[发明专利]一种深空探测器自主任务规划时间约束几何处理方法

摘要

本发明涉及一种深空探测器自主任务规划时间约束几何处理方法，属于深空探测技术领域。本发明设计了一种验证时间约束一致性(活动变量值域能够满足所有约束)和约束几何处理方法，能够快速验证深空探测器规划过程中时间约束的一致性并处理时间约束，得到活动变量最终值域，弥补采用时间约束网处理大量活动变量时计算时间长的缺点。与基于时间约束网的时间处理方法相比较，解决同样的时间约束问题，计算时间短、效率高，更加适合实时性要求高的深空探测器。

主权项

一种深空探测器自主任务规划时间约束几何处理方法，其特征在于：具体实现步骤如下：步骤1，建立深空探测器时间规划问题模型；深空探测器时间规划问题由探测器系统状态集合、探测器可执行活动变量集合、活动间的约束集合、探测器初始状态以及目标状态组成，即V＝{v₁,v₂,...,v_m}；其中，V＝{v₁,v₂,...,v_m}为状态变量集合，且v∈D_v，D_v为探测器能达到的状态值域，m为状态变量的数量；O＝{o₁,o₂,...,o_n}为探测器可执行的活动变量集合，n为活动变量的数量，任意一个探测器活动o_x具有开始点s_x、结束点e_x、持续时间d_x，即o_x＝{s_x,e_x,d_x}；C为探测器活动间的约束集合，此处约束为两个活动间的时间约束，即C(o_x,o_y)＝"o_x Cons o_y"，o_x与o_y为活动间约束对，Cons为活动间约束关系；s_o为探测器初始状态，即当相对零点时，探测器状态变量都对应相应的值；g为目标状态，即探测器各个变量需要达到的值；步骤2，对步骤1中探测器活动变量及活动间的时间约束进行表示；在处理时间约束之前，需要对探测器活动变量及时间约束进行表示；1.对探测器活动变量及活动自身约束进行表示；设探测器活动变量集合O＝{o₁,o₂,...,o_n}中任意一个探测器活动o_x，且o_x＝{s_x,e_x,d_x}；将活动变量o_x在二维坐标系下进行表示：横坐标x为开始点，纵坐标y为结束点，y＝x+d_x与纵坐标交点的值为持续时间；对于探测器活动变量o_x＝{s_x,e_x,d_x}，自身约束为s_x∈[s1_x,s2_x]、e_x∈[e1_x,e2_x]和d_x∈[d1_x,d2_x]；其中，s1_x，s2_x为活动o_x开始点值域的下界和上界；e1_x，e2_x为活动o_x结束点值域的下界和上界；d1_x，d2_x为活动o_x持续时间值域的下界和上界；如果有相对零点，则s1_x≥s2_x≥0；s1_x＝s2_x时，表示开始点的值域只有一个时刻；同理e1_x≥e2_x≥0，d1_x≥d2_x≥0；2.对深空探测器活动间约束进行表示；设探测器两个活动变量o_x＝{s_x,e_x,d_x}和o_y＝{s_y,e_y,d_y}；活动间约束包括o_x开始点对o_y开始点的约束[ss1,ss2]，ss1，ss2为约束值域的下界和上界；o_x开始点对o_y结束点的约束[se1,se2]，se1，se2为约束值域的下界和上界；o_x结束点对o_y开始点的约束[es1,es2]，es1，es2为约束值域的下界和上界；o_x结束点点对o_y结束点的约束[ee1,ee2]，ee1，ee2为约束值域的下界和上界；ss1，ss2，se1，se2，es1，es2，ee1，ee2为任意实数；步骤3，根据探测器活动变量自身约束，对所有探测器活动变量值域进行自我削减；自我削减方法为：活动变量o_x＝{s_x,e_x,d_x}初始值域为s_x∈[s1_x,s2_x]、e_x∈[e1_x,e2_x]和d_x∈[d1_x,d2_x]；利用几何表示方法，二维坐标系下开始点值域范围界限为x＝s1_x与x＝s2_x，结束点值域范围界限为y＝e1_x与y＝e2_x，持续时间值域范围界限为y＝x+d1_x与y＝x+d2_x；六条直线相交于12个交点；从12个交点中挑选满足条件的交点：x∈[e1_x,e2_x]，y∈[e1_x,e2_x]，y∈[x+d1_x,x+d2_x]；剩余n个点，n≤12，其中任意一点表示为(x_n,y_n)；经自我削减后，探测器活动变量o_x值域为s_x∈[s1'_x,s2'_x]、e_x∈[e1'_x,e2'_x]和d_x∈[d1'_x,d2'_x]，其中，s1'_x＝min(x_n)，s2'_x＝max(x_n)，e1'_x＝min(y_n)，e2'_x＝max(y_n)，d1'_x＝min(y_n‑x_n)，d2'_x＝max(y_n‑x_n)；其中min表示最小值，max表示最大值；步骤4，从深空探测器活动间约束对中任意选择一对C(o_x,o_y)＝"o_xCons