一种无人设备集群协同智能控制系统的制作方法

本发明涉及无人设备集群协同控制，尤其涉及一种无人设备集群协同智能控制系统。

背景技术：

1、随着无人机、无人车、无人船等智能无人设备在巡检、物流运输、应急救援、协同作业等领域的广泛应用，无人设备集群逐渐由单设备独立运行向多设备协同执行复杂任务方向发展。在集群任务执行过程中，多个无人设备需要根据任务需求进行动态分工、路径协同以及控制权交接，以保证整体任务连续完成。然而，无人设备在执行控制指令过程中，其运动惯性、制动过程、机械振动、载荷释放、尾流扰动以及设备空间占用等物理影响并不会随着控制指令终止立即消失，而会在后续时间内持续作用于自身或邻近无人设备，形成具有时间延续性和空间扩散性的残留物理作用。因此，如何准确识别并利用上述残留物理影响信息，实现无人设备集群安全、高效的协同控制，成为当前无人集群智能控制领域的重要研究方向。

2、现有无人设备集群协同控制方法通常主要依据当前设备状态、任务优先级、路径规划结果或实时通信信息进行任务分配和控制决策，缺少对历史控制动作结束后持续存在的残留物理作用进行系统解析，导致无法准确判断前序无人设备释放控制权后是否仍对后续接替无人设备产生影响。同时，现有方法通常将任务接续过程视为理想状态下的直接切换过程，未充分考虑运动惯性、制动延迟、载荷延迟释放、机械振动、尾流扰动及空间占用等因素形成的控制权迁移边界，使得无人设备在复杂动态环境下容易出现任务接续冲突、控制权限提前切换以及设备间相互干扰等问题，降低了无人设备集群协同执行的稳定性和安全性。

技术实现思路

1、本发明提供了一种无人设备集群协同智能控制系统，通过获取无人设备集群历史控制指令及多源状态信息，识别控制指令终止后的残留物理作用并构建集群控制作用残留图谱；进一步基于残留物理作用的空间影响范围和持续阶段，分析历史控制动作对后续任务执行产生的未清偿约束，构建控制权接续边界图；在此基础上，将集群任务划分为多个协同控制相位，并配置责任无人设备、前序物理作用解除条件及允许执行动作，生成相位锁定控制权包，实现无人设备集群控制权按照物理约束边界进行有序迁移，从而提高复杂环境下无人设备集群协同控制的安全性、连续性和可靠性。

2、一种无人设备集群协同智能控制系统，包括残留物理作用解析模块、控制权接续边界构建模块以及相位锁定协同控制模块，其中；

3、所述残留物理作用解析模块获取无人设备集群的历史控制指令、设备运动状态、执行机构状态、载荷作用状态、环境扰动状态及设备间相对空间关系，识别控制指令终止后仍持续存在的残留物理作用，包括运动惯性、制动延迟、载荷延迟释放、机械振动、尾流扰动及空间占用，确定各残留物理作用的残留物理作用空间区域、持续阶段和受影响无人设备，生成集群控制作用残留图谱；

4、所述控制权接续边界构建模块基于所述集群控制作用残留图谱，将待执行集群任务与各残留物理作用进行时空关联，识别历史控制动作仍对接替无人设备产生约束的控制作用未清偿区段，将待执行集群任务划分为禁止接续任务片段、条件接续任务片段和直接接续任务片段，并依据各任务片段的允许进入条件和接续顺序构建控制权接续边界图；

5、所述相位锁定协同控制模块基于所述控制权接续边界图，将待执行集群任务划分为多个协同控制相位，为各协同控制相位配置责任无人设备、前序物理作用解除条件和允许执行动作，生成相位锁定控制权包，所述责任无人设备在满足对应前序物理作用解除条件后取得当前协同控制相位的执行权限，并在完成当前协同控制相位后释放执行权限。

