帶任務(wù)時(shí)效性的多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃系統(tǒng)和方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提出了一種帶任務(wù)時(shí)效性的多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃系統(tǒng)和方法。系統(tǒng)包括：第一平臺(tái)和至少一個(gè)第二平臺(tái)，第一平臺(tái)根據(jù)改進(jìn)的蟻群優(yōu)化算法進(jìn)行多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃，為每個(gè)平臺(tái)生成對(duì)應(yīng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列；每個(gè)平臺(tái)依據(jù)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列生成路徑；當(dāng)?shù)谝黄脚_(tái)接收到每個(gè)平臺(tái)所生成的路徑，根據(jù)位姿信息，采用路徑避讓跟蹤算法使每個(gè)平臺(tái)在完成訪(fǎng)問(wèn)任務(wù)過(guò)程中避免碰撞。綜上所述，通過(guò)提出考慮任務(wù)時(shí)效性和路徑消耗的多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃系統(tǒng)及方法，有助于提高多平臺(tái)系統(tǒng)在完成帶有時(shí)效性的訪(fǎng)問(wèn)任務(wù)時(shí)的表現(xiàn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】帶任務(wù)時(shí)效性的多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃，尤其涉及一種考慮任務(wù)時(shí)效性與路徑消耗的多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自20世紀(jì)80年代末建立世界上首個(gè)基于多智能體的多平臺(tái)系統(tǒng)以來(lái)，多平臺(tái)系統(tǒng)的很多領(lǐng)域已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)，如多平臺(tái)任務(wù)分配、多平臺(tái)交互、群平臺(tái)等。與單個(gè)的平臺(tái)相比，多平臺(tái)系統(tǒng)具有空間上、時(shí)間上和功能上的分布性?xún)?yōu)勢(shì)；并且系統(tǒng)的魯棒性和可靠性更好，可以更加出色地完成遠(yuǎn)地作業(yè)、協(xié)助軍事行動(dòng)、協(xié)助震后搜索與營(yíng)救、自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)管理、清除危險(xiǎn)區(qū)域等任務(wù)。這里的平臺(tái)可以是指機(jī)器人、無(wú)人駕駛車(chē)、或其他可移動(dòng)的設(shè)備。因此，可以理解，多平臺(tái)系統(tǒng)可以是多機(jī)器人系統(tǒng)，也可以是由其他可移動(dòng)設(shè)備(例如，無(wú)人駕駛車(chē)等)組成的協(xié)作系統(tǒng)。
[0003]其中，為了解決多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃的問(wèn)題，現(xiàn)已提出各種多旅行商問(wèn)題(Multiple Traveling Salesman Problem,MTSP)方法?，F(xiàn)有的 MTSP 方法通常只考慮在多平臺(tái)系統(tǒng)訪(fǎng)問(wèn)任務(wù)中總的路徑消耗，而并沒(méi)有考慮由于任務(wù)中各個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)本身重要性不同而需要具有不同的時(shí)效性，這使得整個(gè)多平臺(tái)系統(tǒng)在執(zhí)行一些例如災(zāi)后救援、人流緊急疏散等帶有時(shí)效性特性的訪(fǎng)問(wèn)任務(wù)時(shí)表現(xiàn)得很糟糕。
[0004]這里，所謂的任務(wù)時(shí)效性是指目標(biāo)節(jié)點(diǎn)從任務(wù)開(kāi)始后到被訪(fǎng)問(wèn)到之前所等待的時(shí)間。顯然，重要目標(biāo)節(jié)點(diǎn)等待訪(fǎng)問(wèn)的時(shí)間應(yīng)該盡量少。但是，在以上根據(jù)MTSP方法進(jìn)行多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃中由于僅僅考慮總的路徑消耗，因此無(wú)法滿(mǎn)足目標(biāo)節(jié)點(diǎn)對(duì)任務(wù)時(shí)效性的要求。
[0005]此外，多平臺(tái)在任務(wù)訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程中存在發(fā)生碰撞的可能性。僅僅依靠平臺(tái)自身的避讓機(jī)制，很難保證多平臺(tái)系統(tǒng)的訪(fǎng)問(wèn)效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決帶有時(shí)效性特性的多目標(biāo)節(jié)點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種帶任務(wù)時(shí)效性的多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃系統(tǒng)和方法，在衡量訪(fǎng)問(wèn)任務(wù)完成質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)不再僅僅考慮整個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)的路徑消耗，還同時(shí)考量目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)時(shí)效性。
