軍海軍航空大學，山東 煙臺 264001)

1 引言

近年來，隨著無人機技術(shù)的發(fā)展和多智能體系統(tǒng)控制廣泛的應用前景，使得無人機編隊在軍事和民用領(lǐng)域都早已嶄露頭角，至今已經(jīng)取得了大量的研究成果[1，2]，無人機系統(tǒng)隨著工作量的提高和難度的提升，無人機數(shù)量逐漸增多，因此對編隊的控制提出了更高的要求[3]。目前相對成熟并運用較為廣泛的控制方法有虛擬結(jié)構(gòu)法[4]、leader-follower法[5]、基于行為法[6]。

眾多學者在多智能體系統(tǒng)的一致性問題方面的研究，為無人機編隊控制提供了新的解決思路，使得多無人機系統(tǒng)僅僅依靠鄰居無人機的信息就能夠形成編隊。文獻[7]利用了一種基于一致性反饋線性化的方法實現(xiàn)了多無人機系統(tǒng)快速形成編隊，并且所形成的編隊為時變編隊。文獻[8]利用一致性控制器解決了異構(gòu)多智能體系統(tǒng)的編隊控制問題，文獻[9]通過設(shè)計一致性控制器，使得多無人機系統(tǒng)在形成編隊的同時，具有一定的防碰撞能力。

設(shè)計一致性控制器實現(xiàn)編隊控制問題，首先要關(guān)注的是多智能體系統(tǒng)的通信拓撲結(jié)構(gòu)。文獻[10]給出了拓撲圖是連通的是多智能體系統(tǒng)一致收斂的充要條件，文獻[11]證明了有向網(wǎng)絡(luò)拓撲存在有向生成樹，多智能體系統(tǒng)即可實現(xiàn)一致性。文獻[12，13]研究了切換拓撲下多智能體的一致性問題。目前基于一致性理論實現(xiàn)編隊控制的研究多集中于固定拓撲。文獻[14]對離散系統(tǒng)設(shè)計了一致性控制器，使得離散多智能體系統(tǒng)形成編隊。文獻[15]研究了在有向通信拓撲條件下，多智能體系統(tǒng)的時變編隊控制問題。文獻[16]研究了二階積分系統(tǒng)中利用一致性方法使得系統(tǒng)軌跡與編隊隊形一致。也有部分文獻突破了固定拓撲圖結(jié)構(gòu)的限制，文獻[17]在已知所有可能的拓撲集合條件下，設(shè)計一致性控制器，解決了一階積分模型的多智能體編隊控制問題。文獻[18]的編隊控制研究過程對有向切換拓撲提出了極為苛刻的限制條件，它要求有向拓撲集合內(nèi)的所有拓撲圖是強連通且平衡，顯然所得結(jié)論不具有一般性。設(shè)計一致性控制器，使得多智能體系統(tǒng)在一般的有向切換拓撲條件形成編隊的研究還并不深入。

在實際的多智能體系統(tǒng)當中，往往要建模成非線性系統(tǒng)，作為一種常見的非線性環(huán)節(jié)，Lur’e型非線性，在一致性研究過程中，文獻[19]研究了包含Lur’e型非線性的系統(tǒng)在固定拓撲條件下的控制問題，文獻[20]研究了具有Lur’e型非線性環(huán)節(jié)的多智能體系統(tǒng)追蹤領(lǐng)導者的一致性問題。文獻[21]研究了有向切換拓撲條件下Lur’e型非線性智能體系統(tǒng)的控制問題，設(shè)計了分布式控制器，使得系統(tǒng)達成一致。在基于一致性理論解決編隊控制問題時，將Lur’e型非線性環(huán)節(jié)考慮在內(nèi)的成果還較少。

本文在一致性理論研究基礎(chǔ)上，設(shè)計了分布式控制器，用于解決有向切換拓撲條件下線性多智能體系統(tǒng)包含Lur’e型非線環(huán)節(jié)時的編隊控制問題。所研究的拓撲圖是隨時間切換的，對通信要求更具一般性。設(shè)計的編隊為時變編隊，更具有實際意義。

