CN104049616A - 无人水下航行器群体任务协调系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人水下航行器群体任务协调系统及方法。包括传感器模块、全局状态模块、任务协调模块和UUV执行器，传感器模块用于采集环境信息、UUV自身状态信息并接收其他UUV发送的信息；全局状态模块包括更新单元、UUV描述单元、任务描述单元，UUV描述单元进行UUV状态的更新，任务描述单元进行任务状态的更新；任务协调模块包括不可预见情况和冲突单元、动态任务规划单元、任务分配单元、组合体维护单元、执行单元，用于任务的协调与分配。本发明是一个分布式、高效、稳定的多无人水下航行器任务协调系统与方法。

Description

无人水下航行器群体任务协调系统及方法

技术领域

本发明属于无人水下航行器领域，尤其涉及一种无人水下航行器群体任务协调系统及方法。

背景技术

无人水下航行器(UUV)最早出现于20世纪60年代。最初主要用于进行深水勘探、沉船打捞、水下电缆铺设及维修等民用领域。

无人水下航行器群体(UUVs)是指由多个无人水下航行器组成的一个群体，群体中的每个个体通过相互之间的协作共同完成特定的作业任务。UUVs可以胜任单个UUV无法完成的任务。UUVs中的不同个体可以搭载不同的探测设备，从而收集更多不同类型的探测数据，为完成包含不同类型子任务的任务提供更为完善的支持。其次，携带低精度探测设备的一组小型化、低造价UUVs凭借其空间分布上的优势，可以比携带高精度但却极为昂贵探测设备的单个UUV更高效的完成任务。再次，由于UUVs自身存在的冗余特性，使得单个UUV的失效并不影响整个任务正常的实施，保证了任务完成的可靠性。故UUVs凭借其结构上的特性，可以很大程度上提高工作效率并保证任务的完成。随着技术的不断进步，UUVs的研究逐渐被各国所重视，而UUV之间的任务协调更是UUVs研究领域的重要组成部分，通过UUV之间的任务协调，不仅能发挥个体UUV的最大效能，也能保证任务高效、顺利的完成。该项技术的研究对于提高UUVs的智能化水平以及加速其在相关领域的应用中具有积极的理论意义和实用价值。

UUV的水下自主作业在某种程度上比无人机和无人车的自主作业更具有挑战性。尤其是在水下通信受限的情况下，所以UUV之间的协同控制更为困难。在传统的控制方式中，一般是在任务初始阶段使用一个中央规划器将任务分配给每个UUV，但是当出现由于外界环境或是UUV自身条件所致的任务执行期间的失败时，这种初始任务分配方式就变得不可用。因此，外界和自身状态的变化制约着这种任务分配方式的有效性。另外当前的基于市场机制的任务协调机制不能很好的在任务执行期间进行任务的重规划、任务重分解、重调度以及任务执行中的UUV的协调，并且对于单次规划仍存在效率低，鲁棒性差的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效的、稳定的并能对不可预见情况快速响应处理的无人水下航行器群体任务协调系统，本发明的目的还包括提供一种能够动态实现实时任务规划的无人水下航行器群体任务协调方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

无人水下航行器群体任务协调系统，包括传感器模块、全局状态模块、任务协调模块和UUV执行器，

传感器模块用于采集环境信息、UUV自身状态信息并接收其他UUV发送的信息；

全局状态模块包括更新单元、UUV描述单元、任务描述单元，更新单元用于分析采集环境信息、UUV自身状态信息并接收其他UUV发送的信息，UUV描述单元进行UUV状态的更新，任务描述单元进行任务状态的更新；

任务协调模块包括不可预见情况和冲突单元、动态任务规划单元、任务分配单元、组合体维护单元、执行单元，不可预见情况和冲突单元进行不可预见情况和冲突情况的检测与处理，当出现不可预见情况和冲突情况时，广播检测到的信息并使用预置的措施进行处理；动态任务规划单元对所有未完成任务进行重新规划并划分子任务；任务分配单元从子任务中选择一个候选任务，对候选任务执行拍卖，根据其他UUV向任务分配单元发送竞拍信息将子任务进行分配；组合体维护单元用于对组合体成员的更新；执行单元驱动UUV执行器运行任务。

本发明无人水下航行器群体任务协调方法，传感器模块采集环境信息、UUV自身状态信息并接收其他UUV发送的信息，传送给更新单元；

更新单元分析接收的信息后将结果传送给UUV描述单元和任务描述单元；

UUV描述单元根据接收的信息进行UUV状态的更新，将更新后的UUV状态信息分别传送给动态任务规划单元、不可预见情况和冲突单元；

任务描述单元根据接收的信息进行任务状态的更新，将更新后的任务状态信息分别传送给动态任务规划单元、不可预见情况和冲突单元；

不可预见情况和冲突单元接收UUV状态信息、任务状态信息和其他UUV发送的信息，执行不可预见情况和冲突的检测，当检测到不可预见情况和冲突时，广播警告信息并使用预置的预防措施进行处理；

