基于协商共识的集群四旋翼无人机任务规划方法与流程

技术特征：
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,...,u
m
}，每个任务u
k
(k表示任务标号)都具有最早可执行时间t
k,start
，最晚可执行时间t
k,end
，执行所需时间t
k,spend
，需要无人机的数量n
k
，最高奖励r
k,max
，任务实际奖励r
k
随时间的推移而逐渐降低，奖励r
k
与实际执行时间t的关系如下：其中，f
k
(t)≤0是单调递减的连续函数，且满足f
k
(t
k,start
)＝0，f
k
(t
k,end
)＝-r
k,max
对于一组四旋翼无人机v＝{v1,v2,...,v
n
}，其中v表示无人机组，v
i
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v
i
当前的任务路径为u
i
，对于存在其任务路径的补集中的任务u
k
，如果将任务u
k
放至当前任务路径u
i
中的位置q时，以表示，任务u
k
的奖励为r
ikq
，计算由该任务所引起的里程成本变化c
ikq
：其中，c
i
表示由无人机从初始位置按照任务路径u
i
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u
k
后得到的新任务路径所需要的总路程；假设无人机v
i
的速度为s，用c
i
→
k
表示由无人机从初始位置按照任务路径u
i
依次执行任务至新任务u
k
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v
i
执行任务u
k
的时间t
ik
和实际任务奖励r
ik
p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
任务做出惩罚p
ik
：其中，表示添加任务u
k
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v
i
所能获得的收益为y
ik
q：y
ikq
＝r
ikq-c
ikq-p
ik (5)记收益最大值为y
ik
，取得最大收益的任务u
k
的位置为q
ik
，假设u
k
需要无人机的数量为n
k
，对无人机v
i
已知的其余各架无人机可利用任务u
k
获得的收益按降序排列，记序列中位于第n
k
个的无人机为v
j
，称该无人机v
j
为最小满足收益无人机υ
ik
，并称其收益y
jk
为最小满足收益，记作λ
ik
，如果满足条件y
ikp
＞y
jk
或y
ikq
＝y
jk
(i<j)，则称任务u
k
可由无人机v
i
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v
i
执行的任务中可获得收益最高的任务实际添加至无人机v
i
的当前路径u
i
中的相应位置处，得到新的任务路径u
i
′
：然后，对新路径中位于其余位置的任务u
l
收益进行更新：r
il
＝r
l
(t
il
),c
il
＝c
i-c
i
⊙
l
,y
il
＝r
il-c
il
ꢀꢀꢀ
(7)其中，c
i
⊙
l
表示从任务路径u
i
中剔除u
l
后无人机执行任务所需飞行的总路程。最后对中的其他任务进行相同操作。注意此时无人机v
i
的任务路径应为新的任务路径u
i
′
；集群无人机协商共识：对任务u
k
∈u，假设一架无人机v
i
已知各架无人机可利用u
k
获得的收益并按降序排列，u
k
所需无人机的数量n
k
，将前n
k
架无人机作为v
i
认定的任务获得者记作集合w
ik
，相应的收益集合记作b
ik
，集合内的元素数量以|
·
|表示，为方便分辨其他无人机v
j
是否是v
i
认定的任务u
k
的获得者，定义w
i
(j,k)如下：其中i,j分别为无人机v
i
与v
j
的标号，k为任务u
k
的标号。如果满足w
i
(j,k)＝1，则记v
j
的收益为b
i
(j,k)，如果b
i
(j,k)恰好是最小满足收益，则有最小满足收益无人机的标号υ
ik
＝j，最小满足收益λ
ik
＝b
i
(j,k)；能够与无人机v
i
进行通信协商的其他无人机称为无人机v
i
的邻居。假设无人机v
i
的邻居为无人机v
j
，利用无人机v
i
的更新迭代次数iter
i
来判断v
i
已知信息是否最新，协商过后无人机v
i
会将邻居的信息迭代次数iter
j
保存为iter
i
(j)：iter
i
(j)＝iter
j
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)取一任务u
k
∈u，对无人机v
i
认定的任一获胜者v
a
∈w
ik
，如果邻居v
j
的已知信息同无人机v
i
相比是更新的，即满足v
a
＝v
j
或iter
j
(a)＞iter
i
(a)，则：w
i
