一种基于约束可满足技术的深空探测自主任务规划方法

摘要

本发明公开的一种基于约束可满足技术的深空探测自主任务规划方法，涉及深空探测自主任务规划方法，属于航空航天技术领域。本发明包括如下步骤：建立深空探测器系统模型；建立深空探测器约束模型；根据约束模型对深空探测器系统模型进行分层；规划任务初始化；在level层中选取活动单元

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于约束可满足技术的深空探测自主任务规划方法，属于航空航 天技术领域。

背景技术

在深空环境下，深空探测器根据空间环境的感知和认识及深空探测器本身的能力 和状态，利用计算机软件技术、人工智能技术等，依据一段时间内的任务目标，对若干可供 选择的动作及所提供的资源约束施行推理，自动地生成一组时间有序动作序列，称一个“规 划”(plan)，该规划一旦执行，便可以将探测器的状态成功转移到期望的目标状态。

目前NASA，ESA已经将自主规划技术成功的应用于深空探测器探测任务中。但是由 于近年来深空探测任务飞行距离越来越远，星上负载越发复杂，负载之间的复杂约束关系 以及超远距离探测所带来的新的通信、能源约束为深空探测自主规划技术带来了新的挑 战。

约束可满足技术作为人工智能领域中另一条处理约束的主要途径，因具有剪枝能 力强、处理效率高、能够解决复杂问题等特点在日常生产生活中都具有广泛的应用。采用约 束可满足技能解决规划问题也进行一定的探索，例如MCCooper,MdeRoquemaurel等人对 加权约束可满足规划的最优解问题进行了研究。R.Bartak在图规划的基础上对并行活动之 间的时间线进行了研究。在此基础上，Nina，Majid等人开发了基于并行规划的TCPP规划器。 该规划器采用状态转移图的结构，将规划问题转化为状态转移图并通过约束可满足技术进 行求解，当获得可行解后在状态转移图对应的节点上提取规划动作序列。

发明内容

针对深空探测器自主任务规划问题，本发明公开的一种基于约束可满足技术的深 空探测自主任务规划方法要解决的技术问题是，能够克服现有深空任务中约束复杂、约束 间耦合关系强等难点，提高深空探测器自主任务规划的效率，满足探测器实时性要求。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种基于约束可满足技术的深空探测自主任务规划方法，包括如 下步骤：

步骤1，建立深空探测器系统模型。

自主规划任务涉及到深空探测器系统模型SYS中的m个活动单元：

SYS＝{var₁,var₂,...var_i,...var_m},1≤i≤m

其中var_i代表深空探测器系统中第i个活动单元；

深空探测器系统活动状态指m个活动单元可能存在的状态集合，设第i个活动单元 的状态集合为表示第i个活动单元的n-1个可能的 状态，则整个探测器系统的状态集合为S_sys＝{D₁,D₂,...D_i,...D_m}；

步骤2，建立深空探测器约束模型。

深空探测器约束模型用一个四元组表示：

C＝(S₀,G,A,CAP)

其中，初始状态约束S₀表示深空探测器在规划前所处的状态；目标状态约束G对应 要完成的任务目标后，深空探测器系统预期应处于的状态，且G∈S_sys；动作约束A＝{A₁, A₂,...,A_i,...,A_m}代表深空探测器系统中m个活动单元能够执行的动作集合，其中 代表第i个活动单元能够执行的动作数，不同的活动单元对应不同的x值， 且在规划过程中，每个活动单元在同一时刻只执行一个动作，不同的活动单元之间的动作 具有并行性；能量约束CAP＝{cap₁,cap₂,...,cap_α}代表系统中存在的α个活动单元对能量 消耗的限制，其中cap_i∈(0,β),β∈(0,+∞)不同的活动单元对应不同的β值；

步骤3，根据步骤2中的约束模型对步骤1中的深空探测器系统模型进行分层。

定义层值k＝m，因此深空探测器系统模型SYS转化为多层系统SYS＝{sys¹, sys²,...,sys^k}，每层的变量分别为：1≤i≤k，同时定义变量 level代表当前的层数；

