CN107728643A - 一种动态环境下的无人机群分布式任务调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种动态环境下的无人机群分布式任务调度方法，旨在实现动态环境下无人机群摆脱地面控制站的限制，自主进行任务调度，并提高任务调度的实时性。实现步骤为：决策无人机向各集群无人机分配任务并发送执行指令；各集群无人机根据决策无人机发送的执行指令执行任务，并通过心跳机制与决策无人机进行通信；决策无人机对各集群无人机任务进行优化调度；各集群无人机根据各自的飞行路径执行重新确定的任务，并保持编队；决策无人机监控各集群无人机任务完成情况，当全部任务完成时，无人机群返航。本发明能够使无人机群针对动态环境的变化选择正确的调度方法，提高了任务调度实时性，使无人机群能够自主的执行任务。

Description

一种动态环境下的无人机群分布式任务调度方法

技术领域

本发明属于无人机技术领域，涉及一种动态环境下的无人机群分布式任务调度方法，可用于森林防火、电力巡检、环境监测、灾情巡查和防恐救生等领域。

背景技术

无人机作为现代高科技装备之一，其在军事和民用中的独特作用已经越来越受到重视，而无人机相关的技术在经历了几十年的发展和积累，也日趋成熟。随着无人机执行任务的环境日益复杂，任务类型日益多样，无人机已经开始从单架次独立任务的方式向着多架次、多类型的机群作战方向发展。相比单机***，无人机集群能够更好的发挥多个无人机的优势，任务处理的能力也更强。如何通过任务调度将多个任务分配给多架无人机并实现最佳的整体效能，是一个值得研究的问题。

目前多无人机任务调度研究大多关注集中式的预先调度，由地面控制站中的操作人员制定任务调度方案和无人机具体的飞行航路，无人机本身不具备决策能力，完全按照地面控制站发出的任务指令和航路执行任务。在无人机自主能力不断提高的趋势下，分布式调度成为无人机任务调度的一个重要发展方向。但对于任务执行过程中的动态调度，尤其是分布式动态任务调度缺乏研究。针对无人机群协同工作过程中的任务调度问题，研究分布式任务调度方法，以更高的效率实现动态环境下的多无人机任务调度是非常有必要的。

从现有公开的资料来看，针对无人机群的任务调度提出了一些方法。例如授权公告号为CN104615143B，名称为“无人机调度方法”的中国专利，公开了一种无人机调度方法，该方法包括以下步骤：无人机将其本身的身份ID、当前IP及当前飞行状态数据发送至服务器；服务器接收到所述身份ID、当前IP及当前飞行状态数据之后，根据身份ID、当前IP及当前飞行状态数据对相应的无人机的飞行状态进行实时监控，并根据预先设定的任务数据表生成执行任务指令，根据所述身份ID将该执行任务指令发送至相应的无人机；该任务数据表为身份ID、航点、航电类型及航点数据的关联步骤；无人机在接收到相应的执行任务指令之后，根据该执行任务指令执行相应的任务。该方法能对无人机群进行调度控制，但存在的不足之处是：1.该方法的无人机群在执行任务过程中需要与地面控制站通信，当无人机与地面站之间的数据通信中断时会直接导致任务的失败，不能实现无人机群自主的执行任务；2.由于环境的动态性和不确定性以及协同控制的复杂性，使得任务开始后会出现许多无法预料的情况，该方法无法针对这种动态情况实时的进行任务调度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种动态环境下的无人机群分布式任务调度方法，旨在实现动态环境下无人机群摆脱地面控制站的限制，自主进行任务调度，并提高任务调度的实时性。

本发明技术思路是：决策无人机作为分布式框架的主节点，负责监控整个无人机群并对集群无人机进行任务调度；集群无人机作为分布式框架的从节点，负责执行决策无人机发布的任务；决策无人机与集群无人机通过心跳机制进行通信，监控当前各集群无人机状态和任务情况是否发生变化；决策无人机能够根据监控的数据变化和环境态势做出相应的决策方案；决策无人机根据不同的决策方案将重新确定的任务和飞行路径分配给各集群无人机，重新进行任务调度。

