CN112256057B - 一种异构无人系统协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异构无人系统协同控制方法，属于无人系统领域，包括以下阶段：任务形成阶段、请求阶段、响应阶段、成员选择阶段和成员确定阶段；设计了时间可用度TA _i 和信誉度τ _i 并根据时间可用度TA _i 和信誉度τ _i 筛选出成员列表R，然后根据成员列表R的顺序对完成任务的系统成员进行选取和设计分布式控制协议；还设计了异构无人系统管理者作为中介对每一个异构无人系统成员执行的任务进行管理；本发明解决了现有的异构无人系统执行任务时任务分配效率和任务的完成效率低的问题。

Description

一种异构无人系统协同控制方法

技术领域

本发明涉及无人系统领域，具体涉及一种异构无人系统协同控制方法。

背景技术

异构无人系统是控制不同种类的无人机器的控制系统，所谓的异构是指无人系统中被控对象的状态的维度或者状态值不同。由于异构无人系统的协同控制具有成本低、性能好、鲁棒性强等优点，在越来越多的领域得到应用，比如智能电网、无人艇无人机协同编队控制、移动机器人分布式控制等。异构无人系统通过通信网络交互信息完成工作，资源优化配置合理，单个无人系统成员成本较低，对于外界环境有着较强的鲁棒性。

通过结合不同的无人机器，有利于最大化利用不同无人机器的优点，加快任务完成的效率和效果。尤其是在无人艇和无人机协同进行探测任务，将无人机与无人艇相结合组成混合编队，通过调整无人艇和无人艇的相对位置关系，可以为包括侦察、探测、突防、围捕及打击等任务创造有利条件，提供技术保障。但是，现有技术中，在异构无人系统执行任务时任务的完成效率和任务的分配效率较低。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种任务分配效率和任务完成效率高的异构无人系统协同控制方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种异构无人系统协同控制方法，包括以下步骤：

(1)任务形成阶段：系统中所有的n+1个成员组成集合A＝{a₀,a₁,…,a_n}，其中a₀表示异构无人系统的管理者，a_i(i＝1,2,…,n)表示异构无人系统的系统成员；管理者a₀接收到来自上位机的任务要求形成系统任务的输入信号；

(2)请求阶段：系统管理者a₀对系统中的其他成员发送编队请求指令，获得系统成员a_i的时间可用度TA_i和信誉度τ_i；

(3)响应阶段：在接收到系统管理者a₀的请求信号之后，每一个系统成员a_i计算自己的时间可用度TA_i和信誉度τ_i，然后将计算数据反馈给系统管理者a₀完成响应；

(4)成员选择阶段：系统管理者a₀接收其余系统成员a_i的响应信号，计算每一个系统成员a_i的任务分数，并根据响应的系统成员a_i的任务分数列出成员列表R；

(5)成员确定阶段：系统管理者a₀检索成员列表R的信息，然后向上位机反馈所需系统成员a_i的信息并根据任务要求和系统成员a_i设计分布式控制协议；

进一步地，在步骤(3)系统响应阶段，信誉度τ_i由效用指标ρ和效率指标σ综合而成，每一个系统成员a_i根据完成任务所需要的时间和对于任务完成效果的评价不断地实时更新效用指标ρ和效率指标σ，并将最后一次更新的σ和ρ值发送给系统管理者a₀；

其中，信誉度τ_i的计算过程如下：

τ_i＝γσ+(1-γ)ρ

其中γ∈[0,1]，与效用指标ρ和效率指标σ相关，在任务开始之前给定一个初始值，根据不同的任务给定不同的初值；效用指标ρ表示系统成员a_i在完成任务之后外界对于任务完成效果的评价，代表着该系统成员a_i在异构无人系统中的声望；效用指标ρ的值是由反馈量ψ计算得出，计算公式如下：

ρ^new＝β·ρ^old+(1-β)·ψ

式中，ρ^new代表更新的效用指标，ρ^old代表旧的效用指标，β是一个参数，与ψ的当前值有关，其中，ρ∈[0,1]，ψ∈[0,1]，β∈[0,1]；

效率指标σ表示无人系统成员在执行任务时的可靠性，即完成任务的成功率；效率指标σ的计算公式如下：

σ^new＝α·σ^old+(1-α)·φ

其中，α为系数，σ^new代表更新的效率指标，σ^old代表旧的效率指标，φ为度量，m为度量φ中的其中一个客观度量，可以为完成一项任务所需的时间或者完完成一项任务所消耗的电量、完成一项任务的误差大小(比如规定走到1m的位置，实际上走到1.2米的位置)、完成任务中是否与其他成员发生碰撞等，φ＝f(m₁,m₂,…,m_n)；σ∈[0,1]，α∈[0,1]；