[0007]—方面，本發(fā)明提出了一種帶任務(wù)時(shí)效性的多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃系統(tǒng)，包括:第一平臺(tái)和至少一個(gè)第二平臺(tái)，其中:
[0008]所述第一平臺(tái)根據(jù)改進(jìn)的蟻群優(yōu)化算法進(jìn)行多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃，為所述第一平臺(tái)和所述至少一個(gè)第二平臺(tái)中的每個(gè)平臺(tái)生成對(duì)應(yīng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列，以便實(shí)現(xiàn)路徑消耗和任務(wù)時(shí)效性的優(yōu)化目標(biāo)；
[0009]所述第一平臺(tái)和所述至少一個(gè)第二平臺(tái)中的所述每個(gè)平臺(tái)依據(jù)所述對(duì)應(yīng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列、采用A*算法在膨脹的柵格地圖上生成路徑，并將所生成的路徑上報(bào)給所述第一平臺(tái)；[0010]當(dāng)所述第一平臺(tái)接收到所述每個(gè)平臺(tái)所生成的路徑，根據(jù)所述至少一個(gè)第二平臺(tái)中每個(gè)平臺(tái)上報(bào)的位姿信息，采用路徑避讓跟蹤算法使所述至少一個(gè)第二平臺(tái)中每個(gè)平臺(tái)在完成訪(fǎng)問(wèn)任務(wù)過(guò)程中避免碰撞。
[0011]進(jìn)一步地，所述第一平臺(tái)具有第一通信裝置、第一處理裝置和第一執(zhí)行裝置，所述至少一個(gè)第二平臺(tái)中的每一個(gè)具有第二通信裝置、第二處理裝置和第二執(zhí)行裝置，所述第一通信裝置與所述第一處理裝置電連接，所述第一處理裝置和所述第一執(zhí)行裝置電連接，所述第二通信裝置和所述第二處理裝置電連接，所述第二處理裝置和所述第二執(zhí)行裝置電連接，所述第一通信裝置與所述第二通信裝置通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行通信。
[0012]進(jìn)一步地，所述第一處理裝置依據(jù)獲取的全局環(huán)境信息及任務(wù)信息，基于改進(jìn)的蟻群優(yōu)化算法進(jìn)行多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃，為所述第一平臺(tái)和所述至少一個(gè)第二平臺(tái)中的每個(gè)平臺(tái)生成對(duì)應(yīng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列，其中所述全局環(huán)境信息包括所述第一平臺(tái)和至少一個(gè)第二平臺(tái)完成任務(wù)所在的全局地圖，所述任務(wù)信息包括各目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)及其權(quán)重值；所述第一通信裝置將所述對(duì)應(yīng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列發(fā)送給對(duì)應(yīng)的第二平臺(tái)的第二通信裝置。
[0013]進(jìn)一步地，基于改進(jìn)的蟻群優(yōu)化 算法進(jìn)行多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃，包括如下步驟:
[0014](b.1)計(jì)算啟發(fā)式值，其中啟發(fā)式值是指兩個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間距離值的倒數(shù)；
[0015](b.2)設(shè)置參數(shù)值:α、β、q、P、Q，其中，α為信息素值對(duì)螞蟻路徑選擇概率的影響程度，β為啟發(fā)式值對(duì)螞蟻路徑選擇概率的影響程度，q為權(quán)重調(diào)節(jié)系數(shù)，P為信息素?fù)]發(fā)系數(shù)，Q為信息素質(zhì)量系數(shù)；
[0016](b.3)將所有螞蟻均放置起始節(jié)點(diǎn)，各螞蟻根據(jù)概率公式，循環(huán)選取未訪(fǎng)問(wèn)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)集合中的一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為下一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，直到所有螞蟻均完成一次遍歷；
[0017](b.4)各螞蟻的遍歷結(jié)果生成相應(yīng)的路徑序列，即生成按順序被訪(fǎng)問(wèn)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列；
[0018](b.5)分別根據(jù)路徑消耗函數(shù)和時(shí)效性消耗函數(shù)計(jì)算各螞蟻的路徑消耗值與時(shí)效性消耗值；
[0019](b.6)更新信息素值，其中信息素值為螞蟻根據(jù)該路徑優(yōu)劣程度在當(dāng)前路徑上留下的信息素量；
[0020](b.7)判斷各螞蟻的遍歷次數(shù)是否達(dá)到要求，若是，轉(zhuǎn)入步驟(b.8)，若不是，轉(zhuǎn)入步驟(b.3)；
[0021](b.8)選出最優(yōu)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列，并將生成的最優(yōu)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列分別下發(fā)給各個(gè)相應(yīng)的平臺(tái)；
