技术特征：
1.一种异构多无人系统分布式动态任务分配方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤s1、定义任务分配场景，设置任务分配问题的空间和时间限度信息；步骤s2、定义一个由n个异构无人系统组成的集合u＝[u1,u2,
…
,u
i
,
…
,u
n
]，一个由m个待完成任务组成的集合t＝[t1,t2,
…
,t
k
,
…
t
m
]；其中，各无人系统：拥有不同的初始位置ω
i
；拥有不同的平均行进速度v
i
；拥有不同的能耗限制，简化为不同的执行任务数量上限l
i
；拥有不同的无人系统类型，简化为一种类型的无人系统对应能完成一种或几种类型的任务，而其他类型的任务无法完成；拥有不同的可用时间表示为无人系统没有正在执行任务或其他不可用情况，可以开始执行任务的时间；各任务：拥有不同的任务位置θ
k
，拥有不同的任务开始时间t
k,start
，持续时间t
k,duration
和截止时间t
k,end
；拥有不同的任务完成成本c
k
，简化为某无人系统从初始位置出发，到达该任务位置并开始执行任务所需要耗费的时间成本；拥有不同的任务类型，简化为一种类型的任务需要由一种或几种类型的无人系统完成，而其他类型的无人系统无法完成；同时定义布尔矩阵h，反映无人系统类型与任务类型的适配性，当无人系统类型与任务类型适配时h＝1,h∈h，否则h＝0；步骤s3、各无人系统在任务分配时维护任务列表a
i
，其基数|a
i
|表示无人系统u
i
分配得到的待执行任务的数量，同时维护任务列表对应的成本列表c
i
，各已分配任务的成本可表示为c
i,k
(a
i
)，其意义是任务t
k
分配到无人系统u
i
的任务列表a
i
中，其由无人系统u
i
到达任务位置所需要的时间成本；定义任务分配问题的总目标为：各无人系统任务列表a
i
共同组成一个满足各类约束的任务分配方案，使得各无人系统对所执行的任务达成无冲突的共识，并最小化执行任务的平均成本平均成本其中，约束主要包括：无人系统任务列表中的任务数量不能超过其任务上限每个分配给无人系统的任务均应当在其截止时间前开始执行各任务不存在无人系统归属冲突问题另外，还存在弱约束其弱约束特性表现为：不能始终保证该约束成立，在一些场景中，在尽量多地将任务分配给无人系统的前提下，仍将存在一部分因为时间冲突或资源限制而无法分配的任务；除了任务列表a
i
和对应的成本列表c
i
外，各无人系统还维护已完成任务记录表p
i
，执行任务的实际成本列表ω
i
和分配过程记录表a
i
；各无人系统还维护移除任务性能影响rpi记录表γ
i
＝[w1,w2,
…
,w
k
,
…
,w
m
]，添加任务性能影响ipi记录表
任务待执行者记录表b
i
＝[β1,β2,
…
,β
k
,
…
,β
m
]和与其他无人系统最新协商时间记录表s
i
＝[s1,s2,
…
,s
j
,
…
,s
n
]；其中，移除任务性能影响记录表γ
i
中，w
k
表示任务t
k
从其已分配列表a
i
中执行移除操作后，对任务分配总成本降低的性能影响，表示为其计算方式为：其中，b表示t
k
在列表a
i
中所处的位置；添加任务性能影响记录表中，表示任务t
k
分配给无人系统j并对其任务列表a
j
执行添加操作后，对任务分配总成本增加的性能影响，表示为其计算方式为：其中，添加操作表示将任务t
k
添加到列表a
j
的第l个位置；任务待执行者记录表b
i
＝[β1,β2,
…
,β
k
,
…
,β
m
]表示无人系统u
i
记录的已分配任务t
k
的待执行者集合；最新协商时间记录表s
i
＝[s1,s2,
…
,s
j
,
…
,s
n
]表示无人系统u
i
记录的其最新一次与无人系统u
j
协商的时间集合；步骤s4、共识协商；各无人系统在通信拓扑的范围内向其他无人系统发送其移除任务性能影响记录表γ
i
，任务待执行者记录表b
i
，并在通信后即时更新最新协商时间记录表s
i
；各无人系统根据接收到的其他无人系统发送的信息对本地的移除任务性能影响记录表γ
i
，任务待执行者记录表b
i
进行更新维护；步骤s5、任务移除；各无人系统根据协商结果，将列表中协商后不由当前无人系统执行的任务组成临时待移除任务记录表d
i
＝[d1,d2,
…
]，逐个移除记录表d
i
