[发明专利]多智能体系统零空间行为控制动态任务优先级规划方法

说明书

本发明涉及一种多智能体系统零空间行为控制动态任务优先级规划方法，首先，通过零空间投影的方法，建立复合任务；其次，将动态任务优先级规划问题转化为一个切换模式最优控制问题；最后应用混合整数优化方法，求解该最优控制问题得到最优复合任务轨迹。此方法解决多智能体系统零空间行为控制动态任务优先级规划问题，该方法不需要人为的设定任务优先级的切换条件，从而减少了研究人员的工作量，并具有良好的可扩展性，能被应用于传统逻辑法难以处理的大数量任务优先级动态规划中。此外，该方法在任务优先级切换的过程中考虑了对智能体未来状态的预测信息，使得其相较于传统的逻辑方法具有更加理想的切换效果。

技术领域

本发明涉及智能机器人技术领域，特别是一种多智能体系统零空间行为控制动态任务优先级规划方法。

背景技术

由于多智能体系统具有自主性、容错性、灵活性和可扩展性及协作能力等特点，被广泛的应用于军事和民事领域。多自主移动机器人作为一种典型的多智能体系统通常需要在非结构化的环境中工作，并需要完成多个任务包括沿着预设轨迹移动，避开静态和动态的障碍物，保持队形和聚集等。然而，这些任务在被执行的过程中可能会发生冲突，比如一个自主移动机器人不能沿着预设轨迹移动，并同时避开预设轨迹上出现的障碍物。

行为控制作为解决任务冲突的方法之一，近十年来得到了广泛的研究。其是通过设置任务优先级并设计一个具有优先级任务的协同方案来解决任务之间的冲突。传统的行为控制方法主要包括分层控制方法(the layered control approach)和运动模式控制方法(the motor schema control approach)，其中分层控制方法是一种竞争方法，即在任务执行的过程中，只有高优先级的任务被执行，而低优先级的任务只有在高优先级的任务被完成后才能被执行；运动模式控制方法是一种协同方法，即所有任务的速度输出进行加权和作为最终的任务输出被执行，从而没有一个任务被完整的完成。之后，文献(G.Antonelliand S.Chiaverini,“Kinematic control of platoons of autonomous vehicles,”IEEETransactions on Robotics,vol.22,no.6,pp.1285–1292,2006.)提出了一种基于零空间的行为控制，此方法在保证高优先级任务被完全执行的情况下，将低优先级任务投影至高优先级任务的零空间，从而利用系统的冗余度来执行次优先级任务，若高优先级任务使用了系统全部的自由度，那么次优先级任务将不会被执行。因此，零空间行为控制在处理任务冲突方面具有良好的潜力。但是，任务的优先级是由任务的监管所决定，且通常提前设定好，不能在任务执行的过程中进行更改。这可能会降低零空间行为控制方法的控制性能，限制其在动态和未知环境中的应用。例如，当障碍物不存在时，将避障任务设定为最高优先级会影响其他任务的执行。

对此，研究人员已展开一定的研究。有限状态机是一种系统状态自动的根据状态转移触发条件从某一个状态转移到另外一个状态的状态转移机制。在零空间行为控制的框架下，其将不同任务优先级顺序隐含在每一个有限状态机的状态中，通过设计状态转移的触发条件，从而实现任务优先级的规划。此外，模糊逻辑法是通过设计一些模糊规则以实现任务优先级的规划。然而，这两种方法都需要人为的事先设计好任务优先级的切换规则，当任务的数量非常多或在动态且未知的环境中时，这是非常困难的，并且这两种方法都仅使用到自主机器人的当前状态信息，没有对未来的状态进行预测，从而降低了优先级切换的性能。

发明内容

有鉴于此，针对目前现有零空间行为控制优先级动态规划需要人事先设定优先级切换规则和难以处理大数量任务优先级动态规划的缺陷，本发明提供一种多智能体系统零空间行为控制动态任务优先级规划方法，将任务优先级动态规划问题转化为优化问题处理，并通过求解该优化问题得到最优的复合任务轨迹。

本发明采用以下方案实现：一种多智能体系统零空间行为控制动态任务优先级规划方法，包括以下步骤：