6、可选的，所述残留物理作用解析模块包括：

7、多源状态同步采集：获取无人设备集群中各无人设备的历史控制指令、设备运动状态、执行机构状态、载荷作用状态、环境扰动状态及设备间相对空间关系，并按照无人设备标识和统一时间戳进行时序对齐，将完成时序对齐的历史控制指令、设备运动状态、执行机构状态、载荷作用状态、环境扰动状态及设备间相对空间关系汇集为多源状态时序数据；

8、残留物理作用识别：基于所述多源状态时序数据，以各历史控制指令的指令终止时刻为解析起点，对指令终止后的设备运动状态、执行机构状态、载荷作用状态和环境扰动状态进行连续变化分析，当对应状态在指令终止后仍未恢复至稳定状态时，将该持续变化过程识别为残留物理作用片段，并根据状态来源分别标记为运动惯性、制动延迟、载荷延迟释放、机械振动、尾流扰动或空间占用；

9、残留图谱构建：针对各残留物理作用片段，确定对应残留物理作用空间区域，并判断所述残留物理作用空间区域是否与无人设备集群中除对应无人设备之外的各无人设备的位置轨迹发生重叠，将位置轨迹与所述残留物理作用空间区域发生重叠的无人设备确定为受影响无人设备，以各残留物理作用片段为节点，以历史控制指令来源关系、残留物理作用空间区域重叠关系、持续阶段承接关系及无人设备影响关系为边，关联各残留物理作用空间区域、持续阶段和受影响无人设备，生成集群控制作用残留图谱。

10、可选的，所述残留物理作用识别包括：

11、终止状态基准提取：基于所述多源状态时序数据，按照无人设备标识和历史控制指令标识，提取各历史控制指令对应的指令终止时刻，并以所述指令终止时刻为解析起点，截取指令终止后的设备运动状态、执行机构状态、载荷作用状态和环境扰动状态，同时，从对应历史稳定运行时段中提取各状态的稳定状态值，建立指令终止状态与稳定状态之间的对照关系，将所述指令终止时刻、指令终止状态值和稳定状态值进行关联，生成终止状态对照数据；

12、持续变化过程判定：基于所述终止状态对照数据，从各历史控制指令的指令终止时刻开始，对设备运动状态、执行机构状态、载荷作用状态和环境扰动状态进行连续变化分析，计算各状态在指令终止后的残留物理作用强度，当残留物理作用强度大于残留判定阈值时，判定对应状态尚未恢复至稳定状态，并将该状态自指令终止时刻起持续超过残留判定阈值的连续时间过程确定为持续变化过程，当残留物理作用强度连续低于所述残留判定阈值达到残留消退持续时间阈值时，确定所述持续变化过程结束；

13、残留片段分类标记：基于所述持续变化过程，按照对应状态的数据来源和变化特征进行残留物理作用分类，其中，将由速度、加速度或姿态在指令终止后继续变化形成的持续变化过程标记为运动惯性，将由制动机构状态未完成切换或设备速度未降至稳定状态形成的持续变化过程标记为制动延迟，将由载荷保持状态向载荷释放状态的切换未完成或载荷作用位置仍发生变化形成的持续变化过程标记为载荷延迟释放，将由执行机构或设备姿态呈周期性往复变化形成的持续变化过程标记为机械振动，将由气流扰动或尾流扰动在指令终止后仍持续传播形成的持续变化过程标记为尾流扰动，将由无人设备本体、机械作业机构或未完全释放载荷继续占据目标空间形成的持续变化过程标记为空间占用，并将各持续变化过程对应的无人设备标识、历史控制指令标识、残留物理作用类型、起始时刻、结束时刻及残留物理作用强度进行关联，生成残留物理作用片段。

14、可选的，所述残留图谱构建包括：

15、残留物理作用空间区域生成：基于所述残留物理作用片段，提取对应无人设备在持续阶段内的位置轨迹、设备外形边界、执行机构作用范围、载荷作用范围及环境扰动传播范围，并根据不同类型残留物理作用的空间影响特征生成对应作用区域，并将连续时间内的作用区域进行空间关联，形成残留物理作用空间区域；

