考虑未知输入的异构集群系统群体智能合围跟踪控制_王林波.pdf

考虑未知输入的异构集群系统群体智能合围跟踪控制王林波1,王蒙一1*,周思全1,江涌2,化永朝3,董希旺3,41.北京电子工程总体研究所,北京 100854;2.中国长峰机电技术研究设计院,北京 100854;3.北京航空航天大学人工智能研究院,北京 100191;4.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京 100083*E-mail:wmy_收稿日期:2021-08-14;接受日期:2021-11-04;网络版发表日期:2022-08-03科技创新2030-“新一代人工智能”重大项目(编号:2018AAA0102305)资助摘要集群系统合围跟踪控制是群体智能涌现在运动控制层面的实现途径之一,在智能化战争时代具有广阔的应用前景.本文面向未来空地群体智能作战中护卫任务的应用需求,聚焦军品押送、重要人物护送等典型任务场景,研究了异构集群系统考虑领导者具有未知输入的分布式编队-合围跟踪控制问题,以实现复杂环境下空地协同智能作战.首先引入代数图论知识,建立具有未知输入的异构集群系统模型,提出了一种编队构型生成系统.之后结合自适应控制律,利用邻居局部信息交互设计了基于边的分布式编队-合围跟踪控制器,并证明了闭环系统的稳定性.此外,对异构集群系统涌现出的更复杂的群体智能特征进行了分析与总结.最后,通过数值仿真验证了本文所提出的方法能够实现预期的编队-合围跟踪控制,并建立了实物等效验证系统,对控制方法的有效性进行了验证,为实际情况下大规模空地协同智能作战提供了有力的理论支撑.关键词异构集群系统,合围跟踪控制,未知输入,群体智能1引言近年来,随着智能化战争时代的来临,无人化作战概念被各大国广泛应用于军事中.由于高隐蔽性和低成本性,无人系统常被作为袭击武器,这使得空地安全备受威胁.据外媒报道,以色列新研制的Harop反辐射无人机(图1)能够集群发射,对防空系统的雷达采取饱和式攻击,近日已突破叙利亚“铠甲”防空系统.此前,伊朗二号人物苏莱曼尼一行在离开机场途中遭到美国无人机空袭丧命,国内也曾多次报道武装押运车被不明无人机暗中窥探的消息,显然,无人系统的袭击对人力护卫提出了巨大挑战.因此,为了更好地在复杂环境中应对空地潜在袭击,减少人力物力损失,需要大力发展新型的无人护卫系统,更加智能地侦察反击潜在的威胁.面对高度多样性和复杂性的护卫任务需求,以及引用格式:王林波,王蒙一,周思全,等.考虑未知输入的异构集群系统群体智能合围跟踪控制.中国科学:技术科学,2023,53:291306Wang L B,Wang M Y,Zhou S Q,et al.Formation-containment tracking intelligent control for heterogeneous swarm systems under unknown input(inChinese).Sci Sin Tech,2023,53:291306,doi:10.1360/SST-2021-0373 2022 中国科学杂志社中国科学:技术科学2023 年第 53 卷第 2 期:291 306SCIENTIA SINICA T群体智能激发汇聚及应用专辑论 文复杂要素交织的作战环境,单一的无人系统显然难以适应,多种无人系统组成的集群系统成为了必然的选择.在集群系统中,通过对群体设计简单的交互规则可使群体涌现出单个个体不具备的协调、有序的群体智能行为1,称为群智涌现.涌现不是简单的各部分之和,概括来讲,能实现涌现的集群系统具有宏-微观效应、双向耦合、一致性、协作进化性,以及分布式控制等群体智能特征2.目前,无人机(unmanned aerialvehicle,UAV)-无人车(unmanned ground vehicle,UGV)空地协同技术是异构集群系统群智涌现在控制层面的重要应用,近几年受到了国内外广泛关注,UAV凭借着广阔的侦察打击能力,与具有较高负载能力的UGV协同合作,为无人护卫系统提供了一个可行的思路.