(a,k)＝w
j
(a,k),b
i
(a,k)＝b
j
(a,k)
ꢀꢀꢀꢀ
(10)如果对于邻居v
j
认定的任一获胜者v
b
∈w
jk
，而且邻居v
j
的具有更新的信息，即满足v
b
≠
v
i
且iter
j
(b)＞iter
i
(b)，并且w
i
(b,k)＝0，再进行如下判断：(1)如果无人机v
i
认定的获胜者的数量小于任务需求无人机数量，即|w
ik
|＜n
k
，则进行式(10)同样的操作；(2)如果无人机v
i
认定的获胜者的数量满足任务的无人机数量需求，并且v
b
的任务收益高于最小满足收益λ
ik
，即|w
ki
|≥
k
n且b
j
(b,k)＞λ
ik
，除式(10)外，还需进行如下操作：w
i
(υ
ik
,k)＝0,b
i
(υ
ik
,k)＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)其中，υ
ik
表示最小满足收益所对应的无人机的标号；对所有无人机进行上述操作实现协商，并遍历任务空间u，最后各无人机根据自己所获胜的任务在自身的任务路径中添加或删除相应任务；协商过程完成后，需要对无人机的信息迭代次数进行更新。对于无人机v
i
及其邻居v
j
而言，如果关于任一第三无人机v
a
的已知信息迭代次数，满足条件v
a
≠v
j
且iter
j
(a)＜iter
i
(a)或者v
a
＝v
i
，则：iter
j
(a)＝iter
i
(a)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)随着重复进行任务规划与协商过程，各无人机的已知信息会逐渐趋向于统一，判断达成共识的条件为，对u
k
∈u，满足：w
ik
＝w
jk
,b
ik
＝b
jk
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)集群无人机任务重规划：任务往往需要多架无人机来执行，令每x架无人机形成一个小队，将无人机队伍视为单个个体进行任务规划。对一个队伍而言，由于任务路径相同，只需要其中一架同其他队伍协商交流即可，以每个无人机小队中负责规划协商的无人机作为队长，假设无人机队伍的总能力值要求最少为d，而一个无人机队伍的总能力值为a，满足min{a}≥max{d}，即每个队伍中都可能存在着冗余无人机；队伍v
i
在飞行过程中会对途径地面进行探索，探索范围以队长v
i0
坐标为圆心，r为半径，得到发现新任务u
new
的条件是无人机v
i0
与任务u
new
的距离dist(u
new
,v
i0
)满足：dist(u
new
,v
i0
)≤r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)假设任务u
new
的无人机能力值需求为d
new
，发现该任务的队伍v
i
的总能力值为a
i
，其中i为无人机队伍标号，而该队伍无人机能力的最小值要求为d
i
，从队伍v
i
中选择冗余无人机组成新的队伍v
new
：(1)若满足a
i-d
i
≥d
new
，则从该队伍中选择出满足任务u
new
需求的最少冗余机，使得a
new
≥d
new
；(2)若a
i-d
i
＜d
new
，则从该队伍中选择所有冗余无人机组成新队伍v
new
，此时还不满足任务需求即a
new
＜d
new
，另向附近的队伍请求支援从中选择冗余无人机继续补充队伍v
new
，直至达到要求a
new
≥d
new
；(3)若a
i-d
i
＜d
new
且附近的队伍冗余机补充结果仍无法满足任务需求，则考虑将u
new
作为新任务加入到该队伍的任务路径u
i
中的某一位置q处得到新路径假设在位置某一q处添加任务u
new
得到的收益为调整位置q使得的最大值大于原收益y
i
，即加入该任务能提高原路径收益，则将任务u
new
置于该位置q处；否则，
将该任务放置队伍路径最末，即得新路径为另外，队伍v
i
在达到目标点后可能会发现预先已知的任务需求能力值发生变化或由于执行任务过程中失去部分队员，以至于无法满足任务需求a
i
＜d
new
，针对该任务需求，队伍v
i
需要向附近的队伍进行求助，调用其他队伍的冗余无人机补充v
i
，使得补充后能力值a
′
i
达到任务需求d
new
，即a
′
i
≥d
new
；当无人机队伍v
i
发生变化后需要对其进行更新：其中，v
i
∨v
j
表示向队伍v
i
中添加无人机v
j
，v
i
∧v
j
表示从队伍v
i
中移除成员v
j
，a
j
表示无人机v
j
的能力值。

技术总结
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。合。合。


技术研发人员：田栢苓 程浩 宗群
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2021.10.18
技术公布日：2022/1/14