【多智能体】基于控制屏障函数进行无碰撞运动的多智能体系统的MATLAB 仿真

✅作者简介热爱科研的Matlab仿真开发者擅长毕业设计辅导、数学建模、数据处理、建模仿真、程序设计、完整代码获取、论文复现及科研仿真。 往期回顾关注个人主页Matlab科研工作室 关注我领取海量matlab电子书和数学建模资料个人信条格物致知,完整Matlab代码获取及仿真咨询内容私信。 内容介绍一、引言多智能体系统在诸如自动驾驶、无人机编队飞行以及机器人协作等众多领域有着广泛的应用。在这些应用场景中确保智能体之间的无碰撞运动是实现高效协作的关键前提。控制屏障函数Control Barrier Functions, CBFs作为一种强大的工具能够有效地将安全约束融入到控制系统设计中为多智能体系统的无碰撞运动控制提供了一种可靠的解决方案。本文将深入探讨基于控制屏障函数构建无碰撞运动的多智能体系统的相关理论与实践。二、多智能体系统概述一系统组成多智能体系统由多个具有自主决策和行动能力的智能体构成。每个智能体都配备有传感器用于感知周围环境信息如其他智能体的位置、速度等同时具备执行器以实现自身的运动控制。例如在自动驾驶场景中每辆车就是一个智能体通过车载传感器获取周边车辆及道路信息并通过车辆的动力、转向等执行系统来调整自身运动状态。二协作任务与挑战多智能体系统旨在通过各智能体之间的协作完成特定任务如协同运输、区域覆盖等。然而在协作过程中智能体之间的潜在碰撞风险成为主要挑战。由于智能体的运动具有一定的不确定性且环境信息可能存在噪声和不完整性如何在复杂动态环境下确保智能体之间保持安全距离、避免碰撞是实现多智能体高效协作的核心问题。三、控制屏障函数基础四、基于控制屏障函数的多智能体无碰撞运动控制一分布式控制架构局部信息交互在多智能体系统中采用分布式控制架构每个智能体仅根据其局部感知信息进行决策和控制。智能体通过与相邻智能体进行信息交互获取必要的状态信息如位置、速度等。例如在无人机编队飞行中每架无人机仅与距离它最近的几架无人机进行通信获取它们的位置和速度信息减少通信负担提高系统的鲁棒性。独立控制设计每个智能体基于自身感知的局部信息和控制屏障函数独立设计其控制输入。以智能体 i 为例它根据与相邻智能体 j 的控制屏障函数 hij 和自身动力学模型设计控制输入 ui使得在满足自身任务目标的同时保证与相邻智能体之间的安全距离。这种分布式控制方式避免了集中式控制可能出现的计算瓶颈和单点故障问题使系统更具灵活性和可扩展性。⛳️ 运行结果 部分代码function [u,h,exitflag] ...SafetyBarrier(n, state_matrix, input_matrix, ...u_des, state_vector, alpha_sum, D_s, gamma)​​g_x input_matrix;f_x state_matrix*state_vector;​h h_calc(reshape(state_vector,[],4*n),alpha_sum,D_s);grad_h grad_h_calc(reshape(state_vector,[],4*n),alpha_sum,D_s);​​H 2*eye(2*n);f -2*u_des;A -(grad_h*g_x);b grad_h*f_x gamma*h.^3;​% Fmincon% u_d u_des;% options optimoptions(fmincon,Display,off,Algorithm,sqp);% fun (u) (u - u_d)*eye(2*n)*(u - u_d);% [u_opt,~,exitflag] fmincon(fun,u_d,real(A),real(b),[],[],[],[],[],options);​% quadprogx0 u_des;lb -20*ones(2*n,1);ub 20*ones(2*n,1);% lb [];% ub [];options optimoptions(quadprog,Algorithm,active-set,Display,off);[u_opt,~,exitflag] quadprog(H,f,real(A),real(b),[],[],lb,ub,x0,options);​​% Return variablesu u_opt;end 参考文献Wang, L., Ames, A. D., Egerstedt, M. (2017).“**Safety barrier certificates for collision-free multi-robot systems**,”*IEEE Transactions on Robotics*, 33(3), 661–674.[DOI: 10.1109/TRO.2017.2659727](https://doi.org/10.1109/TRO.2017.2659727)往期回顾扫扫下方二维码