CN111045360B - 一种支持无人系统互操作的通用任务指令处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种支持无人系统互操作的通用任务指令处理方法，将人工规则和智能算法封装成资源库，探索了在规则引擎的管理下实现自主决策的可行性方法，有望进一步提高无人系统任务系统架构的可扩展性与智能化水平。通过有限状态机与CLIPS专用引擎工具的结合应用，不仅降低了系统工程实现的复杂性，还大大提升了无人系统执行预先规划任务和临机处置威胁情况的自主能力；最后，根据无人系统的多样化任务及其功能应用，采用了面向事务的群体无人消息处理机制，智能化重组不同的任务流程与信息流程，将对未来大规模无人平台信息共享机制研究提供了重要支撑，同时也为多域多集群的互操作能力提升奠定了坚实的技术基础。

Description

一种支持无人系统互操作的通用任务指令处理方法
技术领域
本发明涉及无人系统信息处理领域，尤其是一种无人系统任务指令处理方法。
背景技术
随着无人系统在智能化应用中地位愈加重要，实现空中、地面、海面/水下不同空间维度的多集群无人系统协同，是占领未来制高点的必然选择。为提高群体无人系统智能协同遂行任务的自主性和互操作性，研究一种支持无人系统“人机协同、机机协同”的通用任务指令及其处理方法存在迫切的需求。
在面向群体无人系统互操作的通用任务指令研究方面，近年来取得一定成果，但在战术消息协议的智能化处理方面，研究资料和公开报道相对较少。文献[1](吴丽珍,李远等.有人机/无人机协同任务指令集的设计与实现[J]系统仿真学报,2008,20(增)：514-517.)从协同任务角度出发，研究了有人机与无人机的任务消息集，但未对无人集群自主规划任务信息处理与在线决策信息处理问题进行讨论；文献[2](贾乐朋,胡晓峰等。基于语义网的空中任务指令生成方法[J]计算机与信息技术,2009,17(3):42-44.)针对有人机空中任务消息的自动化生成与优化问题，提出了语义网本体论的方法，主要是解决有人系统任务规划的问题，未考虑到无人系统的态势共享与行动协同等指令的在线实时处理问题；文献[3](彭辉,相晓嘉等。有人机/无人机协同任务控制系统[J]航空学报,2008,29(增):134-140.)提出了有人/无人协同的任务协同系统架构，设计了有人/无人协同的指令集，但仅从有人/无人双机协同层面上进行了研究，未考虑大规模无人集群协同运用场景下的指令处理问题；文献[4](杨蔷薇，占正勇。无人机指令生成器设计[J]空军工程大学学报.2010，11(3)：21-25)提出了一种面向无人机机动动作的指令生成方法，主要解决平台自身执行航线任务的实时性问题，没有考虑到平台间协同的任务级指令设计与协议处理问题。
综上所述，随着无人系统的运用日趋丰富，对有人/无人协同、无人集群自主协同等未来应用中任务指令智能化处理水平提出的也要求愈来愈高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种支持无人系统互操作的通用任务指令处理方法，为群体智能无人系统“人机交互、机机交互”提供智能化的信息处理流程与协议处理框架，从而支撑无人系统多域多集群协同应用中的互操作能力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
步骤1：基于QT开发环境设计面向XML文本的有限状态机，状态机在读取文本后自动生成状态机的工作状态以及状态转移条件；同时，根据文本信息内容，有限状态机将完成每个工作状态下的航路信息、载荷控制信息、任务目标信息的参数加载；
步骤2：在有限状态机的统一任务状态管理下，将通用任务指令按照不同类别进行流程化处理，其中包括平台位姿与系统状态、指挥引导与精确控制和目标监视与威胁告警消息；完成对每种消息初始字、延长字和继续字的编排进行按需收发应答，对每个字的数据元素和数据项进行自动编译解析；地面站(无人长机)结合任务需求，人工(自动)发起起飞指令、巡航指令、巡逻指令和返航指令的事务处理流程，为无人平台提供一键起飞、定速巡航、区域巡逻和既定返航的应用功能；
步骤3：若未遇到威胁情况，无人系统按照有限状态机完成自动任务切换，当遇到意外情况时，CLIPS规则处理引擎中的推理机根据规则库内设置的行动规则和算法库提供的智能算法，完成在线的自主决策与行为控制；具体来说，CLIPS规则处理引擎将根据平台系统状态与集群内的协同态势数据，实时管理接替规则、编队变换规则、整体规避规则、威胁告警规则、返航规则的运行，并在相应规则驱动下完成适配算法的调用，适配算法包括但不限于航路规划算法、目标分配算法；
步骤4：触发规则调用适配算法时，或是同步触发自身平台的机动，或是同步触发平台间通用任务指令交互；当触发自身平台的机动时，机动的具体输入参数由适配算法计算给出；当触发平台间通用任务指令交互时，发送的具体任务指令将规则内容决定，威胁规避规则确定了发送威胁告警指令，编队变换规则确定了编队变换指令。
本发明的有益效果在于提出了一种通用任务指令协议处理的整体解决方案，一方面，将人工规则和智能算法封装成资源库，探索了在规则引擎的管理下实现自主决策的可行性方法，有望进一步提高无人系统任务系统架构的可扩展性与智能化水平。另一方面，通过有限状态机与CLIPS专用引擎工具的结合应用，不仅降低了系统工程实现的复杂性，还大大提升了无人系统执行预先规划任务和临机处置威胁情况的自主能力；最后，根据无人系统的多样化任务及其功能应用，采用了面向事务的群体无人消息处理机制，智能化重组不同的任务流程与信息流程，将对未来大规模无人平台信息共享机制研究提供了重要支撑，同时也为多域多集群的互操作能力提升奠定了坚实的技术基础。
附图说明
图1为本发明的任务应用场景示意图。
图2为本发明有限状态机的状态流转示意图。
图3为本发明规则处理引擎的工作示意图。
图4为本发明基于事务机制的指令处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明不涉及具体的指令格式标准和指令编解码，而是提供一种基于无人系统通用任务指令的处理方法与流程协议。下面对本发明的具体实施作进一步说明：
本发明在已有的通用任务指令基础上，提出了一种通用任务指令的智能化处理方法，该方法面向任务全流程，充分考虑了复杂条件下的无人平台自主能力，采用消息协议处理中的事务处理机制，有助于提升强对抗条件下群体无人系统信息共享与自主协同能力，对促进无人系统应用、提高无人系统的互操作能力水平提供了信息化、智能化的技术支撑。
任务场景：红方三架无人机组成的集群编队执行抵近侦察任务，在预规划存在未知的蓝方威胁区域，红方无人集群按照通用任务指令要求，完成既定航线飞行、威胁区域规避、侦察区域巡逻、返航基本动作，并支持任务过程中的自主决策与信息实时交互。图1给出了任务场景的简单示意图。
(1)有限状态机解析通用任务指令。有限状态机将任务规划输出的XML文本编译成面向比特的方案化指令格式内容，并自动化生成起飞、编队、巡逻、监视、打击、返航的任务状态，具体任务状态如图2所示。同时，有限状态机将根据方案化指令提供的任务区域描述、任务载荷配置信息，结合实时环境态势数据，完成状态机的状态转移与任务切换。需要指出，此时状态转移也可以由规则引擎和通用任务指令完成触发；
(2)规则引擎处置威胁情况。在无人集群执行任务过程中，推理机基于当前态势实时进行规则检索匹配，根据规则设定的优先级完成冲突消解，并择机触发长机接替规则、编队变换规则、整体规避规则、威胁告警规则、返航规则，按需调用航路规划、任务分配算法，规则引擎工作示意图如图3所示。以下为几种典型规则的具体内容：
(a)长机接替规则——长机主动触发(优先级1)。如果长机受损程度大于阈值，在地面站发送长机接替消息，且其他不适合再担任长机的情况下，长机发送长机接替消息，一号替补机接替成为长机；
(b)长机接替规则——长机被动触发(优先级2)。如果编队三个周期内未收到长机消息，则一号替补机发送长机接替消息，一号替补机接替成为长机；
(c)队形变换规则——横队变箭型编队(优先级2)。如果当前队形是横队，且任务类型是突防时，长机发送队形变换消息，且队形变换为箭型编队；
(d)威胁告警规则——蓝方威胁规避(优先级1)。如果威胁类型满足蓝方探测参数或打击覆盖范围参数，发送威胁告警消息，并发送“避飞”任务分配命令，同时调用航路规划算法，给出航路点；
(e)返航规则——长机触发(优先级1)。如果剩余油量等于返航油量的1.5倍，且在长机收到僚机油量预警消息的情况下，长机向地面站发送返航请求。
(3)基于事务消息的机制处理通用任务指令。任务指令主要涵盖了以下两大类：一是态势类消息，包含了平台与系统状态消息、目标监视消息的周期性播发的任务消息，满足红蓝态势形成的信息需求，支持规则化消息的态势理解与规则条件触发；二是针对典型应用条件下的协同类消息，包含了用于指挥控制机构发给无人平台战术协同命令，以及用于无人平台之间遂行任务方案的任务分配、交战状态、威胁告警非周期播发的初始发送命令。实例中，具体包括了地面站在起飞时刻发送的起飞任务指令，编队航行中实时共享的平台与系统状态消息与目标监视消息，遇到威胁区域时由规则引擎触发的、向地面站和其他友机播发的威胁告警消息，具体流程图4所示。
最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims (1)

