【正文】 創(chuàng)造一個(gè)擁有障礙物、螞蟻、窩和食物的環(huán)境。即用一個(gè)隨機(jī)連接的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)描述一個(gè)群體。（4）車輛路線問(wèn)題： 車輛路線問(wèn)題來(lái)源于交通運(yùn)輸。（2）二次分配問(wèn)題：二次分配問(wèn)題是指分配n個(gè)設(shè)備到n個(gè)地點(diǎn)，從而使得分配的代價(jià)最小。 　　既然復(fù)雜性、智能行為是根據(jù)底層規(guī)則涌現(xiàn)的，既然底層規(guī)則具有多樣性和正反饋特點(diǎn)，那么也許你會(huì)問(wèn)這些規(guī)則是哪里來(lái)的？多樣性和正反饋又是哪里來(lái)的？我個(gè)人的意見(jiàn)：規(guī)則來(lái)源于大自然的進(jìn)化。正反饋的力量也可以比喻成權(quán)威的意見(jiàn)，而多樣性是打破權(quán)威體現(xiàn)的創(chuàng)造性，正是這兩點(diǎn)小心翼翼的巧妙結(jié)合才使得群體智能行為涌現(xiàn)出來(lái)了。　　蟻群算法正是充分利用了選擇、更新和協(xié)調(diào)的優(yōu)化機(jī)制，即通過(guò)個(gè)體之間的信息交流與相互協(xié)作最終找到最優(yōu)解，使它具有很強(qiáng)的發(fā)現(xiàn)較優(yōu)解的能力。實(shí)際上好似是程序的一個(gè)自我學(xué)習(xí)的過(guò)程。 這種算法有別于傳統(tǒng)編程模式的算法，其優(yōu)勢(shì)在于，避免了冗長(zhǎng)的編程和籌劃，程序本身是基于一定規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)行來(lái)尋找最佳配置。因此， 　　正反饋是螞蟻算法的重要特征，它使得算法演化過(guò)程得以進(jìn)行。所以蟻群算法則可以看作是一個(gè)分布式的多自主體系統(tǒng)，它在問(wèn)題空間的多點(diǎn)同時(shí)開始進(jìn)行獨(dú)立的解搜索，不僅增加了算法的可靠性，也使得算法具有較強(qiáng)的全局搜索能力。蟻群算法充分休現(xiàn)了這個(gè)過(guò)程，以螞蟻群體優(yōu)化為例子說(shuō)明。蟻群算法是一種求解組合最優(yōu)化問(wèn)題的新型通用啟發(fā)式方法，該方法的特點(diǎn)如下：（1）蟻群算法是一種自組織的算法。 任務(wù)意義模擬自然界螞蟻尋找食物這一群體行為的編隊(duì)控制算法又可以稱作螞蟻算法，或蟻群算法，是一種用來(lái)在圖中尋找優(yōu)化路徑的機(jī)率型技術(shù)，它由Marco Dorigo于1992年在他的博士論文中引入。假設(shè)有兩條路從窩通向食物，開始的時(shí)候，走這兩條路的螞蟻數(shù)量同樣多（或者較長(zhǎng)的路上螞蟻多，這也無(wú)關(guān)緊要）。這就解釋了為什么單個(gè)螞蟻在復(fù)雜的諸如迷宮的地圖中仍然能找到隱蔽得很好的食物。比如，當(dāng)一只螞蟻找到了食物，它并沒(méi)有直接告訴其它螞蟻這兒有食物，而是向環(huán)境播撒信息素，當(dāng)其它的螞蟻經(jīng)過(guò)它附近的時(shí)候，就會(huì)感覺(jué)到信息素的存在，進(jìn)而根據(jù)信息素的指引找到了食物。為了防止螞蟻原地轉(zhuǎn)圈，它會(huì)記住最近剛走過(guò)了哪些點(diǎn)，如果發(fā)現(xiàn)要走的下一點(diǎn)已經(jīng)在最近走過(guò)了，它就會(huì)盡量避開。(3) 覓食規(guī)則： 在每只螞蟻能感知的范圍內(nèi)尋找是否有食物，如果有就直接過(guò)去。