16、受影响无人设备识别：当无人设备集群中除对应无人设备之外的任一无人设备的位置轨迹进入所述残留物理作用空间区域，且该位置状态持续存在于所述残留物理作用空间区域内达到影响持续时间阈值时，将对应无人设备判定为受影响无人设备；

17、残留图谱关联生成：基于所述残留物理作用片段、残留物理作用空间区域及受影响无人设备，建立残留物理作用之间的关联关系，以各残留物理作用片段作为节点，以历史控制指令来源关系、残留物理作用空间区域重叠关系、持续阶段承接关系及无人设备影响关系作为连接边，对各残留物理作用片段进行图结构关联，其中，历史控制指令来源关系用于表示残留物理作用片段与历史控制指令之间的对应关系，残留物理作用空间区域重叠关系用于表示不同残留物理作用空间区域之间的交叠关系，持续阶段承接关系用于表示残留物理作用片段在时间上的连续关系，无人设备影响关系用于表示残留物理作用片段与受影响无人设备之间的作用关系，最终，将各节点对应的残留物理作用类型、残留物理作用空间区域、持续阶段、受影响无人设备及关联边信息进行统一存储，生成集群控制作用残留图谱。

18、可选的，所述残留物理作用空间区域生成包括：

19、残留片段特征提取：基于所述残留物理作用片段，按照无人设备标识和残留物理作用类型，提取对应无人设备在持续阶段内的空间影响因素，包括位置轨迹、设备外形边界、执行机构作用范围、载荷作用范围及环境扰动传播范围，其中，所述位置轨迹由持续阶段内各采样时刻的无人设备空间位置组成，所述设备外形边界用于描述无人设备本体占用空间范围，所述执行机构作用范围用于描述机械执行动作产生的空间影响范围，所述载荷作用范围用于描述载荷释放或保持过程对应的空间影响范围，所述环境扰动传播范围用于描述气流扰动、尾流扰动及局部障碍影响产生的空间扩散范围，并将空间影响因素与残留物理作用片段进行关联，生成残留空间影响特征；

20、残留空间区域生成：基于所述残留空间影响特征确定对应的残留物理作用空间区域，其中，对于运动惯性、制动延迟以及机械振动，根据设备运动状态变化和执行机构响应过程产生的残留物理作用，结合无人设备当前位置与影响范围半径确定残留物理作用空间区域，对于载荷延迟释放，根据载荷作用位置与载荷释放过程中的空间影响范围确定残留物理作用空间区域，对于尾流扰动，根据环境扰动传播范围确定残留物理作用空间区域，对于空间占用，根据设备外形边界及无人设备当前位置确定残留物理作用空间区域；

21、空间区域关联融合：基于所述残留物理作用空间区域，计算相邻时间段内残留物理作用空间区域之间的空间连续度，当所述空间连续度达到空间连续判定阈值时，将对应时间段内的残留物理作用空间区域进行关联融合，得到连续时空范围内的残留物理作用空间区域。

22、可选的，所述控制权接续边界构建模块包括：

23、任务残留关联解析：基于所述集群控制作用残留图谱，获取待执行集群任务对应的任务区域、任务时间窗口、目标无人设备及任务执行顺序，并与残留物理作用片段的残留物理作用空间区域和持续阶段进行时空关联，识别历史控制动作仍对接替无人设备产生约束的控制作用未清偿区段，生成控制作用约束关联数据；

24、接续任务片段划分：基于所述控制作用约束关联数据，根据残留物理作用空间影响范围、持续阶段及接替无人设备进入条件，对待执行集群任务进行接续约束分析，将受残留物理作用直接限制的任务区段划分为禁止接续任务片段，将满足约束条件后执行的任务区段划分为条件接续任务片段，将不受残留物理作用影响的任务区段划分为直接接续任务片段；

25、接续边界图构建：基于所述禁止接续任务片段、条件接续任务片段和直接接续任务片段，关联各任务片段对应的允许进入条件、接续顺序及约束关系，以任务片段作为节点，以任务片段之间的接续关系和约束关系作为边，构建控制权接续边界图。

