本发明涉及智能系统技术领域，具体涉及一种自驱动交通工具圆周编队控制方法、系统及存储介质。
背景技术：
随着通信技术、感知网络以及芯片计算能力的快速发展，在过去的二十多年里多智能体系统的协调配合问题引起了众多专家学者的兴趣，协调配合问题就是一组可以相互通信的智能体通过设计来共同完成一项复杂任务。多智能体的协同控制问题有很多工程应用，如无人机编队、智能工厂、环境监测、智能楼宇以及智能监控。在多智能体的协同控制问题中，分布式圆周编队控制问题是一个很吸引人且具有挑战性的研究方向，在圆周编队控制问题中所有智能体的轨迹都是一个具有固定中心的圆形。
受akiraokubo("dynamicalaspectsofanimalgrouping:swarms,schools,flocks,andherds."advancesinbiophysics,1986,22:1-94.)所提出的群体保持结构不变的三大规则启发，n.e.leonard与e.fiorellin.在第40届控制与决策会议上(“virtualleaders,artificialpotentialsandcoordinatedcontrolofgroups,”orlando,fl,usa,2001,pp.2968–2973)初步提出如何设计控制器使得全驱动物体完成圆周编队,其中引入了一个非线性函数用来协助全驱动物体保持一定距离。与这两篇科技文献使用的单积分或双积分器模型相比，本发明提出的动力学模型更加符合一般交通工具的实际运动情况。
r.sepulchre等人(“stabilizationofplanarcollectivemotionwithlimitedcommunication,”ieeetransactionsautomaticcontrol,vol.53,no.3,pp.706–719,2008.)提出一种控制算法使得多智能体完成圆周编队，当网络条件可以描述为有向循环图时。a.jain与d.ghose(stabilizationofcollectivemotioninsynchronized,balancedandsplayphasearrangementsonadesiredcircle,”inproc.amer.controlconf.(acc),chicago,il,usa,2015,pp.731–736)提出一种新的圆周编队方法使得多智能体可以围绕指定的圆心进行圆周编队。然而，这些方法有两种不足。一是圆心要么是给定的，要么无法预测，使得算法移植性很差；二是算法需要极其可靠的网络通信条件，这需要花费大量资金来实现。
技术实现要素：
本发明提出的一种自驱动交通工具圆周编队控制方法、系统及存储介质，可解决现有方法没办法实现预测使得算法移植性很差，而且需要可靠的网络通信条件，成本高的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种自驱动交通工具圆周编队控制方法，包括通过计算机设备执行以下步骤：
s100、建立自主式驱动交通工具的动力学模型；
s200、基于步骤s100的动力学模型设计控制器；
s300、基于步骤s200的控制器，获取自主式驱动交通工具的信息并实现圆周编队。
进一步的，所述s100建立自主式驱动交通工具的动力学模型，包括：
系统状态方程：
i＝1,2,……,n.其中
进一步的，所述s200的控制器采用反步设计法设计，具体步骤如下：
设初始条件：ci(0)，i＝1,2,……,n,d0,w0，网络条件为存在一个常数t使得任一长度大于t的时间段内联合图是无向联通的；
其中，ci(0)为第i个自主式驱动交通工具对圆心的初始估计，d0为提前设定的旋转半径，w0为提前设定的旋转角速度；
则s201、分布式设计初始相角位置：
s2011、最大一致算法：
输入：
输出：mi
k＝1；
k ；
end
mi＝xi(t ka).
其中，a为数据交换一次所需的时间，ceil(·)为向上取整函数，ni(t)为t时刻与第i个自主式驱动交通工具交流的自驱动交通工具的集合；
s2012、改进的顺序排列算法：
输入：idi,n,a,t
输出：mi
fi＝idi,k＝n；
whilek≥1
mi＝最大一致算法(fi,n,a,t)；
ifidi＝＝mi
mi＝k,fi＝-∞；
end
k--；
end；
s2013、对初始相角位置赋值：
s202、控制器设置：
s2021、设计一个满足下列条件的函数h(x)
a.函数h(x)是有界的；
b.函数h(x)是严格递增的；
c.xh(x)≥0.