步骤4，规划任务初始化。

第一次进行活动单元选取时，输入为深空探测器系统模型的当前状态约束S₀，目 标状态约束G，以及当前层数level＝1；

步骤5，在level层中选取活动单元在活动单元对应的状态集合D_i中选择状态并对活动单元进行赋值。

步骤6，对活动单元约束进行一致性检查。

判断该活动单元是否满足步骤2深空探测器约束模型约束集C中的相关约束，如果 不满足，在D_i中重新挑选状态进行赋值判断；如满足，重复执行步骤5直到level层中所有活 动单元全部完成赋值；

步骤7，完成步骤6后，令level＝level+1，重复执行步骤5-6，直到深空探测器系统 模型SYS中所有活动单元完成赋值，检查步骤2深空探测器约束模型约束集C中是否全部约 束得到满足；若步骤2深空探测器约束模型约束集C中仍存在不满足的约束，令k＝k+1，返回 步骤4循环，直到步骤2深空探测器约束模型约束集C中全部约束得到满足，即深空探测器系 统模型SYS中所有活动单元完成赋值，其赋值结果即为深空探测器自主任务规划结果，完成 自主任务规划。

有益效果：

1、本发明公开的一种基于约束可满足技术的深空探测自主任务规划方法，通过步 骤3对深空探测器系统模型进行分层处理，对深空探测器系统模型间的约束关系进行解耦， 在步骤7中对活动单元逐层处理，能够降低约束处理过程中的复杂度，即实现克服现有深空 任务中约束复杂、约束间耦合关系强等难点。

2、本发明公开的一种基于约束可满足技术的深空探测自主任务规划方法，通过步 骤6中对活动单元约束进行一致性检查，在处理过程中能够削减规划的搜索空间。

3、本发明公开的一种基于约束可满足技术的深空探测自主任务规划方法，对深空 探测器系统模型进行分层处理，对深空探测器系统模型间的约束关系进行解耦，简化耦合 关系，提高规划的搜索效率；还通过活动单元逐层处理，即活动单元选取时，无需对全部活 动单元进行选取，仅需对当前活动单元层处理，能够降低约束处理过程中的复杂度，进一步 提高规划的搜索效率；此外，对活动单元约束进行一致性检查，删除活动状态集中与约束冲 突的状态，削减规划的搜索空间，更加提高规划的搜索效率。由于本发明采用上述三种手段 提高规划的搜索效率，能够快速得到规划解，弥补采用地面站控制的通讯延迟的缺点。

附图说明

图1为本发明的一种基于约束可满足技术的深空探测自主任务规划方法的工作流 程图；

图2为深空探测器约束模型图；

图3是一种基于约束可满足技术的深空探测自主任务规划方法(CSPLAN)与基于启 发式的自主任务规划方法(EUROPA)解决相同任务时花费的时间比较图。

图中：实线部分表示基于启发式的自主任务规划方法(EUROPA)；虚线部分表示基 于约束可满足技术自主任务规划方法(CSPLAN)。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步 说明。

探测器系统模型及其约束模型的建立。

为完成火星探测过程中主要的四项任务：第四次轨道修正任务、制动捕获任务、器 器分离任务和载荷开关机任务，需要建立深空探测器模型，如下表所示。

表1深空探测器系统模型

深空探测器模型中姿态系统、地球通信系统、火星车通信系统、太阳帆板系统、推 进系统、任务管理系统、电缆系统各个活动间的约束关系如图2所示。由图2可看出，每个分 系统表示为时间线，时间线中分布着表1所示的活动，在实际规划结果中，每个活动对应的 方框长度代表该活动执行时刻及时间长度。虚线表示各个分系统活动间的约束关系。以活 动Pointing和PhoningHome为例，两者之间的约束关系为Pointing包含PhoningHome。