2 預備知識和相關(guān)引理

2.1 圖論

G=(V，E，A)用來表示多智能體系統(tǒng)的有向通信拓撲圖，其中V={v1，v2，…，vN}是拓撲圖的節(jié)點集合，E?V×V為拓撲圖的邊集合，A=[aij]N×N為拓撲圖的具有非負元素aij的鄰接矩，節(jié)點vi和vj之間的連接權(quán)重用aij表示，當aij=1時節(jié)點vi可以接收到節(jié)點vj的信息，當aij=0時則節(jié)點vi不能接收到節(jié)點vj的信息。如果G中存在一個節(jié)點vi，從這個點出發(fā)沿著有向邊可以到達圖中的任意其它點，稱圖G包含有一個有向生成樹，該節(jié)點vi為根節(jié)點。圖的Laplacian矩陣定義為L=[Lij]N×N，其中Lii=∑j≠iaijLij=-aij，i≠j。

智能體之間的拓撲關(guān)系隨時間變換，Γ={G1，G2，…，Gp}，p≥1為所有可能的有向拓撲的集合，切換信號σ(t)：[0，+∞)→={1，2，…，p}，切換時刻表示為0=t0

2.2 相關(guān)引理

引理1[22]：對于任意給定的x,y∈n，和具有相容維數(shù)的矩陣P>0，D和S，可以得到

2xTDSy≤xTDPDTx+yTSTP-1Sy

根據(jù)文獻[23]可得到類似的引理2。

引理2存在一個正數(shù)α0和與L1σ(t)同步切換的正定矩陣Qσ(t)使得

其中0<α0

3 問題描述

考慮由N個具有Lur’e型非線性項的無人機構(gòu)成的無人機系統(tǒng)，每個無人機的運動模型描述如下

yi(t)=Cxi(t)

(1)

xi(t)∈n，ui(t)∈p，yi=(yi1，…，yiq)T∈q分別是第i個智能體的狀態(tài)、控制輸入和測量輸出。ABCD是合適維的系統(tǒng)矩。Lur’e型非線性項由非線性函數(shù)f(yi)描述，其滿足斜率條件[0，Δ]，Δ=diag{δ1，…，δq}即

0≤(fi(b)-fi(a))≤δi(b-a)，

fi(0)=0，?b≠a，i=1，…，q.

4 控制器設(shè)計

針對此類問題，基于一致性方法，僅利用鄰居智能體的狀態(tài)信息，將控制器設(shè)計如下

ui=K1(xi(t)-hi(t))+wi(t)

i=1，2，…，N

(2)

將控制器(2)帶入原系統(tǒng)可得到

+BK1(xi(t)-hi(t))

(3)

因此可以得到

+(L?BK2-IN?BK1)h(t)

+(IN?B)w(t)+(IN?D)f(y)

(4)

令ξi(t)=xi(t)-hi(t)故得到

+(IN?A)h(t)+(I?B)w(t)

(5)

如果上式各狀態(tài)量能夠達成一致，則多無人機系統(tǒng)能夠形成編隊。

利用Laplacian矩陣的特殊性質(zhì)，做如下的線性變換，令ηi(t)=ξi(t)-ξi+1(t)

因此可以得到

+(E?A)h(t)+(E?B)w(t)

(6)

基于以上的分析，推導出多無人機系統(tǒng)能夠形成編隊h(t)的充要條件是

(7)

+(IN-1?D)φ(y)

(8)

是漸進穩(wěn)定的。

根據(jù)系統(tǒng)(1)B為列滿秩矩陣，因此對(7)兩端同時乘以(I?)，其中因此可以得到

(9)

(10)

對于式(7)，可以恰當?shù)倪x取輸入w(t)使其成立。欲所設(shè)計的控制器能夠使得系統(tǒng)形成編隊，對編隊也是有要求的，即編隊h(t)需滿足式(8)。