s2022、圆心控制器设计如下：
s2023、第i个相角控制器设置如下：
其中，k1，k2，k3为大于零的常数，i为2×2的单位阵，
同时本发明还公开一种自驱动交通工具圆周编队控制系统，包括以下模块：
模型建立单元，用于建立自主式驱动交通工具的动力学模型；
控制器设计单元，用于基于模型建立单元建立的动力学模型，设计控制器；
圆周编队控制单元，用于基于控制器设计单元的控制器，获取自主式驱动交通工具的信息并实现圆周编队。
其中，所述模型建立单元，具体执行步骤包括：
建立系统状态方程：
i＝1,2,……,n.其中
其中，所述控制器设计单元，采用反步设计法设计，具体步骤如下：
设初始条件：ci(0)，i＝1，2，……，n,d0,w0，网络条件为存在一个常数t使得任一长度大于t的时间段内联合图是无向联通的；
其中，ci(0)为第i个自主式驱动交通工具对圆心的初始估计，d0为提前设定的旋转半径，w0为提前设定的旋转角速度；
则s201、分布式设计初始相角位置：
s2011、最大一致算法：
输入：
输出：mi
k＝1；
k ；
end
mi＝xi(t ka).
其中，a为数据交换一次所需的时间，ceil(·)为向上取整函数，ni(t)为t时刻与第i个自主式驱动交通工具交流的自主式驱动交通工具的集合；
s2012、改进的顺序排列算法：
输入：idi,n,a,t
输出：mi
fi＝idi,k＝n；
whilek≥1
mi＝最大一致算法(fi，n，a，t)；
ifidi＝＝mi
mi＝k,fi＝-∞；
end
k--；
end；
s2013、对初始相角位置赋值：
s202、控制器设置：
s2021、设计一个满足下列条件的函数h(x)
a.函数h(x)是有界的；
b.函数h(x)是严格递增的；
c.xh(x)≥0.
s2022、圆心控制器设计如下：
s2023、第i个相角控制器设置如下：
其中，k1，k2，k3为大于零的常数，i为2×2的单位阵，
第三方面，本发明还公开一种存储介质，其上存储有计算机程序，在所述计算机程序被处理器执行时可实现上述的自驱动交通工具圆周编队控制方法。
由上述技术方案可知，本发明的自驱动交通工具圆周编队控制方法能够保持圆心控制器与相角控制器并行，其中圆心控制器设计，可以与其他智能算法结合实时的监测圆心变化，可以用来监控移动目标、森林大火蔓延趋势等；相角初值不需要手动设计，而是通过分布式排序算法给定，提高了算法多种场合的适用性；另外，本发明不需要极其可靠的网络环境，可以忍受网络暂时断开情况。
具体的说本发明具有以下有益效果：
1、本发明设计了圆心控制器，与传统的提前给定圆心相比，本发明可以与其他智能算法结合加以改进以完成复杂任务，如通过粒子算法进行信号源搜索。本发明建立了自主式驱动交通工具的动力学模型，与单积分或双积分模型不同，该模型更能描述实际自主式驱动交通工具的运动状态。
2、在一般自驱动交通工具圆周编队控制方法，要求自驱动交通工具间的通信网络极其可靠，要获得这样的通信网络条件需要花费大量金钱，造成浪费。本发明提出的自驱动交通工具圆周编队控制方法可以在较差的网络环境中完成圆周编队任务，可以忍受通信网络丢包。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明的方法原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1和图2所示，本实施例所述的自驱动交通工具圆周编队控制方法，通过计算机设备执行以下步骤：
s100、建立自主式驱动交通工具的动力学模型；
s200、基于步骤s100的动力学模型设计控制器；
s300、基于步骤s200的控制器，获取自主式驱动交通工具的信息并实现圆周编队。
以下具体说明：
其中，步骤s100中自主式驱动交通工具的动力学模型如下：
系统状态方程：
i＝1，2，……，n.其中
步骤s200中控制器采用反步设计法设计，具体步骤如下：
设初始条件：ci(0)，i＝1，2，……，n,d0,w0，网络条件为存在一个常数t使得任一长度大于t的时间段内联合图是无向联通的；
其中，ci(0)为第i个自主式驱动交通工具对圆心的初始估计，d0为提前设定的旋转半径，w0为提前设定的旋转角速度；
具体步骤如下：
1)分布式设计初始相角位置：
1.1)最大一致算法：
输入：
输出：mi
k＝1；
k ；
end
mi＝xi(t ka).