实施例1轨道修正任务：在任务1所述的条件下，分别采用本发明的自主任务规划 方法和EUROPA自主任务规划方法进行任务规划，说明本发明的有益效果。所述的任务1条件 为：

轨道修正子模块参数说明及测试用例

本实施例公开的一种基于约束可满足技术的深空探测自主任务规划方法和 EUROPA自主任务规划方法均包括建立深空探测器系统模型的步骤1。

步骤1，建立深空探测器系统模型。

轨道修正任务具体系统模型如表1所示。

本实施例公开的一种基于约束可满足技术的深空探测自主任务规划方法，还包括 步骤2至步骤7。

步骤2，建立深空探测器约束模型。

轨道修正任务具体约束模型如图2所示。

步骤3，根据步骤2中的约束模型对步骤1中的深空探测器系统模型进行分层。

定义层值k＝8，因此深空探测器系统模型SYS转化为多层系统 $SYS=\{{\mathrm{sys}}^1,{\mathrm{sys}}^2,...,{\mathrm{sys}}^8\},$每层的变量分别为：${\mathrm{sys}}_i=\{{\mathrm{var}}_1^i,{\mathrm{var}}_2^i,...,{\mathrm{var}}_m^i\},$1≤i≤k，同时定义 变量level代表当前的层数；

步骤4，规划任务初始化。

第一次进行活动单元选取时，输入为深空探测器系统模型的当前状态约束S₀，目 标状态约束G，以及当前层数level＝1；

步骤5，在level层中选取活动单元在活动单元对应的状态集合D_i中选择状态并对活动单元进行赋值。例如在第1层中选取活动单元AttitudeSys，并 对该活动单元赋值Turning。

步骤6，对活动单元约束进行一致性检查。

判断该活动单元是否满足步骤2深空探测器约束模型约束集C中的相关约束，如果 不满足，在D_i中重新挑选状态进行赋值判断；如满足，重复执行步骤5直到level层中所有活 动单元全部完成赋值。例如，根据步骤5中的活动单元AttitudeSys赋值Turning这一赋值， 通过图2的约束关系进行一致性检查可知ComsystoHome,ComsystoLanderd等活动单元中的 状态ComhomeOpen、PhoningHome均不满足约束关系，因此该不满足约束关系的状态可被剪 枝，不在未来的搜索过程中出现，可减少下一步搜索过程的计算量。

步骤7，完成步骤6后，令level＝level+1，重复执行步骤5-6，直到深空探测器系统 模型SYS中所有活动单元完成赋值，检查步骤2深空探测器约束模型约束集C中是否全部约 束得到满足；若步骤2深空探测器约束模型约束集C中仍存在不满足的约束，令k＝9，返回步 骤4循环，直到步骤2深空探测器约束模型约束集C中全部约束得到满足，即深空探测器系统 模型SYS中所有活动单元完成赋值，其赋值结果即为深空探测器自主任务规划结果，规划 出为完成轨道修正需要完成的前后活动，如列表2。

表2第四次轨道修正规划完成活动表

实施例2器器分离任务：在任务2所述的条件下，分别采用本发明的自主任务规划 方法和EUROPA自主任务规划方法进行任务规划，说明本发明的有益效果。所述的任务2条件 为：

器器分离时刻求解子模块参数说明及测试用例

本实施例公开的一种基于约束可满足技术的深空探测自主任务规划方法和 EUROPA自主任务规划方法均包括建立深空探测器系统模型的步骤1。

步骤1，建立深空探测器系统模型。

器器分离任务具体系统模型如表1所示。

本实施例公开的一种基于约束可满足技术的深空探测自主任务规划方法，还包括 步骤2至步骤7。

步骤2，建立深空探测器约束模型。

器器分离任务具体约束模型如图2所示。

步骤3，根据步骤2中的约束模型对步骤1中的深空探测器系统模型进行分层。

定义层值k＝20，因此深空探测器系统模型SYS转化为多层系统SYS＝{sys¹, sys²,...,sys²⁰}，每层的变量分别为：1≤i≤k，同时定义变量 level代表当前的层数；