26、可选的，所述任务残留关联解析包括：

27、任务信息提取：基于所述集群控制作用残留图谱，获取待执行集群任务对应的任务区域、任务时间窗口、目标无人设备及任务执行顺序，并将所述任务信息转换为与残留物理作用片段进行关联的任务约束数据，其中，所述任务区域用于描述待执行任务的空间范围，所述任务时间窗口用于描述任务执行起止时间，所述目标无人设备用于确定执行任务的无人设备标识，所述任务执行顺序用于描述各任务片段之间的接续关系，生成待执行任务描述数据；

28、残留约束关联分析：基于所述待执行任务描述数据，将任务区域与集群控制作用残留图谱中的残留物理作用空间区域进行空间关联，并将任务时间窗口与残留物理作用片段的持续阶段进行时间关联，计算待执行任务与残留物理作用之间的时空关联程度，当所述时空关联程度达到时空关联判定阈值时，确定对应待执行任务片段受到残留物理作用约束，生成控制作用关联结果；

29、未清偿区段识别：基于所述控制作用关联结果，结合残留物理作用类型、残留物理作用空间区域、持续阶段以及目标无人设备进入状态，识别历史控制动作结束后仍对接替无人设备产生影响的控制作用未清偿区段，当待执行任务对应空间区域处于残留物理作用空间区域内，且任务执行时间位于残留物理作用持续阶段内时，将对应任务区段标记为控制作用未清偿区段，并关联残留物理作用片段、接替无人设备及任务执行顺序，生成控制作用约束关联数据。

30、可选的，所述接续任务片段划分包括：

31、接续约束特征提取：基于所述控制作用约束关联数据，提取各待执行任务片段对应的残留物理作用空间区域、残留物理作用持续阶段以及接替无人设备进入条件，并建立任务片段与残留物理作用之间的约束关系，其中，所述接替无人设备进入条件包括空间进入范围、进入时间要求及残留作用消退要求，生成任务接续约束特征；

32、任务接续类型判定：基于所述任务接续约束特征，根据任务区域与残留物理作用空间区域的空间关联程度、任务时间窗口与残留物理作用持续阶段的时间关联程度以及接替无人设备进入条件满足程度，计算各待执行任务片段对应的接续约束程度，当接续约束程度达到或超过所述禁止接续约束阈值，且接替无人设备未满足最低进入条件时，将对应任务片段划分为禁止接续任务片段，当接续约束程度处于所述条件接续约束阈值与禁止接续约束阈值之间，且接替无人设备满足最低进入条件时，将对应任务片段划分为条件接续任务片段，当接续约束程度低于所述条件接续约束阈值，且任务区域与残留物理作用空间区域不存在有效关联、任务时间窗口与残留物理作用持续阶段不存在有效重叠时，将对应任务片段划分为直接接续任务片段，所述最低进入条件包括接替无人设备空间占用区域未进入残留物理作用空间区域、接替无人设备进入时刻晚于残留物理作用持续阶段结束时刻，以及残留物理作用强度低于残留判定阈值并持续达到残留消退持续时间阈值；

33、接续片段分类生成：基于所述任务接续类型判定的结果，对待执行集群任务中的各任务片段进行分类标记，将禁止接续任务片段、条件接续任务片段和直接接续任务片段分别关联对应的残留物理作用片段、残留物理作用空间区域及接替无人设备进入条件，形成任务接续片段集合。

34、可选的，所述相位锁定协同控制模块包括：

35、相位任务划分：基于所述控制权接续边界图，根据任务片段节点之间的接续关系、约束关系以及控制权迁移顺序，将待执行集群任务划分为多个连续协同控制相位，其中，每个协同控制相位对应一个或多个任务片段节点，并关联对应任务区域、执行顺序及控制权迁移关系，形成协同控制相位集合；