通过多UAV协同编队侦察,为UGV快速确定出安全区域,UGV在进入安全区域的同时也为UAV提供导航、充电、维修等服务,由此可见,在空地协同深度耦合下,无人护卫系统能够提升速度、续航、负载、通信等各方面的能力,为未来的空地安全提供有力保障.这其中异构集群系统协同控制技术是空地协同的重要理论基础3,在编队控制46、合围控制7,8及编队-合围控制9,10等重要分支上有许多成果.目前,基于一致性理论的异构集群系统编队控制是一个研究热点,卢闯等人11研究了异构集群系统编队的一致性问题,但只考虑了低阶系统,周思全等人12基于一致性理论设计了分布式控制器,在编队控制的同时还对集群系统整体的轨迹有宏观的控制,即为编队跟踪控制.文献1315分别考虑了异构集群系统分组协同编队,扰动抑制及通信拓扑切换的问题,更加具有现实意义.但如果仅考虑编队这一类集群行为,将无法满足无人车的安全需求.当存在多个领导者时,会出现状态/输出合围控制问题.合围即要求跟随者状态/输出进入到多个领导者状态/输出形成的凸组合中,这正是护卫任务的主要需求之一.Haghshenas等人16首次将输出调节框架应用于异构集群的控制问题中,并采用分布式动态反馈设计了跟随者的合围控制器.Chu等人17引入了自适应调节增益,使得合围控制器不依赖于全局信息.Qin等人18考虑了存在拓扑切换情况下的合围控制,并给出了实现合围控制的充分条件.但文献1618中的多领导者之间均不存在交互协同,无法有效调整多领导者之间的相对位置关系,于是便有了编队-合围控制问题.编队-合围指的是领导者之间通过协同控制形成期望的编队,同时跟随者的状态/输出进入到领导者形成的凸组合中,是编队和合围发展起来的一个更复杂的问题.Jiang等人19基于全分布式自适应观测器设计了编队-合围跟踪控制器,并提出了虚拟领导者来刻画群体宏观参考轨迹,在此基础上，Zhan等人20进一步研究了双向固定时间编队-合围跟踪控制,Atrianfar21提出了一种分布式采样时间合围控制器,但文献1921均假设虚拟领导者为自治系统,认为其控制输入恒为零,这会严格限制群体宏观参考轨迹的类型及适用性.然而,由于无人护卫系统复杂多变的工作环境,对群体宏观参考轨迹的一般性和适用性提出了挑战.值得一提的是,在同构系统中有相关的解决办法,Hua等人22研究了跟踪领导者具有时变控制输入情况下的集群系统的编队-合围跟踪问题,能够更加有效地生成群体宏观参考轨迹,文献23,24则在此基础上分别考虑了有限时间与领导者分组情况下的编队-合围跟踪控制.所以,本文借鉴上述文献的研究思路,在异构系统实现编队-合围跟踪的基础上,对虚拟领导者增加时变控制输入,以有效调节参考轨迹,实时避开危险地带.并且针对护卫过程中可能跟踪遥控目标和非合作目标,考虑虚拟领导者的控制输入对于其他领导者和跟随者而言是未知的.此外,由于护卫过程中需要穿越不规则的地形障碍,为了让UAV更大范围的探测潜在袭击,给予UGV最大的活动空间,考虑具有时变控制输入的编队构型生成系统,增加了编队构型的类型,并能实时改变编队构型以穿越不规则障碍.综上,如何扩展异构集群系统时变编队的可行域图 1以色列Harop反辐射无人机Figure 1Israel Harop anti-radiation drone.王林波等:考虑未知输入的异构集群系统群体智能合围跟踪控制292和适用范围,有效补偿领导者未知输入的影响,是本文待解决的问题.得益于以上研究的启发,本文面向未来空地群体智能作战中护卫任务的应用需求,基于一致性理论,提出了一种结合自适应控制律的异构集群系统分布式编队-合围跟踪控制的方法,并建立了实物等效验证系统,解决了上述问题,主要创新点包括以下三个方面.(1)对异构集群系统引入了具有时变未知输入的虚拟领导者,可以实时调整集群系统的参考轨迹,避开危险区域,之后结合自适应控制律设计了基于边的分布式观测器以及控制器,能够应对未知输入的影响;(2)与现有的异构集群系统编队-合围跟踪研究相比,本文提出了一种编队构型生成系统,并给出了编队可行性条件.