步骤4，规划任务初始化。

第一次进行活动单元选取时，输入为深空探测器系统模型的当前状态约束S₀，目 标状态约束G，以及当前层数level＝1；

步骤5，在level层中选取活动单元在活动单元对应的状态集合D_i中选择状态并对活动单元进行赋值。例如在第1层中选取活动单元AttitudeSys,并 对该活动单元赋值Pointing。

步骤6，对活动单元约束进行一致性检查。

判断该活动单元是否满足步骤2深空探测器约束模型约束集C中的相关约束，如果 不满足，在D_i中重新挑选状态进行赋值判断；如满足，重复执行步骤5直到level层中所有活 动单元全部完成赋值。例如，根据步骤5中的活动单元AttitudeSys赋值Turning这一赋值， 通过图2的约束关系进行一致性检查可知ComsystoHome,ComsystoLanderd等活动单元中的 状态ComhomeOpen、PhoningHome均不满足约束关系，因此该不满足约束关系的状态可被剪 枝，不在未来的搜索过程中出现，可减少下一步搜索过程的计算量。

步骤7，完成步骤6后，令level＝level+1，重复执行步骤5-6，直到深空探测器系统 模型SYS中所有活动单元完成赋值，检查步骤2深空探测器约束模型约束集C中是否全部约 束得到满足；若步骤2深空探测器约束模型约束集C中仍存在不满足的约束，令k＝21，返回 步骤4循环，直到步骤2深空探测器约束模型约束集C中全部约束得到满足，即深空探测器系 统模型SYS中所有活动单元完成赋值，其赋值结果即为深空探测器自主任务规划结果，规划 出为完成器器分离需要完成的前后活动，如表3。

表3器器分离规划完成活动表

实施例3载荷开关机任务：在任务3所述的条件下，分别采用本发明的自主任务规 划方法和EUROPA自主任务规划方法进行任务规划，说明本发明的有益效果。所述的任务3条 件为：

载荷开关机时刻求解子模块参数说明及测试用例

本实施例公开的一种基于约束可满足技术的深空探测自主任务规划方法和 EUROPA自主任务规划方法均包括建立深空探测器系统模型的步骤1。

步骤1，建立深空探测器系统模型。

器器分离任务具体系统模型如表1所示。

本实施例公开的一种基于约束可满足技术的深空探测自主任务规划方法，还包括 步骤2至步骤7。

步骤2，建立深空探测器约束模型。

器器分离任务具体约束模型如图2所示。

步骤3，根据步骤2中的约束模型对步骤1中的深空探测器系统模型进行分层。

定义层值k＝12，因此深空探测器系统模型SYS转化为多层系统SYS＝{sys¹, sys²,...,sys¹²}，每层的变量分别为：1≤i≤k，同时定义变量 level代表当前的层数；

步骤4，规划任务初始化。

第一次进行活动单元选取时，输入为深空探测器系统模型的当前状态约束S₀，目 标状态约束G，以及当前层数level＝1；

步骤5，在level层中选取活动单元在活动单元对应的状态集合D_i中选择状态并对活动单元进行赋值。例如在第1层中选取活动单元AttitudeSys,并 对该活动单元赋值Pointing。

步骤6，对活动单元约束进行一致性检查。

判断该活动单元是否满足步骤2深空探测器约束模型约束集C中的相关约束，如果 不满足，在D_i中重新挑选状态进行赋值判断；如满足，重复执行步骤5直到level层中所有活 动单元全部完成赋值。例如，根据步骤5中的活动单元AttitudeSys赋值Turning这一赋值， 通过图2的约束关系进行一致性检查可知ComsystoHome,ComsystoLanderd等活动单元中的 状态ComhomeOpen、PhoningHome均不满足约束关系，因此该不满足约束关系的状态可被剪 枝，不在未来的搜索过程中出现，可减少下一步搜索过程的计算量。