进一步地，在步骤(1)系统任务形成阶段，输入信号包括系统成员a_i的数量k和执行任务前的最大允许等待时间s_t，还包括加入任务队列的无人系统成员a_i所需要的最小信誉值m_t；

进一步地，在k个系统成员a_i中选取成员列表R中的第一个为领导者，其余的k-1名为跟随者；

对应的动态过程为：

x_i表示第i个成员的状态变量，A_i表示第i个成员的状态矩阵，B_i表示第i个成员的控制矩阵，C_i表示第i个成员的输出矩阵，y_i第i个成员的输出变量，i＝1,2,…,k-1；

S表示第i个成员的状态矩阵，Q表示第i个成员的输出矩阵，ξ表示第i个成员的状态变量，y_l为领导者的输出变量；

定义第i个成员的输出调节误差η_i＝y_i-y_l

(1)对于每个跟随者，解输出调节方程：

输出方程的解为(Π_i,Γ_i)

(2)取H_i＝Γ_i-K_iΠ_i，F_i＝S，G_i满足(S,G_i)是可控的；

(3)求解黎卡提方程，其中L_i＝0

求出P_i

(4)

其中，E_i表示第i个成员的单位矩阵，α_i为第i个成员的控制器增益，一般α_i＞0；

根据上述过程，分布式控制协议为：

从而达到

进一步地，在步骤(4)成员选择阶段，管理者a₀持续接收系统成员a_i的响应构成(σ_i,ρ_i)；

列表成员R_i的计算过程如下：

R_i＝TA_i·τ_i

系统的管理者a₀将得到的成员列表R按降序排列并删除TA_i＞s_t或者τ_i＜m_t的成员，其中i＝1,2,…,n；

进一步地，在步骤(5)成员确定阶段，系统成员a_i确定的过程为：

当最大等待时间s_t到达，系统的管理者a₀检查成员列表R中的成员个数，若成员列表R中的成员个数不小于k则向上位机列出列表中的前k个系统成员a_i；若成员列表R中成员个数小于k则向上位机发出“编队组建失败”的通告。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)现有技术中没有对无人系统成员作有效的价值衡量，只能判断当前无人系统成员是否损坏，而本发明通过设计信誉度τ_i指标来衡量每一个系统成员a_i对任务的完成能力，而本发明通过信誉度τ_i衡量系统成员完成任务的能力，对于难度不同的任务可以筛选出合适的成员去执行，从而提高异构无人系统任务完成的效率；

(2)现有技术通过中央电脑进行集中控制，当中央电脑出现问题或者通信中断时，异构无人系统成员将失去控制决策的指令从而待定，并且每一个成员与中央电脑进行通信，增加了通信成本，而本发明通过设计异构无人系统管理者a₀作为中介对每一个异构无人系统成员a_i执行的任务进行管理，通过利用无人系统之间的通信降低通信成本，并且增强了对于突发情况的鲁棒性，有效提高了任务分配的效率；

(3)通过设计分布式控制协议使无人系统组成的编队能够按照期望编队完成编队任务。

附图说明

图1为本发明的系统流程示意图；

图2为本发明编队成员的分配流程图；

图3为本发明的分布式控制协议流程图。

具体实施方式

为方便本领域技术人员更好的理解本发明，下面结合附图对本发明作更进一步的解释说明。

实施例1

参见图1-图3，一种异构无人系统协同控制方法，包括以下步骤：

(1)任务形成阶段：系统中所有的n+1个成员组成集合A＝{a₀,a₁,…,a_n}，其中a₀表示异构无人系统的管理者，a_i(i＝1,2,…,n)表示异构无人系统的系统成员；管理者a₀接收到来自上位机的任务要求形成系统任务的输入信号，输入信号包括系统成员a_i的数量k和系统成员a_i执行任务前的最大允许等待时间s_t，还包括加入任务队列的无人系统成员a_i所需要的最小信誉值m_t。

(2)请求阶段：系统管理者a₀对系统中的其他成员发送编队请求指令，获得系统成员a_i的时间可用度TA_i和信誉度τ_i，其中时间可用度TA_i表示异构无人系统成员a_i去完成当前任务和需要完成的任务所需要的剩余时间，信誉度τ_i表示当前无人系统成员a_i去完成当前任务的能力，信誉度越高则表示其能够完成的任务难度越高；