中的任务；步骤s6、任务添加；各无人系统根据任务状态、任务适配性条件遍历所有可执行任务及任务列表a
i
中的所有可添加位置，根据式(6)计算添加任务性能影响记录表并确定各可行任务添加到任务列表的可行位置l；步骤s7、判断任务分配问题是否满足问题收敛条件，并且各无人系统已经达成共识，各任务列表a
i
共同组成无冲突的任务分配方案，若不满足，重复步骤s4-步骤s7，直到任务分配问题满足收敛条件为止，形成最终的任务分配方案；步骤s8、动态任务分配；若场景中存在动态更新的信息，定义场景中信息更新的时刻ψ，定义几类更新信息，包
括任务删除，任务更改，任务新增，无人系统退出，无人系统新增，并更新无人系统集合u和任务集合t，明确各任务的类型、状态与位置，各无人系统更新其分配过程记录表a
i
，确定其剩余可执行任务数量上限，确定信息更新时刻ψ无人系统的位置ω
i
和可用时间2.如权利要求1所述的异构多无人系统分布式动态任务分配方法，其特征在于，所述步骤s5包含：步骤s5.1、对记录表d
i
中的任务逐个移除，进行如下计算：其中，表示在此步骤中执行任务移除操作后根据式(5)重新计算的移除任务性能影响记录表，当z＞0时，确定最先移除的任务t
k
∈d
i
并执行移除操作将选定任务从任务列表a
i
和待移除任务记录表d
i
中移除；步骤s5.2、更新记录表和成本列表c
i
，重复步骤s5.1直到待移除任务记录表d
i
为空，或更新的经过式(7)计算后不再满足z＞0的移除判定条件；步骤s5.3、更新任务待执行者记录表b
i
，将d
i
中剩余任务的执行者重新设置为当前无人系统，并将更新后的记录表设置为任务移除阶段结束后的移除任务性能影响记录表γ
i
，即3.如权利要求2所述的异构多无人系统分布式动态任务分配方法，其特征在于，当某一任务从无人系统的列表中移除多次，且与其他与该任务相关的无人系统协商仍无法从达成共识时，则认为进入死锁状态；当死锁现象出现时，跳过步骤s5.1～步骤s5.3，直接执行步骤s5.4～步骤s5.5；步骤s5.4、无人系统不再逐个从临时待移除任务记录表d
i
中按照式(7)和移除判定条件逐个移除任务，而是将所有经协商后非当前无人系统执行的任务全部从任务列表中移除，执行操作，根据式(5)更新移除任务性能影响记录表γ
i
；步骤s5.5、各无人系统此时进行一次即时信息更新协商，各无人系统在通信拓扑的范围内向其他无人系统发送其移除任务性能影响记录表γ
i
，任务待执行者记录表b
i
；各无人系统根据接收到的其他无人系统发送的信息对本地的移除任务性能影响记录表γ
i
，任务待执行者记录表b
i
中的信息进行更新维护。4.如权利要求3所述的异构多无人系统分布式动态任务分配方法，其特征在于，更新维护移除任务性能影响记录表γ
i
和任务待执行者记录表b
i
的方法包含：根据记录的最新协商时间和各任务在不同无人系统列表中的移除性能影响差异，采用cbba算法的一致性协商规则，根据不同的判断条件，将移除任务性能影响记录表γ
i
，任务待执行者记录表b
i
中的信息执行更新、保留或者重置操作；更新：w
i,k
＝w
j,k
，β
i,k
＝β
j,k
，即无人系统u
i
在本地将任务t
k
的移除性能影响设置与无人系统u
j
发送的对应值，并将执行者设置为无人系统u
j
；保留：w
i,k
＝w
i,k
，β
i,k
＝β
i,k
，即无人系统u
i
在本地对任务t
k
的性能影响和执行者信息不
做更改；重置：无人系统u
i
在本地将任务t
k
的性能影响w
i,k
和执行者β
i,k
设置为初始默认值。5.如权利要求4所述的异构多无人系统分布式动态任务分配方法，其特征在于，所述步骤s6包含：步骤s6.1、将添加任务性能影响记录表与移除任务性能影响记录表γ
i
相比较，计算：以能产生最小的成本增加为准则，当q＞0时，执行添加操作将选定任务添加到任务列表a
i
中；步骤s6.2、根据式(6)更新添加任务性能影响记录表和成本列表c
i
，重复步骤s6.1直到任务列表中无法继续添加任务(|a
i
|＝l
i
)或更新的经过式(8)计算后不再满足q＞0的添加判定条件；步骤s6.3、任务添加阶段结束后，更新移除任务性能影响记录表γ
i
。6.如权利要求5所述的异构多无人系统分布式动态任务分配方法，其特征在于，所述步骤s8包含：各无人系统根据场景信息更新时刻ψ和其任务列表a
i
