[发明专利]一种约束条件下基于合同网的多UUV系统协商合作建模方法

说明书

本发明属于水下无人系统建模与仿真领域，具体涉及一种约束条件下基于合同网的多UUV系统协商合作建模方法，本发明的方法具体定义离散型的基本行为动作航行巡逻、感知探测和趋向目标，在此基础上定义了自身健康状态、电池能源状态、水下探测范围约束条件，并设计面向约束条件的投标逻辑控制决策模型，进而形成了以招标者为虚拟中央节点，中标者为跟随节点的局部网络，满足分布式结构下多UUV系统对对敌方目标围捕作业的协调与合作。本发明的方法能有效减少无效投标者参与局部网络LN的形成，保证任务协商的质量和效率。

技术领域

本发明涉及水下无人系统建模与仿真领域，具体为一种约束条件下基于合同网的多UUV系统协商合作建模方法。

背景技术

海洋作为人类生存的战略空间蕴藏着丰富的资源，已成为世界各国发展海洋经济、创新海洋装备、维护海洋权益和开展国际合作的重要场所。作为认识、探索、开发和利用海洋的重要手段，多UUV(无人水下航行器)系统不仅突破单UUV携带能源和个体能力的制约，还可以实现约束条件下大范围水下空间探测、识别与通信等功能，广泛应用于海洋环境监测、海底石油勘探、水下空间搜救和水下无人作战等民用和军事领域。如何高质量和高效率的完成这些作业使命，多UUV之间的协商合作建模就显得非常重要，这是因为协商合作建模主要解决任务分解、分配、资源冲突以及优化整个系统的行为等问题。

多UUV系统具有自主性、交互性和协作性等特点，可以将其类比于一个多智能体(Multi-Agents,MAS)系统，因此借鉴成熟的MAS建模理论来解决多UUV系统所面临的协商合作建模问题。MAS协调与合作是其建模研究的核心问题，产生于Agent、信息、资源、环境的分布特性以及它们之间交互关系，主要研究多Agent之间及Agent与环境之间如何协商与合作，以实现整体效能最优。目前，多Agent协调与合作研究已成为国内外分布式人工智能领域研究的焦点，相继涌现出如黑板模型、基于对策论的协商、通用部分全局规划和合同网协议等为典型代表的方法和模型。

合同网(Contract Net Protocol,CNP)是由Smith和Davis在分布式问题求解过程中提出的方法，其基本原理是Agent通过模拟经济行为中招标－投标－中标的市场竞争机制，以标值为纽带，将系统中的成员区分为管理者和合同者，其中管理者负责招标、评标和中标授权，并监视任务执行和处理执行结果；而合同者负责投标、接受任务合同和执行任务，标值为系统各平台间任务输入输出协调和分配的控制变量，通过对标值的调整得到任务分配的全局最优解。

目前，CNP被引入到多UUV系统协调与合作进行研究，并取得了一定的研究成果，如利用Simulink/Stateflow构建UUV群体协作合同网模型，或者建立了基于合同网的UUV编队多约束多目标任务规划数学模型。但是CNP在实际应用的过程中突现出的缺点和不足也不能忽视，主要表现在：(1)在协商过程中，通过一定的定量化指标，例如资源均衡度、最大效能等，将多UUV协商过程变换为数学的优化问题，往往忽略了UUV个体能源、探测范围等个体能力以及环境变化约束条件，没有认识到合同网模型是一个作为离散交互行为协调过程的本质；(2)合同网模型在协商过程中央UUV节点采用广播方式进行交互通信，如果协商失败可能会重新进行多次协商，容易造成网络负载过重，管理者和合同者决策负担加大，从而导致通信量成倍数增加，影响协商效率。为了克服以上缺点，因此希望开发出复杂约束条件下具有协商效率高的事件驱动型CNP模型，实现多UUV系统自组织完成对敌方目标的围捕。

发明内容

本发明的目的是：为了克服已有CNP模型在多UUV系统围捕敌方目标应用中出现的问题，本发明提出一种约束条件下基于扩展合同网的多UUV系统协商合作建模方法，实现对敌方入侵目标的围捕作业。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种约束条件下基于合同网的多UUV系统协商合作建模方法，包括以下步骤：

步骤1：初始化UUV基本行为动作及其相关参数