根据上述技术思路，实现本发明目的采取的技术方案为：

一种动态环境下的无人机群分布式任务调度方法，通过作为分布式架构主节点的决策无人机和从节点的集群无人机实现，包括如下步骤：

(1)决策无人机向各集群无人机分配任务并发送执行指令：

(1a)决策无人机确定集群无人机状态，包括集群无人机的数量、各集群无人机飞行参数和续航能力；

(1b)决策无人机确定待执行任务情况，包括任务数目、任务目标位置和任务性质；

(1c)决策无人机根据集群无人机状态和待执行任务情况，向各集群无人机分配待执行任务，并发送执行指令；

(2)各集群无人机根据决策无人机发送的执行指令执行任务，并通过心跳机制与决策无人机进行通信，向决策无人机发送各自的飞行位置、续航能力和任务执行情况数据；

(3)决策无人机对各集群无人机任务进行优化调度：

(3a)决策无人机对集群无人机状态和任务执行情况进行实时监控，得到实时环境态势评估结果，并根据接收到的各集群无人机发送的数据和实时环境态势评估结果，判断是否进行任务优化调度，若是，执行步骤(3b)，否则各集群无人机按原执行指令继续执行任务；其中，决策无人机实时监控的各集群无人机状态和任务执行情况，包括各集群无人机飞行位置和续航能力，以及当前任务数目、任务目标位置和任务性质；

(3b)决策无人机根据监控到的当前各集群无人机状态和任务情况，制定不同决策方案：

当决策无人机监控到有集群无人机运行异常或者集群无人机续航能力无法支持其完成任务时，重新确定可以继续执行任务的集群无人机数目，并统计出现异常的集群无人机无法执行的任务，确定可以代替异常无人机执行任务的集群无人机；

当决策无人机监控到任务数目增加时，确定新出现的任务目标位置和有能力完成新任务的集群无人机；

当决策无人机监控到任务数目减少时，确定执行该任务的集群无人机，向该集群无人机发送暂停指令，集群无人机暂停执行该任务并等待接收新的任务指令；

(3c)决策无人机根据不同的决策方案，将重新确定的任务及其对应的飞行路径分配给各集群无人机；

(4)各集群无人机根据各自的飞行路径，执行重新确定的任务，并保持编队；

(5)决策无人机监控各集群无人机任务完成情况，当全部任务完成时，发送返航指令，无人机群降落到指定区域。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明使用决策无人机作为主节点，集群无人机作为从节点的无人机群分布式架构，决策无人机代替地面控制站，通过心跳机制与集群无人机进行通信，监控整个无人机群，能够快速的对任务信息进行收集和分析，得到解决任务调度问题的具体方案，实现无人机群自主任务调度，摆脱了地面控制站的限制。

2、本发明实现决策无人机监控各集群无人机飞行位置和续航能力，以及当前任务数目、任务目标位置和任务性质，根据环境态势和无人机群状态的变化制定不同的决策方案，能在动态环境下实时优化调度无人机群的任务，真正适应复杂的任务环境。

附图说明

图1为本发明适用的调度***的结构示意图；

图2为本发明的实现流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。

参照图1，本发明适用的调度***，包括决策无人机和多个集群无人机。

决策无人机包括通信模块、监控模块和任务调度模块。通信模块用于决策无人机与集群无人机之间传递信息，包括决策无人机发布的任务调度方案和规划的飞行路径、集群无人机任务执行情况、飞行位置信息、续航能力和采集的任务目标信息；监控模块用于收集通信模块获取到数据，监控各集群无人机状态和任务情况，包括各集群无人机飞行位置和续航能力、当前任务数目、任务目标位置和任务性质，判断当前各集群无人机状态和任务情况是否发生变化；任务调度模块用于根据监控模块收集的各集群无人机状态和任务情况，为集群无人机制定不同任务调度方案。

集群无人机包括通信模块、信息采集模块和任务执行模块。信息采集模块用于采集无人机飞行位置、续航能力和任务目标情况；任务执行模块用于接收决策无人机分配给各集群无人机的任务，并按照规划的飞行路径控制集群无人机执行任务。

参照图2、一种动态环境下的无人机群分布式任务调度方法，通过作为分布式架构主节点的决策无人机和从节点的集群无人机实现，包括如下步骤：

步骤1，决策无人机向各集群无人机分配任务并发送执行指令：

步骤1a，决策无人机确定集群无人机状态，包括集群无人机的数量、各集群无人机飞行参数和续航能力，其中无人机飞行参数包括无人机传输模块的信号质量、任务执行模块的反应速度、无人机飞行姿态和实时三维坐标位置；

步骤1b，决策无人机确定待执行任务情况，包括任务数目、任务目标位置和任务性质，任务目标位置通过经度、纬度和高度的三维变量来定位，通过任务性质可以确定无人机群执行的任务类型，如完成森林救火任务，起火点数目为任务数目，各起火点位置为任务目标位置，目标救援为任务性质；

步骤1c，决策无人机根据集群无人机状态和待执行任务情况，向各集群无人机分配待执行任务，并发送执行指令，决策无人机综合考虑集群无人机执行任务能力和续航能力，将具体的起火点目标通过通信模块分配给各集群无人机，并为各集群无人机规划飞行路径；