步骤7，完成步骤6后，令level＝level+1，重复执行步骤5-6，直到深空探测器系统 模型SYS中所有活动单元完成赋值，检查步骤2深空探测器约束模型约束集C中是否全部约 束得到满足；若步骤2深空探测器约束模型约束集C中仍存在不满足的约束，令k＝13，返回 步骤4循环，直到步骤2深空探测器约束模型约束集C中全部约束得到满足，即深空探测器系 统模型SYS中所有活动单元完成赋值，其赋值结果即为深空探测器自主任务规划结果，规划 出为完成载荷开关机需要完成的前后活动，如表4。

表4载荷开关机规划完成活动表

实施例4制动捕获任务：在任务4所述的条件下，分别采用本发明的自主任务规划 方法和EUROPA自主任务规划方法进行任务规划，说明本发明的有益效果。所述的任务4的初 始任务条件只需给出制动捕获时刻即可，实施例4中制动捕获时刻为2455510。

本实施例公开的一种基于约束可满足技术的深空探测自主任务规划方法和 EUROPA自主任务规划方法均包括建立深空探测器系统模型的步骤1。

步骤1，建立深空探测器系统模型。

器器分离任务具体系统模型如表1所示.

本实施例公开的一种基于约束可满足技术的深空探测自主任务规划方法，还包括 步骤2至步骤7。

步骤2，建立深空探测器约束模型。

器器分离任务具体约束模型如图2所示。

步骤3，根据步骤2中的约束模型对步骤1中的深空探测器系统模型进行分层。

定义层值k＝12，因此深空探测器系统模型SYS转化为多层系统SYS＝{sys¹, sys²,...,sys¹²}，每层的变量分别为：1≤i≤k，同时定义变量 level代表当前的层数；

步骤4，规划任务初始化。

第一次进行活动单元选取时，输入为深空探测器系统模型的当前状态约束S₀，目 标状态约束G，以及当前层数level＝1；

步骤5，在level层中选取活动单元在活动单元对应的状态集合D_i中选择状态并对活动单元进行赋值。例如在第1层中选取活动单元AttitudeSys,并 对该活动单元赋值Pointing。

步骤6，对活动单元约束进行一致性检查。

判断该活动单元是否满足步骤2深空探测器约束模型约束集C中的相关约束，如果 不满足，在D_i中重新挑选状态进行赋值判断；如满足，重复执行步骤5直到level层中所有活 动单元全部完成赋值。例如，根据步骤5中的活动单元AttitudeSys赋值Turning这一赋值， 通过图2的约束关系进行一致性检查可知ComsystoHome,ComsystoLanderd等活动单元中的 状态ComhomeOpen、PhoningHome均不满足约束关系，因此该不满足约束关系的状态可被剪 枝，不在未来的搜索过程中出现，可减少下一步搜索过程的计算量。

步骤7，完成步骤6后，令level＝level+1，重复执行步骤5-6，直到深空探测器系统 模型SYS中所有活动单元完成赋值，检查步骤2深空探测器约束模型约束集C中是否全部约 束得到满足；若步骤2深空探测器约束模型约束集C中仍存在不满足的约束，令k＝13，返回 步骤4循环，直到步骤2深空探测器约束模型约束集C中全部约束得到满足，即深空探测器系 统模型SYS中所有活动单元完成赋值，其赋值结果即为深空探测器自主任务规划结果，规划 出为完成制动捕获需要完成的前后活动，如表5。

表5制动捕获规划完成活动表

图3是一种基于约束可满足技术的深空探测自主任务规划方法(CSPLAN)与基于启 发式的自主任务规划方法(EUROPA)解决相同任务时花费的时间比较图。图中：实线部分表 示基于启发式的自主任务规划方法(EUROPA)；虚线部分表示一种基于约束可满足技术的深 空探测自主任务规划方法(CSPLAN)，由图中可看出，CSPLAN比EUROPA规划时间低40％及以 上。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不 脱离本发明的原理和宗旨的情况下，可对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本 发明的范围由权利要求及其等同物限定。