于是令螞蟻依據(jù)以下規(guī)則移動(dòng)：(1) 范圍： 螞蟻觀察到的范圍是一個(gè)方格世界，螞蟻有一個(gè)參數(shù)為速度半徑（一般是3），那么它能觀察到的范圍就是3*3個(gè)方格世界，并且能移動(dòng)的距離也在這個(gè)范圍之內(nèi)。這樣形成一個(gè)正反饋。與此同時(shí)釋放出與路徑長(zhǎng)度有關(guān)的信息素。在蟻群尋找食物時(shí)，它們總能找到一條從食物到巢穴之間的最優(yōu)路徑。當(dāng)一只找到食物以后，它會(huì)向環(huán)境釋放一種信息素，吸引其他的螞蟻過(guò)來(lái)，這樣越來(lái)越多的螞蟻會(huì)找到食物！有些螞蟻并沒(méi)有象其它螞蟻一樣總重復(fù)同樣的路，他們會(huì)另辟蹊徑，如果令開辟的道路比原來(lái)的其他道路更短，那么，漸漸，更多的螞蟻被吸引到這條較短的路上來(lái)。 然而，事實(shí)并沒(méi)有你想得那么復(fù)雜，上面這個(gè)程序每個(gè)螞蟻的核心程序編碼不過(guò)100多行！為什么這么簡(jiǎn)單的程序會(huì)讓螞蟻干這樣復(fù)雜的事情？答案是：簡(jiǎn)單規(guī)則的涌現(xiàn)。不但如此而且還會(huì)沿著最短的路徑奔向食物，當(dāng)大量螞蟻這么做時(shí)，蟻群就會(huì)一只跟著一只形成一條最短的線來(lái)搬運(yùn)食物。他們的覓食行為、勞動(dòng)分配、孵化分類、協(xié)作運(yùn)輸、構(gòu)造墓地等行為之精巧令人驚嘆。多機(jī)器人系統(tǒng)編隊(duì)控制在軍事監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救援、空間及海洋開發(fā)、智能交通系統(tǒng)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、服務(wù)行業(yè)等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景并已經(jīng)得到了一定的實(shí)際應(yīng)用。雖然每個(gè)機(jī)器人只使用了其能獲得的局部信息,但是整個(gè)系統(tǒng)卻能實(shí)現(xiàn)一些全局性的任務(wù)。例如多個(gè)機(jī)器人推箱子，機(jī)器人與箱子必須保持一定的幾何關(guān)系才能夠?qū)⑾渥油葡蚱谕姆较?，類似的任?wù)還有農(nóng)作物收割、播種等。多自主機(jī)器人保持一定的隊(duì)形至少有以下幾點(diǎn)好處： （1） 充分獲取當(dāng)前環(huán)境信息。 課題意義在多自主機(jī)器人系統(tǒng)中，很多時(shí)候要求多個(gè)自主機(jī)器人在協(xié)作的過(guò)程中保持一定的隊(duì)形，以便更好的協(xié)作，即多機(jī)器人編隊(duì)控制。這樣在協(xié)調(diào)控制時(shí)，使用的測(cè)量信息最少。一個(gè)控制規(guī)律操縱所有的載具進(jìn)入一塊區(qū)域，另一個(gè)就實(shí)現(xiàn)路徑追蹤和行動(dòng)協(xié)調(diào)。這樣，遠(yuǎn)離路徑的載具，他們的目標(biāo)就是靠近路徑。 以前的方案在不管載具離路徑多遠(yuǎn)的情況下同時(shí)考慮路徑追蹤以及多機(jī)器人協(xié)調(diào)。因此隨著狀態(tài)切換控制規(guī)律，所有自主體在路徑上均勻間隔排列和最終作為一個(gè)整體向前移動(dòng)。而高層以圓形拓?fù)溲h(huán)追趕，低層以鏈狀拓?fù)渥汾s的戰(zhàn)略可以實(shí)現(xiàn)集合、同軸圓周運(yùn)動(dòng)和同軸對(duì)數(shù)螺線運(yùn)動(dòng)。而且，這些自主體可以在目標(biāo)的速度改變時(shí)自適應(yīng)的維持編隊(duì)。