步骤2，各集群无人机的任务执行模块根据决策无人机发送的执行指令控制集群无人机执行任务，并通过心跳机制与决策无人机进行通信，向决策无人机发送各自的飞行位置、续航能力和任务执行情况；

步骤2a，各集群无人机在执行任务过程中每隔5秒通过通信模块向决策无人机发送一个数据包并等待决策无人机的返回数据，发送的数据包内的数据包括集群无人机的ID、当前飞行位置、续航能力和任务完成情况；

步骤2b，决策无人机对接收到的各集群无人机发送的数据包进行解析，监控模块得到各集群无人机发送的数据，确定各集群无人机状态，保证各集群无人机没有偏移预定飞行路径，并通过通信模块向各集群无人机回复一个相应的数据包，决策无人机进行任务调度时回复的数据包的数据包括为集群无人机分配的任务和规划的飞行路径和环境态势信息，如果决策无人机在15秒内没有收到来自某一集群无人机发送的数据包，决策无人机将视为与该集群无人机断开连接；

步骤2c，各集群无人机接收决策无人机回复的数据包，完成一次心跳通信，通过心跳机制可以保证决策无人机与各集群无人机保持通信，能够实时监控各集群无人机，确保任务顺利执行并能在发生异常情况进行新的任务调度；

步骤3，决策无人机对各集群无人机任务进行优化调度：

步骤3a，决策无人机对集群无人机状态和任务执行情况进行实时监控，得到实时环境态势评估结果，并根据接收到的各集群无人机发送的数据和实时环境态势评估结果，判断是否进行任务优化调度，若是，执行步骤(3b)，否则各集群无人机按原执行指令继续执行任务；其中，决策无人机实时监控的各集群无人机状态和任务执行情况，包括各集群无人机飞行位置和续航能力，以及当前任务数目、任务目标位置和任务性质：

步骤3a1，决策无人机整理各集群无人机发送的各自的飞行位置、续航能力和任务执行情况数据，并清洗其中的冲突数据和无效数据，得到有效数据；

步骤3a2，决策无人机根据得到的有效数据形成跟踪视图，并利用形成的跟踪视图对各集群无人机有效覆盖范围、通视性和机动性进行评估，得到实时任务环境态势信息；

步骤3a3，决策无人机根据实时任务环境态势信息，对环境潜在威胁和任务目标紧急程度进行评估，得到实时任务环境态势评估结果；

步骤3b，决策无人机的任务调度模块根据监控到发生变化的当前各集群无人机状态和任务情况，制定不同决策方案：

当决策无人机监控到有集群无人机运行异常或者集群无人机续航能力无法支持其完成任务时，任务调度模块重新确定可以继续执行任务的无人机数目，并统计出现异常的集群无人机无法执行的任务，确定可以代替异常无人机执行任务的集群无人机，集群无人机在任务执行期间可能发生意外情况导致无人机飞行故障、与决策无人机失去通信联系或者因电池电量问题导致无法继续完成任务，决策无人机需要重新统计集群无人机并调度任务；

当决策无人机监控到任务数目增加时，任务调度模块确定新出现的任务目标位置和有能力完成新任务的集群无人机，在无人机群执行森林救火任务过程中，可能会出现新的起火点，决策无人机通过通信模块从集群无人机获取新的起火目标点位置，并根据目前各集群无人机剩余续航能力和状态确定能完成新灭火任务的集群无人机；

当决策无人机监控到任务数目减少时，任务调度模块确定执行该任务的集群无人机，向该集群无人机发送暂停指令，集群无人机暂停执行该任务并等待接收新的任务指令，在无人机群执行森林救火任务过程中，如出现目标起火点熄灭的情况，前往该目标位置的集群无人机就无法继续该任务，决策无人机需要向该集群无人机发送暂停指令并为其分配新的任务；

步骤3c，决策无人机的任务调度模块根据不同的决策方案将重新确定的任务和飞行路径通过通信模块分配给各集群无人机，同时估计各集群无人机完成任务所需的时间；

步骤4，各集群无人机根据各自的飞行路径，执行重新确定的任务，并保持编队，包括飞行中编队保持，或不同编队形态的切换，或保持编队形态不变条件下控制编队扩张、收缩和转向；

步骤5，决策无人机的监控模块监控各集群无人机任务完成情况，当全部任务完成时，发送返航指令，无人机群降落到指定区域。

Claims (6)