[0022]這里，概率公式為:
【權(quán)利要求】
1.一種帶任務(wù)時(shí)效性的多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃系統(tǒng)，其特征在于，包括:第一平臺(tái)和至少一個(gè)第二平臺(tái)，其中: 所述第一平臺(tái)根據(jù)改進(jìn)的蟻群優(yōu)化算法進(jìn)行多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃，為所述第一平臺(tái)和所述至少一個(gè)第二平臺(tái)中的每個(gè)平臺(tái)生成對(duì)應(yīng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列，以便實(shí)現(xiàn)路徑消耗和任務(wù)時(shí)效性的優(yōu)化目標(biāo)； 所述第一平臺(tái)和所述至少一個(gè)第二平臺(tái)中的所述每個(gè)平臺(tái)依據(jù)所述對(duì)應(yīng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列、采用A*算法在膨脹的柵格地圖上生成路徑，并將所生成的路徑上報(bào)給所述第一平臺(tái)； 當(dāng)所述第一平臺(tái)接收到所述每個(gè)平臺(tái)所生成的路徑，根據(jù)所述至少一個(gè)第二平臺(tái)中每個(gè)平臺(tái)上報(bào)的位姿信息，采用路徑避讓跟蹤算法使所述至少一個(gè)第二平臺(tái)中每個(gè)平臺(tái)在完成訪(fǎng)問(wèn)任務(wù)過(guò)程中避免碰撞。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃系統(tǒng)，其中所述第一平臺(tái)具有第一通信裝置、第一處理裝置和第一執(zhí)行裝置，所述至少一個(gè)第二平臺(tái)中的每一個(gè)具有第二通信裝置、第二處理裝置和第二執(zhí)行裝置，所述第一通信裝置與所述第一處理裝置電連接，所述第一處理裝置和所述第一執(zhí)行裝置電連接，所述第二通信裝置和所述第二處理裝置電連接，所述第二處理裝置和所述第二執(zhí)行裝置電連接，所述第一通信裝置與所述第二通信裝置通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃系統(tǒng)，其中 所述第一處理裝置依據(jù)獲取的全局環(huán)境信息及任務(wù)信息，基于改進(jìn)的蟻群優(yōu)化算法進(jìn)行多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃，為所述第一平臺(tái)和所述至少一個(gè)第二平臺(tái)中的每個(gè)平臺(tái)生成對(duì)應(yīng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列，其中所述全局環(huán)境信息包括所述第一平臺(tái)和至少一個(gè)第二平臺(tái)完成任務(wù)所在的全局地圖，所述任務(wù)信息包括各目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)及其權(quán)重值； 所述第一通信裝置將所述對(duì)應(yīng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列發(fā)送給對(duì)應(yīng)的第二平臺(tái)的第二通信裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃系統(tǒng)，其中基于改進(jìn)的蟻群優(yōu)化算法進(jìn)行多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃，包括如下步驟: (b.1)計(jì)算啟發(fā)式值，其中啟發(fā)式值是指兩個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間距離值的倒數(shù)； (b.2)設(shè)置參數(shù)值:α、β、q、P、Q，其中，α為信息素值對(duì)螞蟻路徑選擇概率的影響程度，β為啟發(fā)式值對(duì)螞蟻路徑選擇概率的影響程度，q為權(quán)重調(diào)節(jié)系數(shù)，P為信息素?fù)]發(fā)系數(shù)，Q為信息素質(zhì)量系數(shù)； (b.3)將所有螞蟻均放置起始節(jié)點(diǎn)，各螞蟻根據(jù)概率公式，循環(huán)選取未訪(fǎng)問(wèn)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)集合中的一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為下一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，直到所有螞蟻均完成一次遍歷； (b.4)各螞蟻的遍歷結(jié)果生成相應(yīng)的路徑序列，即生成按順序被訪(fǎng)問(wèn)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列； (b.5)分別根據(jù)路徑消耗函數(shù)和時(shí)效性消耗函數(shù)計(jì)算各螞蟻的路徑消耗值與時(shí)效性消耗值； (b.6)更新信息素值，其中所述信息素值為螞蟻根據(jù)該路徑優(yōu)劣程度在當(dāng)前路徑上留下的信息素量； (b.7)判斷各螞蟻的遍歷次數(shù)是否達(dá)到要求，若是，轉(zhuǎn)入步驟(b.8)，若不是，轉(zhuǎn)入步驟(b.3)； (b.8)選出最優(yōu)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列，并將生成的最優(yōu)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列分別下發(fā)給各個(gè)相應(yīng)的平臺(tái)；