需要一個(gè)局部控制規(guī)律，僅僅利用目標(biāo)和它的鄰居間的先對(duì)位置的信息，來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。2009年，Gangfeng Yan等[9]研究了一群自由運(yùn)動(dòng)的自主體協(xié)調(diào)跟蹤目標(biāo)的問(wèn)題。2010年，zhiyun lin等[8]研究了自適應(yīng)編隊(duì)控制問(wèn)題。2009年，zhiyun lin等[7]研究了有向無(wú)環(huán)圖中多運(yùn)動(dòng)自主體的編隊(duì)控制問(wèn)題。同樣的每個(gè)自主體都將以自己所有鄰居自主體的形心為目標(biāo)移動(dòng)，他們證明在這個(gè)戰(zhàn)略下視野恰當(dāng)?shù)脑捤凶灾黧w將同樣最終收斂到一點(diǎn)。每個(gè)自主體只有一個(gè)有限視野的傳感器，因此這個(gè)傳感器所對(duì)應(yīng)的自主體可以看見(jiàn)并知道那些與自己距離在一定程度以內(nèi)的自主體們，這些被看到的自主體被稱作鄰居自主體。首先是循環(huán)追趕。這些群體行為給了研究者很多的啟發(fā)。但模擬的結(jié)果往往事先無(wú)法預(yù)測(cè)，結(jié)果的正確性也無(wú)法用解析的手段來(lái)驗(yàn)證，只能與現(xiàn)實(shí)中的類似現(xiàn)象作比較。并且有另一些人[4]，對(duì)分布式算法的研究中那些把一套機(jī)器人錯(cuò)誤地描繪成在平面上應(yīng)該收斂到一起的點(diǎn)；這是被稱為協(xié)議的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，這一控制戰(zhàn)略的目標(biāo)使一組移動(dòng)自主體（機(jī)器人組火星探路者，無(wú)人駕駛飛行器，或無(wú)人水下航行器）要么實(shí)現(xiàn)自主體組在形成或移動(dòng)的同時(shí)保持一個(gè)編隊(duì)，要么實(shí)現(xiàn)把自主體從一個(gè)編隊(duì)重新配置到另一個(gè)編隊(duì)。個(gè)體之間的相互作用有各種表現(xiàn)：如兩個(gè)個(gè)體之間有信息交換則這兩個(gè)個(gè)體就相互靠近；一些比較復(fù)雜行為規(guī)定表現(xiàn)為兩個(gè)個(gè)體太靠近，它們會(huì)排斥，以保持合理的各自活動(dòng)的距離. 個(gè)體的行為還可用非線性動(dòng)力學(xué)模型來(lái)描述。Boid模型引起了計(jì)算機(jī)和物理學(xué)家、生物學(xué)家和數(shù)學(xué)家的關(guān)注。Consensus是保留在英文中的拉丁詞匯。每只鳥都有著一個(gè)局部的控制戰(zhàn)略，然而它們卻可以完成令人滿意的全體集群行為。人們研究群體行為往往從觀察自然現(xiàn)象開始。一方面，該研究的重大進(jìn)展能更深刻地闡釋、了解、揭示自然的秘密，能夠幫助人們深入理解人類社會(huì)活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的規(guī)律。脫離群體的生物個(gè)體在自然界是很難生存的。一定數(shù)量的自主個(gè)體通過(guò)相互交流與協(xié)作，在集體層面上呈現(xiàn)出更為有效、更為強(qiáng)大功能的行為，并能實(shí)現(xiàn)個(gè)體不可能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。例如飛機(jī)是模仿鳥類的飛行結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制造的；雷達(dá)是模仿蝙蝠的回聲定位制造的；熒光燈是模仿螢火蟲制造的；照相機(jī)是模仿蠅的復(fù)眼制造的；電子蛙眼是模仿蛙眼制造的；許多建筑的建造模仿了動(dòng)物的甲殼等等。