1.一种动态环境下的无人机群分布式任务调度方法，其特征在于，通过作为分布式架构主节点的决策无人机和从节点的集群无人机实现，包括如下步骤：

(1)决策无人机向各集群无人机分配任务并发送执行指令：

(1a)决策无人机确定集群无人机状态，包括集群无人机的数量、各集群无人机飞行参数和续航能力；

(1b)决策无人机确定待执行任务情况，包括任务数目、任务目标位置和任务性质；

(1c)决策无人机根据集群无人机状态和待执行任务情况，向各集群无人机分配待执行任务，并发送执行指令；

(2)各集群无人机根据决策无人机发送的执行指令执行任务，并通过心跳机制与决策无人机进行通信，向决策无人机发送各自的飞行位置、续航能力和任务执行情况数据；

(3)决策无人机对各集群无人机任务进行优化调度：

(3a)决策无人机对集群无人机状态和任务执行情况进行实时监控，得到实时环境态势评估结果，并根据接收到的各集群无人机发送的数据和实时环境态势评估结果，判断是否进行任务优化调度，若是，执行步骤(3b)，否则各集群无人机按原执行指令继续执行任务；其中，决策无人机实时监控的各集群无人机状态和任务执行情况，包括各集群无人机飞行位置和续航能力，以及当前任务数目、任务目标位置和任务性质；

(3b)决策无人机根据监控到的当前各集群无人机状态和任务情况，制定不同决策方案：

当决策无人机监控到有集群无人机运行异常或者集群无人机续航能力无法支持其完成任务时，重新确定可以继续执行任务的集群无人机数目，并统计出现异常的集群无人机无法执行的任务，确定可以代替异常无人机执行任务的集群无人机；

当决策无人机监控到任务数目增加时，确定新出现的任务目标位置和有能力完成新任务的集群无人机；

当决策无人机监控到任务数目减少时，确定执行该任务的集群无人机，向该集群无人机发送暂停指令，集群无人机暂停执行该任务并等待接收新的任务指令；

(3c)决策无人机根据不同的决策方案，将重新确定的任务及其对应的飞行路径分配给各集群无人机；

(4)各集群无人机根据各自的飞行路径，执行重新确定的任务，并保持编队；

(5)决策无人机监控各集群无人机任务完成情况，当全部任务完成时，发送返航指令，无人机群降落到指定区域。

2.根据权利要求1所述的一种动态环境下的无人机群分布式任务调度方法，其特征在于，步骤(2)中所述的各集群无人机根据决策无人机发送的执行指令执行任务，并通过心跳机制与决策无人机进行通信，实现步骤为：

(2a)各集群无人机每隔一段时间向决策无人机发送一个数据包并等待决策无人机的返回数据，发送的数据包内的数据包括集群无人机的ID、当前飞行位置、续航能力和任务完成情况；

(2b)决策无人机对接收到的各集群无人机发送的数据包进行解析，得到各集群无人机发送的数据并向各集群无人机回复一个相应的数据包，回复的数据包的数据包括为集群无人机分配的任务、规划的飞行路径和环境态势信息；

(2c)各集群无人机接收决策无人机回复的数据包，完成一次心跳通信。

3.根据权利要求1所述的一种动态环境下的无人机群分布式任务调度方法，其特征在于，步骤(1a)中所述的各集群无人机飞行参数，包括各集群无人机传输模块的信号质量、任务执行模块的反应速度、无人机飞行姿态和实时三维坐标位置。

4.根据权利要求1所述的一种动态环境下的无人机群分布式任务调度方法，其特征在于，步骤(3a)中所述的决策无人机对集群无人机状态和任务执行情况进行实时监控，得到实时环境态势评估结果，实现步骤为：

(3a1)决策无人机整理各集群无人机发送的各自的飞行位置、续航能力和任务执行情况数据，并清洗其中的冲突数据和无效数据，得到有效数据；

(3a2)决策无人机根据得到的有效数据形成跟踪视图，并利用形成的跟踪视图对各集群无人机有效覆盖范围、通视性和机动性进行评估，得到实时任务环境态势信息；

(3a3)决策无人机根据实时任务环境态势信息，对环境潜在威胁和任务目标紧急程度进行评估，得到实时任务环境态势评估结果。

5.根据权利要求1所述的一种动态环境下的无人机群分布式任务调度方法，其特征在于，步骤(1b)中所述的任务性质，包括巡航、目标侦察、干扰与反干扰和目标救援。

6.根据权利要求1所述的一种动态环境下的无人机群分布式任务调度方法，其特征在于，步骤(4)中所述的保持编队，是指飞行中编队保持，或不同编队形态的切换，或保持编队形态不变条件下控制编队扩张、收缩和转向。