定義于隨時間變化的通信拓撲Gσ(t)=0，其在時間區(qū)間[t0,t)上的平均駐留時間τa定義為

其中Nδ(t0,t)表示Gσ(t)在時間區(qū)間[t0,t)上的切換次數(shù)。

結(jié)合平均駐留時間的定義，控制器設(shè)計算法如下

算法：

1)設(shè)w1(t)=0，求解方程，得到輔助函數(shù)w(t)

2)根據(jù)編隊中心軌跡配置(A+BK1)的極點，求解K1

根據(jù)矩陣不等式(11)，求解可行解P

(11)

其中

H1=(A+BK1)TP+P(A+BK1)-2αPBBTP+βP

定理：按照如上算法設(shè)計的控制器，能夠使得多無人機系統(tǒng)在切換拓撲時即使受到外部擾動也能夠形成時變編隊。

證明：構(gòu)建Lyapunov函數(shù)

V(t)=ηT(t)(Qσ(t)?P)η(t)

(12)

對上式沿著系統(tǒng)求導，整理可得

η(t)-ηT(t)(((EM)TQσ(t)+Qσ(t)EM)

?PBBTP)η(t)+2η(t)(Qσ(t)?PD)φ(y)

(13)

由引理1得

2η(t)(Qσ(t)?PD)φ(y)

=2η(t)(I?PD)(Qσ(t)?I)φ(y)

≤ηT(t)(I?PD)(R?I)(I?DTP)ηT(t)

(R-1?I)(Qσ(t)?C)ηT(t)

(14)

其中R>0為維數(shù)相容的特定矩陣，令R=Qσ(t)，則可以得到

(15)

如前所述，當t∈[tk，tk+1)時，V(t)是連續(xù)的，求導可以得到(20)，由(11)可以得到

(16)

考慮到Qσ(t)≤φ1I和Qσ(t)≥φ2I，所以在拓撲切換時刻tk有

(17)

通過迭代推導，因此

(18)

由(12)可得

(19)

其中?1=φ1max{λ(P)}，?2=φ2min{λ(P)}

5 仿真驗證

考慮多無人機系統(tǒng)的通信拓撲結(jié)構(gòu)在如下的有向拓撲圖中隨機切換。

系統(tǒng)矩陣描述如下

將智能體狀態(tài)分量理解為無人機位置，初始狀態(tài)如下

編隊定義為

因此編隊形成后，4架無人機將構(gòu)成一個平行四邊形。

圖1為有限的有向拓撲集合，按照圖2的切換拓撲過程隨意切換。

圖1 有限的拓撲集合

圖2 拓撲切換過程

首先將(A+BK1)極點配置在(-1+i，-1-i，-1)，可得到

令α0=0.4求解不等式(12)，得到可行解

所以可得到反饋矩陣

如圖3所示，無人機的第一狀態(tài)量與無人機編隊第一狀態(tài)量的誤差曲線，從圖中可以得出無人機狀態(tài)和編隊誤差達成一致，編隊即可以形成編隊。

圖3 無人機的第一狀態(tài)量與無人機編隊第一狀態(tài)量的誤差

第二狀態(tài)量與第三狀態(tài)量都與第一狀態(tài)量具有類似的變化規(guī)律。圖3分別為4架無人機在1s，4s時刻的三維狀態(tài)值。

圖4 無人機在1s時刻的三維狀態(tài)值

圖5 無人機在4s時刻的三維狀態(tài)值

可以看出在4s之后，四架無人機形成平行四邊形編隊，且編隊隊形處于動態(tài)變化中，與預先設(shè)定的編隊隊形一致，驗證了所設(shè)計的控制器的有效性。

6 結(jié)論

利用一致性理論知識，用于解決多無人機系統(tǒng)編隊控制問題，所研究的系統(tǒng)包含lur’e型非線性項，通信拓撲結(jié)構(gòu)為有向切換拓撲。本文的主要創(chuàng)新點是考慮了外部擾動的影響，并降低了多無人機系統(tǒng)的通信要求，且利用Laplacian矩陣的特殊性質(zhì)將其分解，從而將編隊控制問題轉(zhuǎn)化為低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，利用矩陣不等式求解反饋矩陣，使得設(shè)計控制器難度降低。