动态任务规划单元根据接收的UUV状态信息、任务状态信息，通过构建未完成任务优先队列执行任务规划，并划分子任务，将结果传送给任务分配单元；

任务分配单元从子任务中选择一个候选任务，使用基于合同网的拍卖机制对候选任务执行拍卖，根据其他UUV向任务分配单元发送竞拍信息将子任务进行分配，将结果传送给组合体维护单元，并且广播任务分配；

组合体维护单元根据子任务分配信息对执行任务的组合体成员更新；

执行单元根据得到的任务驱动UUV执行器运行任务，广播任务执行信息。

本发明无人水下航行器群体任务协调方法，还可以包括：

1、UUV描述单元输出的UUV状态信息为：

<u_id,u_cap,u_relinfo,u_stat>

其中u_id表示UUV唯一标识，u_cap表示UUV的能力，u_relinfo表示UUV的其它相关信息，u_stat表示UUV的当前状态，分别有：

<idle,excuting,failed,auctionning>

idle表示空闲状态，excuting表示正在执行任务中，failed表示任务失败、auctionning表示正在拍卖。

2、任务描述单元输出的任务状态信息为：

<t_id,t_reqcap,t_reqno,t_relinfo,t_stat>

其中t_id表示任务唯一标识，t_reqcap表示执行此任务所需能力，t_reqno表示执行此任务需要的最少UUV数量，t_relinfo表示任务的相关信息，t_stat表示任务的当前状态，分别有：

<unachieved,auctioned,being_excuted,achieved,uncertain>

unachieved表示任务未完成未拍卖、auctioned表示未完成已拍卖、being_excuted表示正在执行、achieved表示已经完成、uncertain表示状态不确定。

3、不可预见情况和冲突单元中的预先定义的预防措施为：

a、当检测到未知UUV的信息时，与未知UUV建立通信，收集未知UUV的信息在UUV描述单元更新UUV状态信息，

b、当检测到未知任务信息时，收集未知任务信息在任务描述单元更新任务状态信息，并加入到未完成任务队列中，

c、当检测到一个已经完成的任务又以新任务、正在执行、或正在拍卖的状态被发布时，向发布该任务的UUV发送警告信息，

d、当检测到正在执行任务的UUV收到当前任务的取消信息时，取消任务的执行，在UUV描述单元更新自身状态。

4、动态任务规划单元构建的任务优先队列的顺序是根据UUV到任务点w_i的相对距离relDist(u_j,w_i)由低到高排序，当前UUV由u_j表示，UUV到任务点的相对距离为：

$\mathrm{relDist}(u_j,w_i)=\mathrm{dist}(u_j,w_i)-\underset{\&ForAll;k\&NotEqual;j}{\min }\left(\mathrm{dist}(u_k,w_i)\right)$

其中dist(u_j,w_i)表示UUV，u_j到任务点w_i的欧几里得距离，表示所有除u_j外的其它UUV到任务点w_i的距离最小值，并根据relDist(u_j,w_i)值将任务执行区域划分为子区域，也就是将任务M划分为n子任务M₁,M₂,…,M_i,…,M_n，其中n为执行此任务的UUV的数量。

5、任务分配单元中其他UUV向任务分配单元发送竞拍信息为该UUV执行拍卖任务的代价，当前UUV执行执行子任务W_j的代价C_jj为：

$C_{\mathrm{jj}}=\underset{i=1}{\overset{q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_{\mathrm{ji}}$

其中q为子任务W_j中含有任务点的个数，而u_j执行任务点w_i的代价c_ji为：

c_ji＝α*dist(u_j,w_i)+(1-α)*[dist(w_f1,w_f2)-max(dist(w_i,w_f1),dist(w_i,w_f2))]dist(w_f1,w_f2)＝max(dist(w_i,w_j)),w_i,w_j∈M_j

其中w_f1和w_f2为子任务W_j中相距最远的两个任务点，常量α作为调整因子；

其他UUV执行子任务W_j的代价为C_kj，若C_kj小于C_jj，那么当前UUV将任务分配给其他UUV，其他UUV由u_k表示，否则当前UUV执行子任务W_j，对于其他UUV满足的条件为：

