基于谓词逻辑的月面巡视器任务规划方法研究

来源 :北京工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hong2007quan
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月面巡视器将是我国对地外星体表面开展探测工作的首个智能机器人。按照我国探月工程的实施计划,预计在2013年将实现探测器在月面的软着陆和对月面的巡视勘察。由于月面巡视器和地球测控站之间具备良好的对地通信条件,使得地面人员对巡视器的控制以地面遥操作为主。任务规划技术是地面遥操作系统中的一项关键技术,其目的是规划巡视器在月面的行为和动作序列,保证巡视器在满足月面环境约束及自身能力约束的前提下,安全有效地完成各种试验和科学探测目标。  由于巡视器及其月面环境的特殊性,现有的在其他领域中的任务规划技术无法直接应用在巡视器的控制上。首先,巡视器任务规划需要考虑的约束条件非常多,有能量约束、通信条件约束、光照条件约束、地形可通过性约束、机动性能约束、工作模式约束。其次,影响巡视器任务规划的的资源和因素非常复杂:既包含时间、能量等连续系统,又包含各种不同种类行为的离散事件,是一个时间非线性的规划问题。因此,开展巡视器任务规划技术的研究具有重大的意义。  本文从我国探月技术的实际需求出发,对巡视器任务规划方法进行了研究。具体研究内容如下:  (1)在任务规划的整体结构设计方面,本文提出一种三层规划结构体系,将任务规划问题分解为任务级规划、行为级规划、动作级规划,对复杂的约束条件进行分解处理。对每层结构的内容和要解决的问题进行了分析。  (2)针对月面环境的特殊性和复杂性,将影响月面工作的环境因素分为时不变因素和时变因素。其中,时不变因素主要指地形障碍,本文通过对三种不同种类的地形障碍对时不变因素进行了分析。时变因素主要是指光照地形阴影、通信地形阴影,这些因素的变化是由时间和星体之间的位置关系变化引起的。本文以时间为依据,对太阳光照阴影、通信地形阴影对时变环境的影响进行了分析。依据时不变因素和时变因素,实现了面向任务规划的环境建模方法,建立了巡视器的通行范围图和通行代价图。  (3)建立了巡视器相对于月面导航系下的坐标,和巡视器车体的向量,根据地形、巡视器的姿态,使用向量求解的方法对工作期间的时间消耗、能量消耗等问题进行了求解,包括行驶过程的能耗、行驶过程的时间消耗、行驶过程中获得的能量、太阳翼角度控制、充电过程的功率、充电航向角的控制、数传时通信桅杆角度的控制等。为任务规划过程中行为插入的代价值计算建立了求解模型。  (4)对于巡视器工作模式的规划问题,本文采用谓词逻辑的方法对行为进行推理,将约束的优先级分为高优先级约束和低优先级约束,对两种不同约束设计不同的推理方式。高优先级约束无条件执行相应行为,低优先级约束采用“假设检验”的方式进行推理,逻辑推理部分使用prolog语言完成。最后提出了一种“路径和行为同步规划”的任务规划方法,在VC6.0和prolog平台下对基于不同优化目标的实验进行了仿真。
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