其中，a为数据交换一次所需的时间，ceil(·)为向上取整函数，ni(t)为t时刻与第i个自主式驱动交通工具交流的自驱动交通工具的集合。
1.2)改进的顺序排列算法：
输入：idi,n,a,t
输出：mi
fi＝idi,k＝n；
whilek≥1
mi＝最大一致算法(fi,n，a，t)；
ifidi＝＝mi
mi＝k,fi＝-∞；
end
k--；
end；
1.3)对初始相角位置赋值：
2)控制器设置：
2.1)设计一个满足下列条件的函数h(x)
a.函数h(x)是有界的；
b.函数h(x)是严格递增的；
c.xh(x)≥0.
2.2)圆心控制器设计如下：
2.3)第i个相角控制器设置如下：
其中，k1，k2，k3为大于零的常数，i为2×2的单位阵，
由上可知，本发明实施例提出的自驱动交通工具圆周编队控制方法，不同于以往的圆周编队控制方法，首先对网络可靠性要求低，不要求自驱动交通工具间每时每刻都要保证通信不中断，大大降低了网络布置的难度和资金花费。其次，引入圆心控制器使得自驱动交通工具能快速编队，同人工指定中心相比，去除了很多如圆心位置设计不合理等问题，并且可以引入其他智能算法来设计圆心控制器使得自驱动交通工具完成复杂任务，如监测森林大火的传播、有害气体的扩散范围、追踪移动物体等。与一般控制器设计不同，本发明提出一种分布式设计相角参数的算法，使得自驱动交通工具能均匀的分布在圆心附近，这大大提高了算法的可移植性。
同时本发明实施例还公开一种自驱动交通工具圆周编队控制系统，包括以下模块：
模型建立单元，用于建立自主式驱动交通工具的动力学模型；
控制器设计单元，用于基于模型建立单元建立的动力学模型，设计控制器；
圆周编队控制单元，用于基于控制器设计单元的控制器，获取自主式驱动交通工具的信息并实现圆周编队。
其中，所述模型建立单元，具体执行步骤包括：
建立系统状态方程：
i＝1，2，……，n.其中
其中，所述控制器设计单元，采用反步设计法设计，具体步骤如下：
设初始条件：ci(0)，i＝1，2，……，n,d0,w0，网络条件为存在一个常数t使得任一长度大于t的时间段内联合图是无向联通的；
其中，ci(0)为第i个自主式驱动交通工具对圆心的初始估计，d0为提前设定的旋转半径，w0为提前设定的旋转角速度；
则s201、分布式设计初始相角位置：
s2011、最大一致算法：
输入：
输出：mi
k＝1；
k ；
end
mi＝xi(t ka).
其中，a为数据交换一次所需的时间，ceil(·)为向上取整函数，ni(t)为t时刻与第i个自主式驱动交通工具交流的自主式驱动交通工具的集合；
s2012、改进的顺序排列算法：
输入：idi,n,a,t
输出：mi
fi＝idi,k＝n；
whilek≥1
mi＝最大一致算法(fi,n,a,t)；
ifidi＝＝mi
mi＝k,fi＝-∞；
end
k--；
end；
s2013、对初始相角位置赋值：
s202、控制器设置：
s2021、设计一个满足下列条件的函数h(x)
a.函数h(x)是有界的；
b.函数h(x)是严格递增的；
c.xh(x)≥0.
s2022、圆心控制器设计如下：
s2023、第i个相角控制器设置如下：
其中，k1，k2，k3为大于零的常数，i为2×2的单位阵，
可理解的是，本发明实施例提供的系统与本发明实施例提供的方法相对应，相关内容的解释、举例和有益效果可以参考上述方法中的相应部分。
本申请实施例还提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信，
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现上述自驱动交通工具圆周编队控制方法，所述方法包括：
建立自主式驱动交通工具的动力学模型；
基于动力学模型设计控制器；
基于上述控制器，获取自主式驱动交通工具的信息并实现圆周编队。
上述电子设备提到的通信总线可以是外设部件互连标准(英文：peripheralcomponentinterconnect，简称：pci)总线或扩展工业标准结构(英文：extendedindustrystandardarchitecture，简称：eisa)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
通信接口用于上述电子设备与其他设备之间的通信。
存储器可以包括随机存取存储器(英文：randomaccessmemory，简称：ram)，也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatilememory，简称：nvm)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(英文：centralprocessingunit，简称：cpu)、网络处理器(英文：networkprocessor，简称：np)等；还可以是数字信号处理器(英文：digitalsignalprocessing，简称：dsp)、专用集成电路(英文：applicationspecificintegratedcircuit，简称：asic)、现场可编程门阵列(英文：field-programmablegatearray，简称：fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