(3)响应阶段：系统成员a_i在接收到系统的管理者a₀的请求信号之后，每一个系统成员a_i计算自己的时间可用度TA_i和信誉度τ_i，信誉度τ_i由效用指标ρ和效率指标σ综合而成，每一个系统成员a_i根据完成任务所需要的时间和对于任务完成效果的评价不断地实时更新效用指标ρ和效率指标σ，并将最后一次更新的σ和ρ值发送给系统管理者a₀；信誉度τ_i的计算过程如下：

τ_i＝γσ+(1-γ)ρ

其中γ∈[0,1]与效用指标ρ和效率指标σ相关，并可通过实际任务的场景和难易程度等条件调整数值大小；

效用指标ρ表示系统成员a_i在完成任务之后外界对于任务完成效果的评价，代表着该成员在异构无人系统中的声望；效用指标ρ的值是由反馈量ψ计算得出，计算公式如下：

ρ^new＝β·ρ^old+(1-β)·ψ

式中，ρ^new代表更新的效用指标，ρ^old代表旧的效用指标，β是一个参数，与ψ的当前值有关，其中，ρ∈[0,1]，ψ∈[0,1]，β∈[0,1]；

效率指标σ表示无人系统成员在执行任务时的可靠性，即完成任务的成功率；效率指标σ的计算公式如下：

σ^new＝α·σ^old+(1-α)·φ

其中，σ^new代表更新的效率指标，σ^old代表旧的效率指标，φ为度量，m为度量φ中的其中一个客观度量，可以为完成一项任务所需的时间或者完成一项任务所消耗的电量，完成一项任务的误差大小(比如规定走到1m的位置，实际上走到1.2米的位置)、完成任务中是否与其他成员发生碰撞等；客观度量m可合并为一个度量φ，φ＝f(m₁,m₂,…,m_n)；α为系数，是在更新效率指标σ当前值时关于度量φ的一个参数，σ∈[0,1]，α∈[0,1]；

(4)成员选择阶段：系统的管理者a₀接收其余系统成员a_i的响应信号构成(σ_i,ρ_i)，然后开始计算每一个系统成员a_i的任务分数，并根据响应的系统成员a_i的任务分数列出成员列表R；

列表成员R_i的计算过程如下：

R_i＝TA_i·τ_i

系统的管理者a₀将得到的成员列表R按降序排列并删除TA_i＞S_t或者τ_i＜m_t的成员，其中i＝1,2,…,n。

(5)成员确定阶段：当最大等待时间s_t到达，系统的管理者a₀检查成员列表R中的成员个数，若成员列表R中的成员个数不小于k则向上位机列出成员列表R中的前k个系统成员a_i,并根据任务要求和系统成员a_i设计分布式控制协议，即在k个系统成员a_i中选取成员列表R中的第一名为领导者，其余的k-1名为随者，对应的动态过程为：

其中x_i表示第i个成员的状态变量，A_i表示第i个成员的状态矩阵，B_i表示第i个成员的控制矩阵，C_i表示第i个成员的输出矩阵，y_i第i个成员的输出变量，i＝1,2,…,k-1；

S表示第i个成员的状态矩阵，Q表示第i个成员的输出矩阵，ξ表示第i个成员的状态变量，y_l为领导者的输出变量；

定义第i个成员的输出调节误差η_i＝y_i-y_l

(1)对于每个跟随者，解输出调节方程：

输出方程的解为(Π_i,Γ_i)

(2)取H_i＝Γ_i-K_iΠ_i，F_i＝S，G_i满足(S,G_i)是可控的；

(3)求解黎卡提方程，其中L_i＝0

求出P_i

(4)

E_i为第i个成员的单位矩阵；

α_i为第i个成员的控制器增益，一般

α_i＞0；

根据上述过程设计分布式控制协议，计算过程为：

从而达到

即最后输出每个成员的输出误差收敛，最终的实际值与期望值相等，无人成员的实际行动渐渐和期望行动相等，完成控制目标；

若成员列表R中成员个数小于k则向上位机发出“编队组建失败”的通告。

Claims (5)

1.一种异构无人系统协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)任务形成阶段：系统中所有的n+1个成员组成集合A＝{a₀,a₁,…,a_n}，其中a₀表示异构无人系统的管理者，a_i，i＝1,2,…,n表示异构无人系统的系统成员；管理者a₀接收到来自上位机的任务要求形成系统任务的输入信号；

