基于协商共识的集群四旋翼无人机任务规划方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113934228A(43)申请公布日2022.01.14(21)申请号202111207723.5(22)申请日2021.10.18(71)申请人天津大学地址300072天津市南开区卫津路92号(72)发明人田栢苓程浩宗群(74)专利代理机构天津市北洋有限责任专利代理事务所12201代理人刘国威(51)Int.Cl.G05D1/10(2006.01)权利要求书4页说明书10页附图8页(54)发明名称基于协商共识的集群四旋翼无人机任务规划方法(57)摘要本发明属于四旋翼无人机飞行器任务决策技术领域，为解决具有时间条件约束的任务场景下无人机任务规划问题，实现自主规划出一条高效的任务执行路径，本发明，基于协商共识的集群四旋翼无人机任务规划方法，步骤如下：集群无人机任务规划步骤；集群无人机协商共识步骤；集群无人机任务重规划步骤：集群无人机在按预先规划执行任务的过程中，可能出现新的任务场景，包括途中发现新目标点、友方需要支援，无人机需要考虑自身能力和距该任务点的距离进行任务重规划，从而提升整体任务执行能力。本发明主要应用于四旋翼无人机飞行器控制场合。CN113934228ACN113934228A权利要求书1/4页1.一种基于协商共识的集群四旋翼无人机任务规划方法，其特征是，步骤如下：集群无人机任务规划步骤：无人机在规划任务路径时，需要考虑任务的距离、时间要求以及对无人机数量的需求，将其插入自身任务执行序列的适当位置，从而实现自身利益最大化；集群无人机协商共识步骤：无人机之间通过协商的方式交换自身路径中完成每个任务所能得到的收益，将完成某一任务可获得更高收益的无人机作为该任务的真实获得者进行标记，并从将获得较低收益的无人机任务序列中进行剔除，从而实现整体收益价值的最大化；随着协商过程的推进，各无人机的已知信息也趋于一致，最终达成共识；集群无人机任务重规划步骤：集群无人机在按预先规划执行任务的过程中，可能出现新的任务场景，包括途中发现新目标点、友方需要支援，无人机需要考虑自身能力和距该任务点的距离进行任务重规划，从而提升整体任务执行能力。2.如权利要求1所述的基于协商共识的集群四旋翼无人机任务规划方法，其特征是，详细步骤如下：集群无人机任务规划方法：给定一个任务空间U＝{u1,u2,...,um}，每个任务uk(k表示任务标号)都具有最早可执行时间tk,start，最晚可执行时间tk,end，执行所需时间tk,spend，需要无人机的数量nk，最高奖励rk,max，任务实际奖励rk随时间的推移而逐渐降低，奖励rk与实际执行时间t的关系如下：其中，fk(t)≤0是单调递减的连续函数，且满足fk(tk,start)＝0，fk(tk,end)＝‑rk,max对于一组四旋翼无人机V＝{v1,v2,...,vn}，其中V表示无人机组，vi表示无人机，i表示无人机标号。每架无人机需要从任务空间中挑选出所有合适的任务添加到自身的任务执行序列当中，假设无人机vi当前的任务路径为Ui，对于存在其任务路径的补集中的任务uk，如果将任务uk放至当前任务路径Ui中的位置q时，以表示，任务uk的奖励为rikq，计算由该任务所引起的里程成本变化cikq：其中，ci表示由无人机从初始位置按照任务路径Ui依次执行任务至完成所经历的总路程，表示完成在位置q处添加任务uk后得到的新任务路径所需要的总路程；假设无人机vi的速度为s，用ci→k表示由无人机从初始位置按照任务路径Ui依次执行任务至新任务uk所经历的路程，用表示在路径中位于位置q之前的任务执行所需时间的和，计算无人机vi执行任务uk的时间tik和实际任务奖励rikp如下：为保证最终每架无人机获得的任务数量尽可能相同，对无人机每一次向路径中添加新2CN113934228A权利要求书2/4页任务做出惩罚pik：其中，表示添加任务uk后的新路径中的任务数量，g(z)是单调增函数且满足g(0)＝0；计算无人机vi所能获得的收益为yikq：yikq＝rikq‑cikq‑pik(5)记收益最大值为yik，取得最大收益的任务uk的位置为qik，假设uk需要无人机的数量为nk，对无人机vi已知的其余各架无人机可利用任务uk获得的收益按降序排列，记序列中位于第nk个的无人机为vj，称该无人机vj为最小满足收益无人机υik，并称其收益yjk为最小满足收益，记作λik，如果满足条件yikp＞yjk或yikq＝yjk(i<j)，则称任务uk可由无人机vi执行，其中，i与j均为无人机标号；将任务路径的补集中所有可由无人机vi执行的任务中可获得收益最高的任务实际添加至无人机vi的当前路径Ui中的相应位置处，得到新的任务路径Ui′：然后，对新路径中位于其余位置的任务