1.一种支持无人系统互操作的通用任务指令处理方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：基于QT开发环境设计面向XML文本的有限状态机，有限状态机在读取文本后自动生成有限状态机的工作状态以及状态转移条件；同时，根据文本信息内容，有限状态机将完成每个工作状态下的航路信息、载荷控制信息、任务目标信息的参数加载；
步骤2：在有限状态机的统一任务状态管理下，将通用任务指令按照不同类别进行流程化处理，通用任务指令的类别包括平台位姿与系统状态、指挥引导与精确控制和目标监视与威胁告警消息；完成对平台姿态与系统状态、指挥引导与精确控制、目标监视与威胁告警消息的初始字、延长字和继续字的编排进行按需收发应答，对每个字的数据元素和数据项进行自动编译解析；地面站结合任务需求，人工发起起飞指令、巡航指令、巡逻指令和返航指令的事务处理流程，为无人平台提供一键起飞、定速巡航、区域巡逻和既定返航的应用功能；
步骤3：若未遇到威胁情况，无人系统按照有限状态机完成自动任务切换，当遇到意外情况时，CLIPS规则处理引擎中的推理机根据规则库内设置的行动规则和算法库提供的智能算法，完成在线的自主决策与行为控制；具体来说，CLIPS规则处理引擎将根据平台系统状态与集群内的协同态势数据，实时管理接替规则、编队变换规则、整体规避规则、威胁告警规则、返航规则的运行，并在相应规则驱动下完成适配算法的调用，适配算法包括航路规划算法、目标分配算法；
步骤4：在触发规则调用适配算法时，产生以下两种策略输出，第一为触发自身平台的机动，第二为触发自身平台的机动；当触发自身平台的机动时，机动的具体输入参数由适配算法计算给出；当触发平台间通用任务指令交互时，发送的具体任务指令将规则内容决定，威胁规避规则确定了发送威胁告警指令，编队变换规则确定了编队变换指令。
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