其中p为UUV总数。

本发明的有益效果：

本发明的无人水下航行器群体任务协调系统及方法，动态实现实时任务的分配与重分配，执行任务规划，可快速响应通信失效、延迟和UUV故障等不可预见的情况，并根据嵌入在系统中的预防措施进行处理，恢复任务的正常执行。在通信受限的海洋环境下，仍能表现出较好的性能。本发明是一个分布式、高效、稳定的多无人水下航行器任务协调系统与方法。

附图说明

图1是本发明的无人水下航行器群体任务协调系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明提供的无人水下航行器群体任务协调系统主要包括全局状态模块和任务协调模块，如图1所示。

全局状态模块包括更新单元、UUV描述单元、任务描述单元，负责当前任务执行状态、所有UUV状态等全局信息的描述与更新；更新单元接收其它航行器的广播的信息和自身传感器采集的外界信息，实时更新UUV描述单元和任务描述单元。

任务协调模块包括不可预见情况和冲突单元、动态任务规划单元、任务分配单元、组合体维护单元和执行单元；不可预见情况和冲突单元执行不可预见情况和冲突情况的检测与处理，当出现此类情况时，广播检测到的信息并使用预定义的措施进行处理；当全局状态被更新后，动态任务规划单元对所有未完成任务执行重新规划并划分子任务；任务分配单元对新的子任务执行拍卖，各UUV竞拍后得到所需执行的任务；一些子任务可能需要多UUV以成组的方式并行执行，组合体维护单元负责组合体的构建和维护；执行单元驱动UUV执行器执行规划后的任务。

对本发明的无人水下航行器群体任务协调方法作进一步描述：

(1)UUV由传感器模块采集环境信息并接收其它UUV发送的信息作为更新单元的输入。

(2)更新单元分析输入信息并更新UUV描述单元和任务描述单元。

(3)UUV描述单元接收来自于更新单元的信息并进行更新，使UUV的状态描述随着任务的执行始终保持为最新状态，且单元的输出作为不可预见情况和冲突单元以及动态任务规划单元的输入；

UUV的状态描述由如下的数据结构表示：

<u_id,u_cap,u_relinfo,u_stat>

其中u_id表示UUV唯一标识；u_cap表示UUV的能力，如携带的传感器种类等；u_relinfo表示UUV的其它相关信息；u_stat表示UUV的当前状态，分别有：

<idle,excuting,failed,auctionning>

分别表示空闲状态、正在执行任务中、任务失败、正在拍卖。u_stat在UUV执行任务中不断变化并保持最新状态。

(4)任务描述单元接收来自于更新单元的信息并进行更新，使任务的状态描述随着任务的执行始终保持为最新，且单元的输出作为不可预见情况和冲突单元以及动态任务规划单元的输入；

任务由包含任务执行需求和任务状态的数据结构描述，如下：

<t_id,t_reqcap,t_reqno,t_relinfo,t_stat>

其中t_id表示任务唯一标识，在任务执行之前产生；t_reqcap表示执行此任务所需能力，如UUV需携带特定的传感器等；t_reqno表示执行此任务需要的最少UUV数量；t_relinfo表示任务的相关信息；t_stat表示任务的当前状态，分别有：

<unachieved,auctioned,being_excuted,achieved,uncertain>

分别表示任务未完成未拍卖、未完成已拍卖、正在执行、已经完成、状态不确定。t_stat随着任务的执行不断被更新，始终保持最新状态。

(5)不可预见情况和冲突单元接收来自于UUV描述单元、任务描述单元以及外界输入的信息，当检测到不可预见状况和冲突情形时，广播警告信息并使用预先定义的预防措施进行处理。

首先，针对执行任务的UUV以及UUV之间传输的信息两个方面，执行不可预见情况和冲突的检测，当检测到此类情况时，广播警告信息并使用预防措施进行处理，下面列出几种情况和相应的处理方式：

①当检测到未知航行器的信息时，与未知航行器建立通信，收集相关信息建立UUV描述并加入到UUV集合U中；

②当检测到未知任务信息时，收集任务信息建立任务描述并加入到未完成任务队列中；

③当检测到一个已经完成的任务又以新任务、正在执行或拍卖的状态被发布时，向发布信息的UUV发送警告信息；

④当检测到正在执行某一任务的UUV收到这个任务的“取消”信息时，取消任务的执行并更新自身状态。

为了保证对不可预见情况和冲突的检测与处理，UUV需承担其它的一些职责：

①当UUV发现新的在线任务，广播任务信息；

②UUV在任务执行中以预定的周期广播执行任务的代价值和估计的任务完成时间，以表明UUV正处于任务执行中以及此任务正在被执行；

③当任务执行完时广播此任务的“完成”信息；

④当任务执行被取消则广播此任务的“取消”信息；

⑤当检测到任务无效时广播此任务的“无效”信息。

(6)当UUV描述单元和任务描述单元状态改变，即全局状态发生更新时，动态任务规划单元通过构建未完成任务优先队列执行任务规划，其中优先队列中的任务顺序根据此UUV(u_j)到任务点(w_i)的相对距离(relDist(u_j,w_i))由低到高排序，若相对距离相同则考虑UUV当前正在执行的任务、正在拍卖的任务以及未完成的任务等情况进行排序，其中UUV(u_j)到任务点(wi)的相对距离由下式确定：