o_y"根据o_x值域和约束关系Cons推导o_y的值域；分别推导o_y的开始点值域、结束点值域和持续时间值域；步骤4.1，对于o_y的开始点值域[s1_y,s2_y]，o_x和约束[ss1,ss2]、[es1,es2]对[s1_y,s2_y]有影响；在坐标系中，为了两个约束同时满足，o_y的开始点可行区域Available_x＝[s1_x+ss1,s2_x+ss2]∩[e1_x+es1,e2_x+es2]   (1)如果交集为空，则表示没有值同时满足两个约束，整个时间约束处理过程结束，结论为时间约束不一致，即无法得到满足所有时间约束的活动值域；如果交集不为空，则进行步骤4.2；步骤4.2，对于o_y的结束点值域[e1_y,e2_y]，o_x和约束[se1,se2]和[ee1,ee2]对其有影响；在坐标系中，为了两个约束同时满足，o_y的结束点可行区域为Available_y＝[s1_x+se1,s2_x+se2]∩[e1_x+ee1,e2_x+ee2]   (2)如果交集为空，则表示没有值同时满足两个约束，整个时间约束处理过程结束，结论为时间约束不一致，即无法得到满足所有时间约束的活动值域；如果交集不为空，则进行步骤4.3；步骤4.3，对o_y的持续时间值域，由式(3)获得；Available_d＝d1∩d2∩d3∩d4   (3)其中，d1＝[se1‑ss2,se2‑ss1]，d2＝[ee1‑es2,ee2‑es1]，d3＝[d31,d32]，d4＝[d41,d42]；且d31＝min(d1_x‑ss1+ee1,d1_x‑ss1+ee2,d1_x‑ss2+ee1,d1_x‑ss2+ee2)，d32＝max(d2_x‑ss1+ee1,d2_x‑ss1+ee2,d2_x‑ss2+ee1,d2_x‑ss2+ee2)，d41＝min(‑d1_x‑es1+se1,‑d1_x‑es1+se2,‑d1_x‑es2+se1,‑d1_x‑es2+se2)，d42＝max(‑d2_x‑es1+se1,‑d2_x‑es1+se2,‑d2_x‑es2+se1,‑d2_x‑es2+se2)；min表示几个值中的最小值，max表示几个值中的最大值；根据式(1)‑(3)，得o_y最后可行值域Available＝Available_x∩Available_y∩Available_d   (4)如果交集为空，则表示没有值同时满足两个约束，整个时间约束处理过程结束，结论为时间约束不一致，即无法得到满足所有时间约束的活动值域；如果交集不为空，则进行步骤5；步骤5，步骤4中求出的o_y可行值域Available与o_y原值域s_y∈[s1_y,s2_y]，e_y∈[e1_y,e2_y]和d_y∈[d1_y,d2_y]进行几何相交；探测器活动o_y开始点新值域为Intersection_x＝Available_x∩[s1_y,s2_y]，探测器活动o_y结束点新值域为Intersection_y＝Available_y∩[e1_y,e2_y]，探测器活动o_y持续时间新值域为Intersection_d＝Available_d∩[d1_y,d2_y]；最终求得o_y新值域Intersection＝Intersection_x∩Intersection_y∩Intersection_d；如果交集为空，整个时间约束处理过程结束，结论为时间约束不一致，即无法得到满足所有时间约束的活动值域；如果交集不为空，则进行步骤6；步骤6，比较o_y新值域Intersection与原值域是否相同，若不同，则将与o_y相关的约束对再次加入到约束对集合C中；同时，将约束对C(o_x,o_y)＝"o_xCons o_y"从约束对集合C中删除；如果相同，则将约束对C(o_x,o_y)＝"o_xCons o_y"从约束对集合C中删除即可；步骤7，重复步骤4,、步骤5和步骤6，直到约束对集合C为空；如果步骤中4与步骤5中没有返回“时间约束不一致”结论，则表示深空探测器所有活动变量满足约束关系，时间约束一致，所有活动变量得到新值域；如果步骤4与步骤5中返回“时间约束不一致”结论，则表示深空探测器活动变量无法满足所有约束关系，所有活动变量无法得到新值域，时间规划结束。