该系统含有时变输入,不依赖于虚拟领导者的动力学模型,能够生成更一般的编队构型,可以有效扩展编队可行域,实时变换编队以穿越障碍;(3)针对本文所提出的基于异构集群系统分布式编队-合围跟踪控制的护卫方法,建立了实物等效实验验证系统,对本文设计的编队-合围跟踪控制器的有效性进行了验证.2数学基础和问题描述2.1数学基础集群系统中的通信关系可以用拓扑图表示,假定一个有向拓扑图GA(,)具有N个节点,其中=i,2,N代表拓扑图的节点集,ij(,):,ijij代表拓扑图存在的边集,RAa=ijN N表示邻接矩阵,令g=(,)ijij,则当且仅当gji时,aij0,否则aij=0.定义拓扑图的Deg矩阵Ddiagaa=,jNjjNNj=11=1,定义Laplacian矩阵L=DA.定义Ni=:(,)jij表示节点i的邻居集.2.2问题描述根据任务需求,考虑由M+1个智能体组成的异构集群系统,如图2所示,将其分为虚拟领导者,护卫领导者以及跟随者.假设i=0指代虚拟领导者,用以生成群体运动的参考轨迹;iN NM=1,2,(044,其中ssssL=,=1NNMM N+1+2T41.引理328:LL413中每一项都是非负的,且行和为1,可将LL413重新写为LL=.NNNMM N413+1,1+1,1,可知,iF=1()jNij=1.定义1:定义如下多元非线性矩阵函数:f X Y tZ tXY tZ tXY tZ tXY tZ t(,(),()=()()()(),others,0,()()=0,(4)TTT其中,X为参数矩阵,Y tZ t(),()可能是时变向量,也可能是时变矩阵,三者需保持维度一致.定义2:由式(1)和(2)定义的异构集群系统对任意给定的有界初始状态,有下式成立:()y thtytiElim()()()=0,().(5)tiyi0则称其实现了时变输出编队跟踪控制.定义3:对于任意kF,存在非负常数jE()kj满足=1jNkj=1,使得yty tlim()()=0(6)tkjNkj j=1成立,那么称由式(1)和(2)定义的异构集群系统实现了时变输出合围控制.定义4:如果针对由式(1)和(2)定义的异构集群系统,对于任意初始有界状态的护卫领导者i iE()和跟随者k kF(),有式(6)和(7)同时成立,那么认为异构集群系统实现了预期的编队-合围跟踪控制.现有的异构集群系统编队-合围1621不能有效控制集群系统的整体轨迹和编队构型.本文考虑领导者具有未知输入以及编队构型生成系统具有时变输入的情况,结合自适应控制律进一步研究了异构集群系统的编队-合围跟踪问题.显然整个系统是时变的,之后对各变量省略t,即x tx()=.3编队-合围跟踪控制器设计及群智涌现本节将编队-合围跟踪控制器分为编队跟踪和合围控制两个方面,分别设计了基于边的观测器及控制器,并利用Lyapunov第二方法证明了闭环系统的稳定性.最后,对本文异构集群系统涌现出的更复杂的群体智能特征进行了分析总结.王林波等:考虑未知输入的异构集群系统群体智能合围跟踪控制2943.1时变编队跟踪控制输出时变编队跟踪的含义为:通过设计合适的控制器,使得集群中所有护卫领导者的输出在对应空间内保持一致的相对位置关系,与此同时,使该群体能跟踪指定的参考轨迹,即实际轨迹与参考轨迹达成一致.由yhyyhC x=iyiiyi00 0iE()可知,每个护卫领导者都需要虚拟领导者的状态信息,由此需要设计观测器来估计x0,设分布式估计值为vi,有vx=00.可将自适应观测器设计为()vA vavvi jE=,=(,),(7)iijNijijijijijij0=0T其中,ij表示基于边的自适应增益,aij表示拓扑相关的权重,vvB f B v v=()+(,)ijijij00.定理1:如果假设1和2成立,基于边的自适应增益初值(0)0ij,且有(0)=(0)ijjii jE(,),则所设计的观测