這里，概率公式為:
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃系統(tǒng)，其中在每個(gè)第二平臺(tái)中，所述第二處理裝置從所述第二通信裝置獲取所述對(duì)應(yīng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列，采用A*算法在膨脹的柵格地圖上生成路徑，并將所生成的路徑提供給所述第二通信裝置；所述第二通信裝置將所述生成的路徑發(fā)送給所述第一通信裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃系統(tǒng)，其中 當(dāng)所述第一通信裝置接收到所述每個(gè)第二平臺(tái)的第二通信裝置發(fā)送的所述生成的路徑，所述第一處理裝置產(chǎn)生路徑跟蹤命令，并通過(guò)所述第一通信裝置發(fā)送給所述每個(gè)第二平臺(tái)的第二通信裝置，所述第一執(zhí)行裝置基于所述路徑跟蹤命令執(zhí)行路徑跟蹤，所述每個(gè)第二平臺(tái)的第二執(zhí)行裝置基于所述路徑跟蹤命令執(zhí)行路徑跟蹤； 對(duì)于所述每個(gè)第二平臺(tái)，所述第二處理裝置監(jiān)測(cè)所述第二執(zhí)行裝置的路徑跟蹤過(guò)程，并收集所述第二平臺(tái)的位姿信息，并通過(guò)所述第二通信裝置持續(xù)地發(fā)送給所述第一平臺(tái)的第一通信裝置； 當(dāng)所述第一處理裝置根據(jù)所述第一通信裝置接收到的位姿信息判斷存在兩個(gè)平臺(tái)會(huì)發(fā)生碰撞，則確定避讓平臺(tái)，并采用黑板機(jī)制與路徑避讓跟蹤算法確定所述避讓平臺(tái)的線(xiàn)速度V和轉(zhuǎn)速W。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃系統(tǒng)，其中所述確定避讓平臺(tái)，包括: 若所述兩個(gè)平臺(tái)均駛向碰撞點(diǎn)，則離碰撞點(diǎn)較遠(yuǎn)的平臺(tái)為避讓平臺(tái)；或者 若所述兩個(gè)平臺(tái)中的一個(gè)平臺(tái)駛向碰撞點(diǎn)，另一個(gè)駛離碰撞點(diǎn)，則駛向碰撞點(diǎn)的平臺(tái)為避讓平臺(tái)；或者 若所述兩個(gè)平臺(tái)均駛離碰撞點(diǎn)，則離碰撞點(diǎn)較近的平臺(tái)為避讓平臺(tái)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃系統(tǒng)，其中采用黑板機(jī)制與路徑避讓跟蹤算法確定所述避讓平臺(tái)的線(xiàn)速度V和轉(zhuǎn)速W，包括:
9.一種帶任務(wù)時(shí)效性的多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃方法，其特征在于，包括: 步驟SI，在任務(wù)開(kāi)始之前，在多平臺(tái)系統(tǒng)中確定第一平臺(tái)，為其加載全局環(huán)境信息及任務(wù)信息，其中所述全局環(huán)境信息為多平臺(tái)系統(tǒng)完成任務(wù)所在的全局地圖，所述任務(wù)信息包括各個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)及其權(quán)重值； 步驟S2，所述第一平臺(tái)采用改進(jìn)的蟻群優(yōu)化算法，基于路徑消耗和任務(wù)時(shí)效性?xún)蓚€(gè)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行多平臺(tái)協(xié)作路徑規(guī)劃，為各個(gè)第二平臺(tái)生成目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列； 步驟S3，所述第一平臺(tái)將生成的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列分別發(fā)送給各個(gè)相應(yīng)的第二平臺(tái)； 步驟S4，在接收到所述第一平臺(tái)發(fā)送的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列后，各第二平臺(tái)分別在膨脹的柵格地圖上，采用A*算法進(jìn)行目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列中相鄰目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的路徑生成，如果所生成的各條路徑均存在，則向所述第一平臺(tái)返回路徑最優(yōu)解； 步驟S5，當(dāng)所述第一平臺(tái)接收到全部第二平臺(tái)發(fā)送的路徑最優(yōu)解，則向各第二平臺(tái)發(fā)送路徑跟蹤命令，以便命令各第二平臺(tái)開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)，進(jìn)行路徑跟蹤； 步驟S6，在接收到所述第一平臺(tái)發(fā)送的路徑跟蹤命令后，各第二平臺(tái)進(jìn)行路徑跟蹤，并向所述第一平臺(tái)實(shí)時(shí)上傳各自的位姿信息； 步驟S7，根據(jù)接收到的各第二平臺(tái)的位姿信息，所述第一平臺(tái)采用路徑避讓跟蹤算法確定是否存在可能發(fā)生碰撞的平臺(tái)，若存在，則確定避讓平臺(tái)并向所述避讓平臺(tái)發(fā)送路徑避讓指令，以防止各個(gè)第二平臺(tái)之間的碰撞。
【文檔編號(hào)】G05D1/02GK103955221SQ201410185556
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年5月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月5日
【發(fā)明者】熊光明, 李曉蕓, 周帥, 龔建偉, 姜巖 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)