多智能体编队仿真控制研究

间的协调 与 合作 问题 。 协调 和合 作是 多 智能 体表 现 出的集 群思 想 的体
现 ，这种思想是研究多智能体问题的重点。其 中，协
表智 能体受 到 障碍物 作用 的斥 力势 能 。
由此可知 ，智能体在势场作用下受到的合力为：
Ｆ ＝ Ｆｃ＋Ｆ０
（２）
调是指解决智能体 跟外界环境 、以及各个智能体间 相互冲突的途径 ；合作是指多个 单一的智能体相互 协作 ，共同完成一项复杂的既定任务 。
设智能体的二维运动空间为 Ｖ ＝ ［ ，Ｙ］ ，智 能体在其运动空间所处的某个位置 ＩＤ受到的势场的
作用 描述 为 ：
ｕ（ｐ）＝ ＵＧ（１０）＋ Ｕ０（１Ｄ）
（１）
其 中，ｕ（ｐ）代表智能体受到的总势能，Ｕ （』Ｄ）
实现问题 ，信息感知 、共 享和融合 问题 ，多智能体之 代表智能体受到 目标点作用 的引力势能 ，Ｕ。（Ｐ）代
编 队前 的 圆心坐 标分 别 为 （２，７）、（２，２）、（４，９）、（７， １）、（８，８）。
其 中 ，ＦＧ＝一ｇｒａｄ［Ｕｃ（Ｊ０）］， Ｆ０＝一ｇｒａｄ［ＵＤ（Ｐ）］。
智能体在路径规划 的避障过程 中，主要受到 目
基金项 目：北华航 天工业学 院青年基金 （ＫＹ．２０１３．１５） 收稿 日期 ：２０１５—０９—２８ 作者 简介 ：马光 （１９７４一），男 ，副教授 ，研 究方 向：智能控 制 ，仪 器仪 表。
对于 由多个智能体构成的智能体系统 ，包括以 下三层含义 。第一 ，单个 的智能体之间可以进行信 息交换 ，能够相互作用。第二 ，由多个单智能体组成 一 个多智能体控制 系统 。第 三，在智能体 中引入协 调合作思想 ，可以使 多智能体实现一个智能体无法 完成的复杂任务 。多智能体系统研究的主要 内容包 括路径规划问题 ，多智能体系统的结构设计 和功能
能体之间存在相互排斥 的作用力 ，而且智能体离 障 碍物越近所受到的斥力就越强 ；相反 ，目标点跟智能
体之间存在相互吸引力 的作用力 ，智能体离 目标点 越近智能体受到的吸引力就越强。由此可知 ，智能
体的运动方 向和运动径迹完 全取决于它所受 到的
合力 。 １．１ 人 工 势场算 法 的基 本原 理
第 ２６卷第 １期 ２０１６年 ２月
北华航 天工业 学院学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＡｅｒｏｓＤａｃｅ Ｅ
Ｖ０１．２６ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１６
多智 能体编队 仿真控制研究
马 光 杨 晓冬 李 栋 王 盟
（１．北 华航 天工业学院 电子 与控制工程学院 ，河北 廊 坊 ０６５０００； ２．西北工 业大 学 自动化学院，陕西 西安 ７１０１２９）
能体的吸引力小 ，避障效果较差 。智能体受到 目标点
的引力 场 函数式 如下 ：
Ｆ·＝一 （ｐ—ｐｃ）＋ ：
一
ｃ ＝ 一 告Ｋ （Ｐ—Ｐｃ）
（３）
其 中，Ｐ代表智能体在二维空间中所处的位置 ， ｐ。代 表 二维 空 间 中 目标 点 所处 的位 置 ，Ｋ 代 表 影
７（１＿ Ｄ 一Ｐｏ） ２ 系统仿 真 ２．１ 多个 智 能体 避 障仿 真
（７）
响智 能体 避ห้องสมุดไป่ตู้障的 因子 。
在 ｌＯｍ Ｘ ９ｍ平面内，每个机器人可抽象为一个
根据智能体所受的引力为引力势能的负梯度 ， 球体 ，其半径均假定 为 ｒ＝０．２ｍ，已知 ５个 机器人
结合公式（３）可得到智能体在所处 的二维空间内受 到 的引力 的表达 式 为 ：
ＦＧ＝一ｇｒａｄ［ＵＧ（Ｐ）］＝一Ｋ （Ｐ—ＰＧ） （４） 通过 （４）式可 以看到 ，此式子 与反馈控 制模型 的形式相 同；Ｐ表示 整个避障系统 的输 入信号 ，ｐｃ 表示调整系统输入的系统反馈量 ， 表示闭环系统 的放大倍 数 。 除了上面介绍的引力场影响着智能体避障控制 规律外 ，斥力势场 同样是智能体避障控制规律 的影 响主体 ，其作用仍然决定着智能体避障的效果 。当障 碍物与智能体 的距 离较远时 ，两者之 间表现 出的斥 力作用很小 ，此时智能体的避障性能不是最佳状态； 反之 ，当两者之间的距离很接近时 ，两者之间表现出 的斥力作用强烈 ，此时智能体的避障效果最好 。智能
０ 引 言
１ 人 工势 场算 法
智能体 的概念最早可追溯到 ２０世纪 ５０年代 ，
人工势场是一个虚拟 的场 ，将单个 的智能体置
是由人工智能创始人之一麦卡锡提出的。随着计算 于所要运动的环境 中，单个的智能体视为电子 ，其运
机技术 、控制论 、信息论、神经生理学等学科的发展 ， 动环境视为电场 ，在运动环境 中存在 的障碍物 和 目
标点的引力场作用 ，目标点对智 能体 的引力大小将 直接影响智能体的避障效果。当智能体距离 目标点 很 近 时 ，目标 点对 智 能体 的吸 引力 大 ，此 时 的避 障效 果好 ；相反 ，当智能体距离 目标点远时，目标点对智
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２０１６年 ２月
北华 航天工业学院学报
第 ２６卷
摘 要 ：多智能体 编队控制是 当今控制领域的一个重点 问题 ，其研究 的核心 问题是 实现多智 能体 的避障控 制及在 此基 础上搜索最优解 。本文基于人工势场算法 ，对多智 能体 的编队避 障控制进 行 了仿 真研究 ，实 现 了多智 能体 的 编队和避障 。 关键 词 ：多智能体 系统 ，编队控制 ，避 障 中图分类 号 ：ＴＰ１３ 文献标识码 ：Ａ 文章 编号 ：１６７３—７９３８（２０１６）０１—００１９—０３
智能体控制理论不断发展完善 ，已经成为 当今控制 标点分别看成是负电荷和正 电荷 。这样障碍物跟智
领域的研究热点。由于在各学科领域 内研究的对象 和研究 的重点不 同，给智能体赋予 的定义和形态也 就各有不同。为此 ，一些专家学者提出 ，将智能体定 义为具有移动 、通讯、组织 、决策和环境交互 等功能 的普遍适用 的抽象个体。