在本申请提供的又一实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一自驱动交通工具圆周编队控制方法的步骤。
在本申请提供的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一自驱动交通工具圆周编队控制方法。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
1.一种自驱动交通工具圆周编队控制方法，其特征在于：通过计算机设备执行以下步骤：
s100、建立自主式驱动交通工具的动力学模型；
s200、基于步骤s100的动力学模型设计控制器；
s300、基于步骤s200的控制器，获取自主式驱动交通工具的信息并实现圆周编队。
2.根据权利要求1所述的自驱动交通工具圆周编队控制方法，其特征在于：所述s100建立自主式驱动交通工具的动力学模型，包括：
建立系统状态方程：
i＝1，2,……,n.其中
3.根据权利要求2所述的自驱动交通工具圆周编队控制方法，其特征在于：所述s200的控制器采用反步设计法设计，具体步骤如下：
设初始条件：ci(0),i＝1,2,……,n,d0,w0，网络条件为存在一个常数t使得任一长度大于t的时间段内联合图是无向联通的；
其中，ci(0)为第i个自主式驱动交通工具对圆心的初始估计，d0为提前设定的旋转半径，w0为提前设定的旋转角速度；
则s201、分布式设计初始相角位置：
s2011、最大一致算法：
输入：
输出：mi
k＝1；
k ；
end
mi＝xi(t ka).
其中，a为数据交换一次所需的时间，ceil(·)为向上取整函数，ni(t)为t时刻与第i个自主式驱动交通工具交流的自主式驱动交通工具的集合；
s2012、改进的顺序排列算法：
输入：idi,n,a,t
输出：mi
fi＝idi,k＝n；
whilek≥1
mi＝最大一致算法(fi,n,a，t)；
ifidi＝＝mi
mi＝k,fi＝-∞；
end
k--；
end；
s2013、对初始相角位置赋值：
s202、控制器设置：
s2021、设计一个满足下列条件的函数h(x)
a.函数h(x)是有界的；
b.函数h(x)是严格递增的；
c.xh(x)≥0.
s2022、圆心控制器设计如下：
s2023、第i个相角控制器设置如下：
其中，k1，k2，k3为大于零的常数，i为2×2的单位阵，
4.一种自驱动交通工具圆周编队控制系统，其特征在于：
包括以下模块：
模型建立单元，用于建立自主式驱动交通工具的动力学模型；
控制器设计单元，用于基于模型建立单元建立的动力学模型，设计控制器；
圆周编队控制单元，用于基于控制器设计单元的控制器，获取自主式驱动交通工具的信息并实现圆周编队。
5.根据权利要求4所述的自驱动交通工具圆周编队控制系统，其特征在于：
所述模型建立单元，具体执行步骤包括：
建立系统状态方程：
i＝1，2，……，n.其中
6.根据权利要求5所述的自驱动交通工具圆周编队控制系统，其特征在于：
所述控制器设计单元，采用反步设计法设计，具体步骤如下：
设初始条件：ci(0)，i＝1，2，……，n,d0,w0，网络条件为存在一个常数t使得任一长度大于t的时间段内联合图是无向联通的；
其中，ci(0)为第i个自主式驱动交通工具对圆心的初始估计，d0为提前设定的旋转半径，w0为提前设定的旋转角速度；
则s201、分布式设计初始相角位置：
s2011、最大一致算法：
输入：
输出：mi
k＝1；
k ；
end
mi＝xi(t ka).
其中，a为数据交换一次所需的时间，ceil(·)为向上取整函数，ni(t)为t时刻与第i个自主式驱动交通工具交流的自主式驱动交通工具的集合；
s2012、改进的顺序排列算法：
输入：idi,n,a,t
输出：mi
fi＝idi,k＝n；
whilek≥1
mi＝最大一致算法(fi，n，a，t)；
ifidi＝＝mi
mi＝k,fi＝-∞；
end
k--；
end；
s2013、对初始相角位置赋值：
s202、控制器设置：
s2021、设计一个满足下列条件的函数h(x)
a.函数h(x)是有界的；
b.函数h(x)是严格递增的；
c.xh(x)≥0.
s2022、圆心控制器设计如下：
s2023、第i个相角控制器设置如下：
其中，k1，k2，k3为大于零的常数，i为2×2的单位阵，
7.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，在所述计算机程序被处理器执行时可实现权利要求1～3任一项所述的自驱动交通工具圆周编队控制方法。
技术总结