角度测量下的无人系统集群编队控制方法

本发明涉及一种角度测量下的无人系统集群编队控制方法，属于自主无人系统。

背景技术：

1、无人系统技术的应用领域在最近十年中得到了飞速发展。无人系统技术的发展，极大地改变了人类生活，在搜索和救援领域得到了成熟的应用，无人机和移动机器人可以进入危险或人类无法到达的区域，对受困人员或者设备提供援助服务，此外在交通运输行业采用无人机和无人驾驶车辆进行快速且安全的货物运输，在农业生产领域采用无人机和移动机器人进行农作物种植、施肥和喷洒农药等工作，在施工领域无人系统可以执行危险或重复性高的工作，无人系统在诸多领域带了巨大的变革，并且正在朝着集群化的方向发展。

2、相较于单个无人系统，无人系统集群具有许多优势。首先，无人系统集群通过协同合作和分工整合了多个无人系统的性能和资源，提高了完成复杂或大规模任务的能力和效率，其次，无人系统集群通过分布式结构和互补能力提高了整体的可靠性与鲁棒性，即使其中一个系统出现故障，整个系统仍然能继续执行任务，减少了任务中断的风险，最后，无人系统集群中不同子系统具有不同的能力和特点，使得系统集群可以适应不同的任务需求和环境变化，具有更好的任务扩展性。基于以上优点，无人系统集群的巨大应用价值正被各国所重视。

3、按照编队控制器中不同的测量信息，目前，无人系统集群编队的研究与应用可以分为：基于全局位置测量的编队，基于相对位置测量的编队，基于方位测量的编队，基于角度测量的编队，其中，基于全局位置测量的编队方式需要工作场景能给集群系统提供全局坐标系下的状态信息，而gps拒止等环境下，全局位置信息难以被集群系统获取；基于相对位置测量的编队方式需要集群中的智能体安装有价格相对高昂的测距传感器如激光雷达等，而价格相对低廉仅能测量相对方位的传感器如单目相机等无法支持此种集群编队的运行；基于方位测量的编队控制使用智能体之间的方位角信息，相较于前两种方式更容易测量得到，但该种方式弊端在于不同智能体的坐标系之间需要进行同步，基于角度刚性编队可以避开以上不足，智能体之间的信息交互为角度标量，能够完成角度构型下集群系统的编队控制，具有巨大的应用价值。现有基于角度刚性无人系统编队控制在遇到无法测量距离或相对位置时，每个智能体只能在其局部坐标系中测量与其相邻智能体的相对角度。

技术实现思路

1、针对现有无人系统编队控制在遇到无法测量距离或相对位置时，每个智能体只能在其局部坐标系中测量与其相邻智能体相对角度的问题，本发明提供一种角度测量下的无人系统集群编队控制方法。

2、本发明的一种角度测量下的无人系统集群编队控制方法，所述无人系统包括n个智能体，所述方法包括：领航智能体对集群中的其他智能体进行感知，当集群编队中的智能体无法利用自身搭载的传感器感知其他智能体，且领航智能体检测到gps信号时，领航智能体实时获取全局坐标系下自身的当前位置；智能体之间实时交换自身位置、期望位置及测量的角度；

3、跟随智能体根据领航智能体的期望位置和角度期望值，利用期望位置估计律得到自身的期望位置估计值；

4、跟随智能体利用自身的期望位置估计值、测量的角度和领航智能体的当前位置，利用当前位置估计律得到自身的当前位置估计值；

5、跟随智能体从估计的当前位置移动到估计的期望位置；

6、当集群编队中的智能体无法利用自身搭载的传感器感知其他智能体，且领航智能体未检测到gps信号，领航智能体将编队中的智能体分为两组，前三个智能体为一组，建立第一个三角形编队δ123；第4-n个智能体为一组，每个智能体在三角形编队δ123的基础上，建立n个智能体的一般角度刚性编队，所述一般角度刚性编队中不存在三个智能体共线或四个智能体共圆的位置配置；使用相对位置测量的控制律，在前三个智能体中，需要其中两个智能体具有测量相对距离的能力，利用编队中智能体之间所形成的期望角度和测量角度的误差作为控制目标，使用相对位置测量确定前三个智能体的编队控制，在前三个智能体的编队控制的基础上，确定第4到第n个智能体仅角度测量的编队控制；