(2)请求阶段：系统管理者a₀对系统中的其他成员发送编队请求指令，获得系统成员a_i的时间可用度TA_i和信誉度τ_i；

(3)响应阶段：在接收到系统管理者a₀的请求信号之后，每一个系统成员a_i计算自己的时间可用度TA_i和信誉度τ_i，然后将计算数据反馈给系统管理者a₀完成响应；所述信誉度τ_i由效用指标ρ和效率指标σ综合而成，每一个系统成员a_i根据完成任务所需要的时间和对于任务完成效果的评价不断地实时更新效用指标ρ和效率指标σ，并将最后一次更新的效用指标ρ和效率指标σ的值发送给系统管理者a₀；

信誉度τ_i的计算过程如下：

τ_i＝γσ+(1-γ)ρ

其中γ∈[0,1]与效用指标ρ和效率指标σ相关，并可通过实际任务调整数值大小；

效用指标ρ的值是由反馈量ψ计算得出，计算公式如下：

ρ^new＝β·ρ^old+(1-β)·ψ

式中，ρ^new代表更新的效用指标，ρ^old代表旧的效用指标，β是一个参数，与ψ的当前值有关；其中，ρ∈[0,1]，ψ∈[0,1]，β∈[0,1]；

效率指标σ的计算公式如下：

σ^new＝α·σ^old+(1-α)·φ

其中，α为系数，σ^new代表更新的效率指标，σ^old代表旧的效率指标，φ为度量，m为度量φ中的其中一个客观度量，φ＝f(m₁,m₂,…,m_n)；σ^new,σ^old∈[0,1]；α∈[0,1]；

(4)成员选择阶段：系统管理者a₀接收其余系统成员a_i的响应信号，计算每一个系统成员a_i的任务分数，并根据响应的系统成员a_i的任务分数列出成员列表R；

(5)成员确定阶段：系统管理者a₀检索成员列表R的信息，然后向上位机反馈所需系统成员a_i的信息并根据任务要求和系统成员a_i设计分布式控制协议。

2.根据权利要求1所述的异构无人系统协同控制方法，其特征在于，在步骤(1)系统任务形成阶段，所述输入信号包括系统成员a_i的数量k和执行任务前的最大允许等待时间s_t，还包括加入任务队列的无人系统成员a_i所需要的最小信誉值m_t。

3.根据权利要求2所述的异构无人系统协同控制方法，其特征在于，在k个系统成员a_i中选取成员列表R中的第一个为领导者，其余的k-1名为跟随者，并设计分布式控制协议；

对应的动态过程为：

x_i表示第i个成员的状态变量，A_i表示第i个成员的状态矩阵，B_i表示第i个成员的控制矩阵，C_i表示第i个成员的输出矩阵，y_i第i个成员的输出变量，i＝1,2,…,k-1；

S表示第i个成员的状态矩阵，Q表示第i个成员的输出矩阵，ξ表示第i个成员的状态变量，y_l为领导者的输出变量；

定义第i个成员的输出调节误差η_i＝y_i-y_l

对于每个跟随者，解输出调节方程：

输出方程的解为(Π_i,Γ_i)

取H_i＝Γ_i-K_iΠ_i，F_i＝S，G_i满足(S,G_i)是可控的；

求解黎卡提方程，其中L_i＝0

求出P_i；

E_i为第i个成员的单位矩阵；

α_i为第i个成员的控制器增益，α_i＞0；

根据上述过程，分布式控制协议为：

从而达到

4.根据权利要求3所述的异构无人系统协同控制方法，其特征在于，在步骤(4)成员选择阶段，管理者a₀持续接收系统成员a_i的响应构成(σ_i,ρ_i)；

列表成员R_i的计算过程如下：

R_i＝TA_i·τ_i

系统的管理者a₀将得到的成员列表R按降序排列并删除TA_i＞s_t或者τ_i＜m_t的成员，其中i＝1,2,…,n。

5.根据权利要求3所述的异构无人系统协同控制方法，其特征在于，在步骤(5)成员确定阶段，系统成员a_i确定的过程为：

当最大等待时间s_t到达，系统的管理者a₀检查成员列表R中的成员个数，若成员列表R中的成员个数不小于k则向上位机列出成员列表R中的前k个系统成员a_i；若成员列表R中成员个数小于k则向上位机发出“编队组建失败”的通告。

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