$\mathrm{relDist}(u_j,w_i)=\mathrm{dist}(u_j,w_i)-\underset{\&ForAll;k\&NotEqual;j}{\min }\left(\mathrm{dist}(u_k,w_i)\right)$

其中dist(u_j,w_i)表示UUV(u_j)到任务点(w_i)的欧几里得距离，表示所有除u_j外的其它UUV到任务点w_i的距离最小值，并根据relDist(u_j,w_i)值将任务执行区域划分为子区域，也就是将任务M划分为n子任务M₁,M₂,…,M_i,…,M_n，其中n为执行此类任务的UUV的数量。

(7)任务分配单元从动态任务规划单元划分的子任务中选择一个合适的候选任务，使用基于合同网的拍卖机制对候选任务执行拍卖，其它UUV作为竞拍者向拍卖者发送执行此拍卖

任务的代价作为投标值，其中UUV(u_j)执行子任务W_j的代价C_jj为：

$C_{\mathrm{jj}}=\underset{i=1}{\overset{q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_{\mathrm{ji}}$

其中q为子任务W_j中含有任务点的个数，而u_j执行任务点w_i的代价c_ji由下式计算得到：

c_ji＝α*dist(u_j,w_i)+(1-α)*[dist(w_f1,w_f2)-max(dist(w_i,w_f1),dist(w_i,w_f2))]dist(w_f1,w_f2)＝max(dist(w_i,w_j)),w_i,w_j∈M_j

其中w_f1和w_f2为子任务W_j中相距最远的两个任务点，常量α作为调整因子，若u_k执行此子任务W_j的代价C_kj小于C_jj，那么拍卖者u_j将任务分配给u_k，否则由u_k执行子任务W_j，上述u_k由下式得出：

其中p为UUV总数，并在任务分配完成后广播任务分配信息；

(8)经过拍卖协商后，若原组合体成员发生改变，则由组合体维护单元进行处理，构建新的组合体；

(9)最后执行单元驱动UUV执行器执行通过拍卖协商得到的任务，并继续由更新单元实时更新全局状态，返回步骤(1)。

Claims (7)

1.无人水下航行器群体任务协调系统，其特征在于：包括传感器模块、全局状态模块、任务协调模块和UUV执行器，

传感器模块用于采集环境信息、UUV自身状态信息并接收其他UUV发送的信息；

全局状态模块包括更新单元、UUV描述单元、任务描述单元，更新单元用于分析采集环境信息、UUV自身状态信息并接收其他UUV发送的信息，UUV描述单元进行UUV状态的更新，任务描述单元进行任务状态的更新；

任务协调模块包括不可预见情况和冲突单元、动态任务规划单元、任务分配单元、组合体维护单元、执行单元，不可预见情况和冲突单元进行不可预见情况和冲突情况的检测与处理，当出现不可预见情况和冲突情况时，广播检测到的信息并使用预置的措施进行处理；动态任务规划单元对所有未完成任务进行重新规划并划分子任务；任务分配单元从子任务中选择一个候选任务，对候选任务执行拍卖，根据其他UUV向任务分配单元发送竞拍信息将子任务进行分配；组合体维护单元用于对组合体成员的更新；执行单元驱动UUV执行器运行任务。

2.基于权利要求1所述的无人水下航行器群体任务协调系统的任务协调方法，其特征在于：

传感器模块采集环境信息、UUV自身状态信息并接收其他UUV发送的信息，传送给更新单元；

更新单元分析接收的信息后将结果传送给UUV描述单元和任务描述单元；

UUV描述单元根据接收的信息进行UUV状态的更新，将更新后的UUV状态信息分别传送给动态任务规划单元、不可预见情况和冲突单元；

任务描述单元根据接收的信息进行任务状态的更新，将更新后的任务状态信息分别传送给动态任务规划单元、不可预见情况和冲突单元；

不可预见情况和冲突单元接收UUV状态信息、任务状态信息和其他UUV发送的信息，执行不可预见情况和冲突的检测，当检测到不可预见情况和冲突时，广播警告信息并使用预置的预防措施进行处理；