36、相位权限配置：基于所述协同控制相位集合，为各协同控制相位配置责任无人设备、前序物理作用解除条件及允许执行动作，其中，责任无人设备根据任务片段对应的目标无人设备确定，前序物理作用解除条件根据控制权接续边界图中的残留物理作用约束关系确定，包括残留物理作用空间区域释放、残留物理作用持续阶段结束及残留作用消退要求满足条件，允许执行动作根据对应任务片段的任务类型确定，生成相位权限配置数据；

37、相位锁定控制权包生成：基于所述相位权限配置数据，将各协同控制相位对应的责任无人设备、前序物理作用解除条件、允许执行动作及控制权释放条件进行关联封装，生成相位锁定控制权包，其中，责任无人设备仅在满足对应协同控制相位的前序物理作用解除条件后获得当前相位执行权限，并在完成当前协同控制相位对应任务片段后释放执行权限。

38、可选的，所述相位权限配置包括：

39、责任设备配置：基于所述协同控制相位集合，获取各协同控制相位对应的任务片段节点及目标无人设备，并根据任务片段执行对象确定对应责任无人设备，将责任无人设备标识与对应协同控制相位进行绑定，形成责任设备配置数据，其中，所述责任无人设备用于在满足当前协同控制相位的前序物理作用解除条件后获得对应任务片段的执行权限；

40、解除条件配置：基于所述控制权接续边界图中的残留物理作用约束关系，提取各协同控制相位执行前对应的前序物理作用约束信息，并配置对应前序物理作用解除条件，其中，所述前序物理作用解除条件包括残留物理作用空间区域释放条件、残留物理作用持续阶段结束条件及残留作用消退条件，用于限定责任无人设备取得当前协同控制相位执行权限的触发条件，所述残留物理作用空间区域释放条件表示责任无人设备空间占用区域与前序残留物理作用空间区域不存在交叠关系，所述残留物理作用持续阶段结束条件表示当前时间已超过对应残留物理作用持续阶段结束时刻，所述残留作用消退条件表示残留物理作用强度低于残留判定阈值并持续达到残留消退持续时间阈值；

41、执行动作关联：基于所述责任设备配置数据和前序物理作用解除条件，根据各协同控制相位对应任务片段的任务类型确定允许执行动作，并将责任无人设备、前序物理作用解除条件及允许执行动作进行关联封装，生成相位权限配置数据，其中，所述允许执行动作包括任务启动、任务保持、任务迁移及任务结束动作。

42、本发明的有益效果：

43、本发明，通过构建残留物理作用解析模块，对无人设备集群历史控制指令结束后的运动惯性、制动延迟、载荷延迟释放、机械振动、尾流扰动及空间占用等持续性物理影响进行识别，并结合设备运动状态、执行机构状态、载荷作用状态、环境扰动状态及设备间相对空间关系生成集群控制作用残留图谱，实现了对传统控制过程结束后隐性残留影响的持续感知与空间化描述，避免了现有无人设备集群协同控制中仅依据当前设备状态进行任务调度而忽略历史控制动作残留导致的控制冲突问题，提高了集群任务执行过程中的状态认知完整性。

44、本发明，通过基于集群控制作用残留图谱构建控制权接续边界图，将待执行集群任务与残留物理作用的空间区域和持续阶段进行关联分析，识别历史控制动作仍对接替无人设备产生约束的控制作用未清偿区段，并根据残留物理作用影响程度将任务划分为禁止接续任务片段、条件接续任务片段和直接接续任务片段，实现了对无人设备控制权迁移过程的边界化约束，能够降低因残留物理作用未消退导致的设备碰撞、任务干扰及控制权异常切换风险。

45、本发明，通过构建相位锁定协同控制模块，将控制权接续边界转换为多个协同控制相位，并为各协同控制相位配置责任无人设备、前序物理作用解除条件及允许执行动作，生成相位锁定控制权包，使责任无人设备仅在满足对应残留物理作用解除条件后取得执行权限，并在完成当前协同控制相位后按照控制权接续边界释放权限，实现了面向无人设备集群连续任务过程的阶段化控制权迁移，提高了复杂动态环境下无人设备集群协同执行的稳定性、安全性及任务连续性。