中的任务信息，确定其中已经完成的任务、待完成的任务和到达任务位置但实际未执行的任务，并更新实际成本列表ω
i
，计算各已完成任务和待完成任务的实际成本ω
i,k
；当任务t
k
位于列表首位时，其实际成本与估计成本相等，即ω
i,k
＝c
i,k
(a
i
)，否则，其中，p
i,r
为已完成任务记录表p
i
中确定任务是否完的布尔变量，在更新实际成本列表ω
i
时，如果任务信息发生变化，p
i,r
＝0，而当所有任务的实际成本计算完成后，如果ω
i,k
＞ψ，即任务实际没有开始执行时，p
i,r
＝0；利用两点欧式距离和平均行进速度进行计算的估计方法分情况计算无人系统当前位置ω
i
和可用时间若场景信息更新时刻ψ发生在列表中最后一个任务t
k
的实际成本时间之后，即ω
i,k
＜ψ，无人系统当前位置为任务t
k
的位置，即ω
i
＝θ
k
，最后一个任务t
k
对应的p
i,k
＝1，即该任务已经完成时，可用时间否则当p
i,k
＝0时，可用时间若场景信息更新时刻ψ发生在列表首个任务t
k
的实际成本时间之前，代表无人系统正在前往任务位置θ
k
的途中或在任务位置等待任务开始，此时，无人系统的行进时间τ表示为τ＝ψ，而从无人系统初始位置ω
i,pre
到达任务位置的总时间τ
*
表示为τ
*
＝eυ(θ
k
,ω
i,pre
)/v
i
，其中，eυ(
·
)表示两点的欧氏距离，则无人系统当前位置ω
i
＝ω
i,pre
+min(1，τ/τ
*
)
·
(θ
k-ω
i,pre
)，无人系统即时可用，可用时间
若场景信息更新时刻ψ发生在其他情形，其中，如果此时无人系统到达前一个任务t
k-1
位置的任务t
k-1
对应的p
i,k-1
＝0，代表其任务状态发生变化，无人系统正在前往任务位置θ
k
的途中或在任务位置等待任务开始，此时，无人系统的行进时间τ＝ψ-ω
i,k-1
，而从无人系统从前一个任务t
k-1
位置θ
k-1
到达任务t
k
位置θ
k
的总时间τ
*
表示为τ
*
＝eυ(θ
k
,θ
k-1
)/v
i
，无人系统当前位置ω
i
＝θ
k-1
+min(1，τ/τ
*
)
·
(θ
k-θ
k-1
)，无人系统即时可用，可用时间若前一个任务t
k-1
对应的p
i,k-1
＝1，则如果场景信息更新时刻ψ无人系统正在执行该任务，则其无人系统位置与当前执行任务位置相同，即ω
i
＝θ
k
，而无人系统非即时可用，当完成该任务后可用，可用时间ζ
i
＝ω
i,k-1
+t
k-1,duration
；若场景信息更新时刻ψ无人系统已经完成了任务t
k-1
，代表无人系统正在前往任务位置θ
k
的途中或在任务位置等待任务开始，此时，无人系统的行进时间τ＝ψ-(ω
i,k-1
+t
k-1,duration
)，而从无人系统从前一个任务t
k-1
位置θ
k-1
到达任务t
k
位置θ
k
的总时间τ
*
表示为τ
*
＝eυ(θ
k
,θ
k-1
)/v
i
，无人系统当前位置ω
i
＝θ
k-1
+min(1，τ/τ
*
)
·
(θ
k-θ
k-1
)，无人系统即时可用，可用时间7.如权利要求6所述的异构多无人系统分布式动态任务分配方法，其特征在于，各无人系统确定了当前位置ω
i
和可用时间并更新分配过程记录表a
i
后，即可重复步骤s4-步骤s7进行任务重分配；当在任务分配和执行过程中存在多次信息更新时，即场景信息更新时刻表示为ψ＝[ψ1,ψ2,
…
]，对于ψ中每一个信息更新时刻，重复步骤s4-步骤s8可多次进行任务重分配，实现任务动态分配。
技术总结
本发明公开一种异构多无人系统分布式动态任务分配方法，在基于一致性包算法(CBBA)和性能影响算法(PI)的基础上，在任务移除阶段出现死锁现象时，提出新增一种任务移除方式，在少量增加无人系统通信的情况下消除了任务陷入添加和移除的循环导致任务分配无法收敛的死锁现象；同时，针对任务分配执行过程中任务和无人系统的状态变化问题，提出在动态信息更新时刻更新无人系统当前位置和可用时间，使动态任务重分配可采用与初始分配相同的方法进行，无需面向重分配设计新的分配方法，保证本发明提出的分布式方法具备较强的应对动态任务分配问题的能力。务分配问题的能力。务分配问题的能力。
技术研发人员：宁雷 潘晓 宋婷 冯浩龙 韩飞
受保护的技术使用者：上海航天控制技术研究所
技术研发日：2022.12.19
技术公布日：2023/3/20