7、当集群编队中的智能体利用自身搭载的传感器能够感知其他智能体，领航智能体将编队中的前三个智能体为一组，建立第一个三角形编队δ123；第4-n个智能体为一组，每个智能体在三角形编队δ123的基础上，建立n个智能体的全局角度刚性编队，所述全局角度刚性编队中，每一个与δ123等价的三角形编队也与δ123全等；使用相对位置测量的控制律，在前三个智能体中，需要其中两个智能体具有测量相对距离的能力，利用编队中智能体之间所形成的期望角度和测量角度的误差作为控制目标，使用相对位置测量确定前三个智能体的编队控制，在前三个智能体的编队控制的基础上，确定第4到第n个智能体仅角度测量的编队控制。

8、作为优选，所述期望位置估计律为：

9、

10、

11、其中，为跟随智能体的期望位置估计值，为领航智能体的期望位置；

12、为跟随智能体的期望速度估计值，为领航智能体的期望速度；

13、

14、

15、nf为跟随智能体的数量，nl为领航智能体的数量；

16、角度测量矩阵

17、为跟随智能体的角度测量矩阵，为领航智能体的角度测量矩阵；

18、α*为编队期望角度；

19、

20、

21、跟随智能体的期望速度

22、vmax为领航速度最大值，amax为领航加速度最大值。

23、作为优选，当前位置估计律为：

24、

25、其中：

26、为跟随智能体的当前位置估计值，pl(t)为领航智能体的当前位置；s1为设定参数；

27、

28、

29、nf+nl＝n，分别表示跟随智能体的误差参数，

30、分别表示跟随智能体对应的扰动项；

31、为领航智能体与跟随智能体跟随智能体测量的角度的参数，构造同理。

32、作为优选，跟随智能体从估计的当前位置移动到估计的期望位置的控制律为:

33、

34、

35、其中：表示跟随智能体的集合；

36、

37、

38、

39、αjki、αijk、αkij分别表示三角形δijk中的测量角度；

40、表示以角度αkij的旋转矩阵，为可测内角集合，表示节点i、j、k的当前位置估计值，i2表示单位矩阵，j＝j1,j2,j3，k＝k1,k2,k3。

41、作为优选，一般角度刚性编队的前三个智能体的编队控制律：

42、u1＝0

43、u2＝-s2e2(t)

44、u3＝-s3e3(t)

45、u1、u2、u3分别表示前三个智能体的控制量，前三个智能体采用相对距离编队误差ei(t),i＝1,2,3，s2表示设定参数，s3表示设定参数。

46、作为优选，所述一般角度刚性编队中的第4-n个智能体的编队控制律：

47、

48、其中，分别为第j1个智能体和第j2个智能体根据测量信息计算得到的角度误差，表示第j2个智能体对第i个智能体的方位矢量；

49、表示第j1个智能体对第i个智能体的方位矢量。

50、作为优选，全局角度刚性编队的前三个智能体的编队控制律：

51、u1＝-s1e1

52、

53、

54、u1、u2、u3分别表示前三个智能体的控制量，前三个智能体采用相对距离编队误差ei(t),i＝1,2,3，s1、s2、s3均为设定参数，b21表示第1个智能体对第2个智能体的方位矢量；b32表示第2个智能体对第3个智能体的方位矢量。

55、作为优选，所述全局角度刚性编队中的第4-n个智能体的编队控制律：

56、

57、其中，ki1,ki2,ki3,ki4为常值控制增益，第i个智能体自身的方位测量

58、

59、

60、φi表示表示中间变量，表示第i个智能体测量第j1个智能体和第j2个智能体的方位矢量的角度，表示第i个智能体测量第j2个智能体和第j3个智能体的方位矢量的角度；表示编队中智能体之间所形成的期望角度；

61、分别表示第j1、j3、j2个智能体对第i个智能体的距离范数。

62、本发明的有益效果，①考虑了传感器能够感知到其他智能体和受到感知范围制约无法感知到其他智能体这两种集群编队的工作情况，更加全面，具有应用价值；②在无法感知其他智能体的情况下，如集群接受不到gps信号，集群中1～3个智能体作为领航者，实施相对位置测量的控制方法，对集群中4～n个智能体设计了仅角度测量下的编队控制方法，提高了智能体对坐标系变换的鲁棒性与对测量噪声的鲁棒性，若集群接受gps信号，同时定位与实施编队控制，构建角度约束，实现角度刚性编队；能够感知到其他智能体情况下，给出全局刚性的构造方法，以及控制增益的选取方法，实现仅角度测量实施编队控制③角度刚性编队与距离刚性编队相比，降低了智能体搭载传感器的需求，需要较少的传感器测量，能够降低编队控制的实现成本④所设计的控制器结构简单，计算量小，能够以较低的能耗实际部署在智能体上运行。