动态任务规划单元根据接收的UUV状态信息、任务状态信息，通过构建未完成任务优先队列执行任务规划，并划分子任务，将结果传送给任务分配单元；

任务分配单元从子任务中选择一个候选任务，使用基于合同网的拍卖机制对候选任务执行拍卖，根据其他UUV向任务分配单元发送竞拍信息将子任务进行分配，将结果传送给组合体维护单元，并且广播任务分配；

组合体维护单元根据子任务分配信息对执行任务的组合体成员更新；

执行单元根据得到的任务驱动UUV执行器运行任务，广播任务执行信息。

3.根据权利要求2所述的无人水下航行器群体任务协调方法，其特征在于：所述的UUV描述单元输出的UUV状态信息为：

<u_id,u_cap,u_relinfo,u_stat>

其中u_id表示UUV唯一标识，u_cap表示UUV的能力，u_relinfo表示UUV的其它相关信息，u_stat表示UUV的当前状态，分别有：

<idle,excuting,failed,auctionning>

idle表示空闲状态，excuting表示正在执行任务中，failed表示任务失败、auctionning表示正在拍卖。

4.根据权利要求3所述的无人水下航行器群体任务协调方法，其特征在于：所述的任务描述单元输出的任务状态信息为：

<t_id,t_reqcap,t_reqno,t_relinfo,t_stat>

其中t_id表示任务唯一标识，t_reqcap表示执行此任务所需能力，t_reqno表示执行此任务需要的最少UUV数量，t_relinfo表示任务的相关信息，t_stat表示任务的当前状态，分别有：

<unachieved,auctioned,being_excuted,achieved,uncertain>

unachieved表示任务未完成未拍卖、auctioned表示未完成已拍卖、being_excuted表示正在执行、achieved表示已经完成、uncertain表示状态不确定。

5.根据权利要求4所述的无人水下航行器群体任务协调方法，其特征在于：所述的不可预见情况和冲突单元中的预先定义的预防措施为：

a、当检测到未知UUV的信息时，与未知UUV建立通信，收集未知UUV的信息在UUV描述单元更新UUV状态信息，

b、当检测到未知任务信息时，收集未知任务信息在任务描述单元更新任务状态信息，并加入到未完成任务队列中，

c、当检测到一个已经完成的任务又以新任务、正在执行、或正在拍卖的状态被发布时，向发布该任务的UUV发送警告信息，

d、当检测到正在执行任务的UUV收到当前任务的取消信息时，取消任务的执行，在UUV描述单元更新自身状态。

6.根据权利要求5所述的无人水下航行器群体任务协调方法，其特征在于：所述的动态任务规划单元构建的任务优先队列的顺序是根据UUV到任务点w_i的相对距离relDist(u_j,w_i)由低到高排序，当前UUV由u_j表示，UUV到任务点的相对距离为：

$\mathrm{relDist}(u_j,w_i)=\mathrm{dist}(u_j,w_i)-\underset{\&ForAll;k\&NotEqual;j}{\min }\left(\mathrm{dist}(u_k,w_i)\right)$

其中dist(u_j,w_i)表示UUV，u_j到任务点w_i的欧几里得距离，表示所有除u_j外的其它UUV到任务点w_i的距离最小值，并根据relDist(u_j,w_i)值将任务执行区域划分为子区域，也就是将任务M划分为n子任务M₁,M₂,…,M_i,…,M_n，其中n为执行此任务的UUV的数量。

7.根据权利要求6所述的无人水下航行器群体任务协调方法，其特征在于：所述的任务分配单元中其他UUV向任务分配单元发送竞拍信息为该UUV执行拍卖任务的代价，当前UUV执行执行子任务W_j的代价C_jj为：

$C_{\mathrm{jj}}=\underset{i=1}{\overset{q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_{\mathrm{ji}}$

其中q为子任务W_j中含有任务点的个数，而u_j执行任务点w_i的代价c_ji为：

c_ji＝α*dist(u_j,w_i)+(1-α)*[dist(w_f1,w_f2)-max(dist(w_i,w_f1),dist(w_i,w_f2))]dist(w_f1,w_f2)＝max(dist(w_i,w_j)),w_i,w_j∈M_j

其中w_f1和w_f2为子任务W_j中相距最远的两个任务点，常量α作为调整因子；

其他UUV执行子任务W_j的代价为C_kj，若C_kj小于C_jj，那么当前UUV将任务分配给其他UUV，其他UUV由u_k表示，否则当前UUV执行子任务W_j，对于其他UUV满足的条件为：

其中p为UUV总数。