多機(jī)器人協(xié)同是當(dāng)今移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，相比于單個(gè)機(jī)器人，多機(jī)器人系統(tǒng)在復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境下進(jìn)行任務(wù)時(shí)，具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、工作效率高、魯棒性較好等優(yōu)點(diǎn)，如圖1示意多地面移動(dòng)機(jī)器人協(xié)同場(chǎng)景。本節(jié)文章給大家介紹一下多智能體控制在制導(dǎo)律中的應(yīng)用，先依次從三方面：1. 制導(dǎo)律介紹；2. 一致性說(shuō)明；3. 分布式控制介紹，并結(jié)合一篇論文講解如何通過(guò)以上三方面應(yīng)用在制導(dǎo)律中。

01概念介紹

▌什么是制導(dǎo)律？

首先，制導(dǎo)律（guidance law）定義：指依據(jù)導(dǎo)航信息計(jì)算如無(wú)人機(jī)等飛行器的運(yùn)行路徑，使其能有效到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的算法。常見的制導(dǎo)律包括比例導(dǎo)引（PNG）、協(xié)同導(dǎo)引等?？衫斫鉃閷w行器制導(dǎo)律類比到移動(dòng)機(jī)器人，有些類似路徑或運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，本質(zhì)目的都是控制機(jī)器人按導(dǎo)航信息到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。那為什么能將多智能體控制應(yīng)用到制導(dǎo)律中呢？因?yàn)橹茖?dǎo)過(guò)程我們關(guān)心更多的是飛行器位置，并非其姿態(tài)，因此可將飛行器視作質(zhì)點(diǎn)；而控制有時(shí)則往往將飛行器當(dāng)作剛體，會(huì)有更多的可控制量，比如：位置、姿態(tài)、時(shí)間等，如圖2示意多無(wú)人機(jī)協(xié)同圍捕場(chǎng)景。

▌一致性介紹

所謂一致性是指隨時(shí)間演化多智能體系統(tǒng)中所有智能體的某一狀態(tài)趨于一致，描述了每個(gè)智能體和相鄰的其他智能體信息交換的過(guò)程，智能體之間協(xié)同控制的一個(gè)首要目標(biāo)就是多個(gè)智能體達(dá)到一致。

▌分布式控制介紹

上面的一致性研究的是多智能體系統(tǒng)，其本身是一種分布式控制（distributed control），那什么是分布式控制呢？這時(shí)需要和集中式、分散式控制進(jìn)行對(duì)比（如圖3所示）?？捎靡缓?jiǎn)單的例子解釋：集中式控制將整個(gè)系統(tǒng)看做一個(gè)人作為一個(gè)個(gè)體， 控制中心為人的大腦，傳感器為人的五官和皮膚，執(zhí)行器則是四肢，一旦人的大腦受到損害，則人這個(gè)系統(tǒng)也是處于癱瘓狀態(tài)；分散式則把整個(gè)系統(tǒng)劃分成不同人群，不同的小群體各自執(zhí)行各自的任務(wù)；而分布式是將一群人中的每個(gè)人視作單獨(dú)個(gè)體，每個(gè)人與其鄰居交換信息，最終整個(gè)人群協(xié)同完成任務(wù)。

02基于一致性算法的分布式時(shí)間協(xié)同制導(dǎo)律

將協(xié)同控制應(yīng)用在時(shí)間協(xié)同制導(dǎo)律中，采用協(xié)同控制方式是為了完成某些特定的協(xié)同任務(wù)，比如多機(jī)器人時(shí)間協(xié)同（同時(shí)到達(dá)目標(biāo)）、隊(duì)形協(xié)同（保持一定隊(duì)形）、角度協(xié)同（不同約束角度到達(dá)），為了完成時(shí)間協(xié)同，通過(guò)一致性算法，各機(jī)器人相互通信交換信息，共同協(xié)同到達(dá)時(shí)間。同時(shí)其中沒(méi)有中心控制器統(tǒng)一分配控制指令，因此是一種分布式控制。

論文[1]基于最經(jīng)典的比例導(dǎo)引律（制導(dǎo)中機(jī)器人速度矢量的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度正比于其與目標(biāo)連線的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，數(shù)學(xué)描述為：?