目 錄摘 要…………...…………………………………………….……IAbstract ………………...………………………………………….……II1 緒論...........……...…………………………………………….……1 引言…………………………………….………………1 編隊(duì)控制國(guó)內(nèi)外研究概況…………………………………..3 課題意義…………………………………………………….62 螞蟻跟隨問(wèn)題的仿真設(shè)計(jì)……......………..……………………….10 預(yù)期結(jié)果……………………………………………………..10 實(shí)現(xiàn)方案……………………………………………………..10 任務(wù)意義………………………………………………...…133 螞蟻跟隨問(wèn)題的仿真實(shí)現(xiàn)…………………………..….…….……17 螞蟻跟隨問(wèn)題的算法描述…………………………….……17 程序描述……………………………………………….……18 程序框圖……………………………………………….……19 運(yùn)行程序……………………………………………………23 仿真分析…………………………………………….............314 總結(jié)與展望………………….………….…………………………33致謝…….……………….…………………………………………….34參考文獻(xiàn)…….………………….………………………………………351 緒論 引言自古以來(lái)，自然界就是人類各種科學(xué)技術(shù)原理及重大發(fā)明的源泉。人類運(yùn)用其觀察、思維和設(shè)計(jì)能力，開始了對(duì)生物的模仿，并通過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)，制造出簡(jiǎn)單的工具，增強(qiáng)了自己與自然界斗爭(zhēng)的本領(lǐng)和能力。人類社會(huì)是由物性個(gè)體及人性個(gè)體組成。螞蟻、白蟻、蜜蜂的群居。從系統(tǒng)科學(xué)的觀點(diǎn)看，群體行為的研究對(duì)于理解自然與社會(huì)中的復(fù)雜現(xiàn)象具有非常重要的意義。同時(shí)對(duì)解釋生命的起源，意識(shí)的形成等也具有極其重要的意義。1987年，Reynolds [1]介紹了一個(gè)模型并且寫下了模仿飛行中的一群鳥的boids算法；它們聚在一起飛翔，有著共同的平均航向并且避開了相互之間的碰撞。系統(tǒng)科學(xué)中Consensus這個(gè)詞理解為群體中的成員通過(guò)與其他成員的信息交流及共同約定的簡(jiǎn)單相互作用，使群體達(dá)成共同的意向。實(shí)際上，Consensus的含義要比漢語(yǔ)的一致性更廣泛、更多義。這些文獻(xiàn)中用簡(jiǎn)單的線性動(dòng)力系統(tǒng)描述個(gè)體的行為，個(gè)體之間的信息交換用某些能夠測(cè)量的量，例如個(gè)體間的距離、相對(duì)位置等來(lái)描述。除了存在于生物學(xué)的興趣，Reynolds的想法與多車隊(duì)形的主題有關(guān)。另外有人提出了一個(gè)類似的設(shè)計(jì)，但正仍然在考慮避免碰撞和團(tuán)體運(yùn)動(dòng)間的問(wèn)題，例如，一個(gè)矩陣的編隊(duì)進(jìn)行右轉(zhuǎn)。用功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件對(duì)群體行為進(jìn)行模擬，是一種有效的研究方法。 編隊(duì)控制國(guó)內(nèi)外研究概況近些年，對(duì)于生物的群體性行為的