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自主機(jī)器人近距離操作運(yùn)動(dòng)規(guī)劃體系

在研究自主運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題之前，首先需建立相對(duì)較為完整的自主運(yùn)動(dòng)規(guī)劃體系，再由該體系作為指導(dǎo)，對(duì)自主運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的各項(xiàng)具體問(wèn)題進(jìn)行深入研究。本節(jié)將根據(jù)自主機(jī)器人的思維方式、運(yùn)動(dòng)形式、任務(wù)行為等特點(diǎn)，建立與之相適應(yīng)的自主運(yùn)動(dòng)規(guī)劃體系。并按照機(jī)器人的數(shù)量與規(guī)模，將自主運(yùn)動(dòng)規(guī)劃分為單個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與多機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動(dòng)規(guī)劃兩類規(guī)劃體系。

單個(gè)自主機(jī)器人的規(guī)劃體系

運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)是自主控制系統(tǒng)中主控單元的核心部分，因此有必要先研究自主控制系統(tǒng)和其主控單元的體系結(jié)構(gòu)問(wèn)題。

自主控制技術(shù)研究至今，先后出現(xiàn)了多種體系結(jié)構(gòu)形式，目前被廣泛應(yīng)用于實(shí)踐的是分布式體系結(jié)構(gòu)，其各個(gè)功能模塊作為相對(duì)獨(dú)立的單元參與整個(gè)體系。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，基于多Agent的分布式體系結(jié)構(gòu)逐漸成為了主流，各功能模塊作為獨(dú)立的智能體參與整個(gè)自主控制過(guò)程，該體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用的基本形式如圖1所示。一方面，主控單元與測(cè)控介入處理、姿態(tài)控制系統(tǒng)、軌道控制系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、數(shù)傳、有效載荷控制等功能子系統(tǒng)相互獨(dú)立為智能體，由總線相連；另一方面，主控單元為整個(gè)系統(tǒng)提供整體規(guī)劃，以及協(xié)調(diào)、管理各子系統(tǒng)Agent的行為。測(cè)控介入處理Agent保證地面系統(tǒng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)任意層面的控制介入能力，可接受上行的使命級(jí)任務(wù)、具體的飛行規(guī)劃和底層的控制指令；各子系統(tǒng)Agent存儲(chǔ)本分系統(tǒng)的各種知識(shí)和控制算法，自主完成主控單元發(fā)送的任務(wù)規(guī)劃，并將執(zhí)行和本身的健康等信息傳回主控單元，作為主控單元Agent運(yùn)行管理和調(diào)整計(jì)劃的依據(jù)。

圖1 基于多Agent的分布式自主控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)基本形式示意圖

主控單元Agent采用主流的分層遞階式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)層次鮮明，并且十分利于實(shí)現(xiàn)，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。主控單元由任務(wù)生成與調(diào)度、運(yùn)動(dòng)行為規(guī)劃和控制指令生成三層基本結(jié)構(gòu)組成，由任務(wù)生成與調(diào)度層獲得基本的飛行任務(wù)，經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)行為規(guī)劃層獲得具體的行為規(guī)劃，再由控制指令生成層得到最終的模塊控制指令，發(fā)送給其它功能Agent。各功能Agent發(fā)送狀態(tài)信息給主控單元的狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)將任務(wù)執(zhí)行情況和子系統(tǒng)狀態(tài)反饋回任務(wù)生成與調(diào)度層，以便根據(jù)具體情況對(duì)任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃調(diào)整。當(dāng)遇到突發(fā)情況時(shí)，還可啟用重規(guī)劃模塊，它可根據(jù)當(dāng)時(shí)情況迅速做出反應(yīng)快速生成行為規(guī)劃，用以指導(dǎo)控制指令生成層得到緊急情況的控制指令。此外，地面控制系統(tǒng)在三個(gè)層次上都分別具有介入能力。圖2中，點(diǎn)劃線內(nèi)是主控單元全部模塊，虛線內(nèi)為運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)，包括運(yùn)動(dòng)行為規(guī)劃模塊和重規(guī)劃模塊，這也是運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)的主要功能。