?），提出一種分布式時(shí)間協(xié)同制導(dǎo)律（DCG），屬于一種擴(kuò)展比例導(dǎo)引律，即在其基礎(chǔ)上疊加時(shí)間協(xié)同項(xiàng)，結(jié)構(gòu)如下：

該制導(dǎo)律包含兩項(xiàng)：第一項(xiàng)為經(jīng)典PNG用以對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，第二項(xiàng)為時(shí)間協(xié)同項(xiàng)用來(lái)協(xié)同各機(jī)器人時(shí)間協(xié)同。具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1. 該制導(dǎo)律本質(zhì)是基于一種最常用的制導(dǎo)律：比例導(dǎo)引律，具有普適性，當(dāng)時(shí)間協(xié)同后，該制導(dǎo)律退化為純PNG，相對(duì)于一些在不同制導(dǎo)階段需切換制導(dǎo)律過(guò)程的制導(dǎo)律，提出的這項(xiàng)制導(dǎo)律結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔、更‘優(yōu)美’一些；

2. 由于是分布式控制，各機(jī)器人僅需其鄰居的部分信息即可進(jìn)行時(shí)間協(xié)同，同時(shí)該信息在實(shí)際中容易獲取，具有較高的實(shí)用性；

3. 該制導(dǎo)律可避免制導(dǎo)過(guò)程中一個(gè)數(shù)值奇異性問(wèn)題（具體可詳見論文[1]）。

如下為提出的DCG與PNG的仿真結(jié)果對(duì)比（如圖4所示），可看出DCG可實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)時(shí)間的協(xié)同，并在各種魯棒條件下（較大角度差異、較大時(shí)間差異、通信噪聲和時(shí)延下）仍能良好的實(shí)現(xiàn)時(shí)間協(xié)同（更多仿真結(jié)果可詳見論文[1]）。

將DCG推廣到三維空間中與PNG仿真對(duì)比（如圖5所示），可見DCG同樣可完成對(duì)靜止目標(biāo)的時(shí)間協(xié)同制導(dǎo)任務(wù)。

03總結(jié)

該研究提出一種新型擴(kuò)展比例導(dǎo)引律：分布式時(shí)間協(xié)同制導(dǎo)律，該制導(dǎo)律具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是一種分布式控制而非集中式控制，可避免數(shù)值奇異點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)仿真驗(yàn)證了該制導(dǎo)律的有效性和魯棒性。該制導(dǎo)律為多彈齊射場(chǎng)景提出一種有效的時(shí)間協(xié)同制導(dǎo)律，但該場(chǎng)景依舊有許多其他問(wèn)題尚待進(jìn)一步研究，比如角度協(xié)同、隊(duì)形協(xié)同、目標(biāo)非靜止等等問(wèn)題，相關(guān)領(lǐng)域有興趣的大家可以一同關(guān)注呀！

更多論文詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參看：K. Li, J. Wang, C.-H. Lee, R. Zhou, and S. Zhao*, "Distributed cooperative guidance for multi-vehicle simultaneous arrival without numerical singularities", AIAA Journal of Guidance Control and Dynamics, vol. 43, no. 7, pp. 1365-1372, 2020.

參考資料

[1]. K. Li, J. Wang, C.-H. Lee, R. Zhou, and S. Zhao*, "Distributed cooperative guidance for multi-vehicle simultaneous arrival without numerical singularities", AIAA Journal of Guidance Control and Dynamics, vol. 43, no. 7, pp. 1365-1372, 2020.

[2]. I. Jeon, J. Lee, and M. Tahk, "Impact-time-control guidance law for anti-ship missiles", IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 14, no. 2, pp. 260-266, 2006.

[3]. F. Chen, W.Ren, "On the Control of Multi-Agent Systems: A Survey ", 2019.

[4]. Q. Zhao, X. Dong, J. Chen, Z. Xiong, Q. Li and Z. Ren, "Group cooperative guidance for multiple missiles with directed topologies," 2016 35th Chinese Control Conference (CCC), pp. 5699-5704, 2016.

本文共1784字

由西湖大學(xué)智能無(wú)人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室博士生李康原創(chuàng)

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