面向空間機(jī)器人在軌操控的任務(wù)規(guī)劃模型研究

閻慧+吳止鍰+高永明+馬凱航

摘 要： 任務(wù)規(guī)劃技術(shù)是空間機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主在軌操控的核心，要進(jìn)行規(guī)劃問(wèn)題的求解，必須要將實(shí)際的規(guī)劃問(wèn)題變?yōu)橛?jì)算機(jī)可理解語(yǔ)義的數(shù)據(jù)模型。雖然目前在人工智能規(guī)劃領(lǐng)域有多個(gè)成熟模型，且描述能力已經(jīng)較為完備，但是由于空間機(jī)器人在軌工作的特殊性，還沒(méi)有一種規(guī)劃模型可以直接應(yīng)用。根據(jù)空間機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃的要素和關(guān)系特性，在規(guī)劃領(lǐng)域定義語(yǔ)言（PDDL）的基礎(chǔ)上拓展了對(duì)資源和活動(dòng)實(shí)例的定義，活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間和活動(dòng)效果屬性，提高了描述的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞： 空間機(jī)器人； 任務(wù)規(guī)劃； 自主在軌操控； 成熟模型

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）04?0004?05

Research on mission planning model for on?orbit control of space robot

YAN Hui1， WU Zhihuan1，2， GAO Yongming1， MA Kaihang1

（1. The Academy of Equipment， Beijing 100416， China； 2. Unit 63883 of PLA， Luoyang 471000， China）

Abstract： Mission planning is the core of autonomous manipulation of space robot. There is no any planning model applied to space robot directly because of the operation particularity of space robot on orbit. Based on the planning domain definition language （PDDL）， the resource definition， activity effect attribute and duration time are extended， and descriptive accuracy is improved according to the mission planning factors and relation characteristics of space robot.

Keywords： space robot； mission planning； autonomous on?orbit control； mature model

0 引 言

空間機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃在任務(wù)確立到最終執(zhí)行過(guò)程中起到重要的作用。任務(wù)規(guī)劃過(guò)程是由空間機(jī)器人的狀態(tài)和規(guī)劃目標(biāo)確定的規(guī)劃問(wèn)題作為輸入，經(jīng)過(guò)一定的決策方式（自主或非自主）得到規(guī)劃結(jié)果。規(guī)劃的結(jié)果是空間機(jī)器人執(zhí)行的行動(dòng)序列集合，空間機(jī)器人按照這個(gè)序列執(zhí)行行動(dòng)能夠達(dá)到任務(wù)的規(guī)劃目標(biāo)。在解決規(guī)劃問(wèn)題之前，必須要對(duì)其進(jìn)行合理的形式化描述。任務(wù)規(guī)劃模型的意義在于將規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可理解語(yǔ)義的數(shù)據(jù)。目前常用的規(guī)劃模型有STRIPS，ADL，PDDL，NDDL等。

STRIPS是經(jīng)典的規(guī)劃建模語(yǔ)言，也是其他規(guī)劃建模語(yǔ)言的原始模型。ADL在STRIPS的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展：狀態(tài)中引入了“”符號(hào)、開(kāi)放世界假設(shè)、目標(biāo)中具有量化變量、目標(biāo)允許析取式、變量可以有類型、允許條件效果、增加了等式謂詞。通過(guò)這些擴(kuò)展豐富了表述能力，使之更接近實(shí)際問(wèn)題。PDDL是國(guó)際智能規(guī)劃競(jìng)賽（IPC）的比賽語(yǔ)言，具有較完備的建模能力，將規(guī)劃問(wèn)題描述為對(duì)象、謂詞、初始狀態(tài)、目標(biāo)說(shuō)明和活動(dòng)的集合。PDDL至今已經(jīng)發(fā)展到3.1版本，其表達(dá)能力也不斷提升。許多領(lǐng)域中實(shí)際應(yīng)用的規(guī)劃模型在PDDL的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展產(chǎn)生，如NASA把在PDDL的基礎(chǔ)上擴(kuò)展研究的NDDL作為其EUROPA框架的輸入語(yǔ)言。

1 規(guī)劃要素和關(guān)系

任務(wù)規(guī)劃由空間機(jī)器人任務(wù)目標(biāo)驅(qū)動(dòng)，任務(wù)目標(biāo)通常用目標(biāo)狀態(tài)、目標(biāo)活動(dòng)、任務(wù)周期等描述和限定規(guī)劃過(guò)程和結(jié)果的相關(guān)信息?？臻g機(jī)器人的規(guī)劃結(jié)果是一個(gè)選擇的行動(dòng)集合，每個(gè)行動(dòng)代表空間機(jī)器人的一個(gè)工作事件，行動(dòng)有時(shí)間、資源等信息，每個(gè)選擇的行動(dòng)都要滿足關(guān)系限制。

1.1 規(guī)劃要素

（1） 行動(dòng)（Action）：行動(dòng)由組成空間機(jī)器人載荷和操作能力決定，決定了系統(tǒng)的任務(wù)能力，例如規(guī)劃目標(biāo)為，則系統(tǒng)必須具有能夠?qū)顟B(tài)變?yōu)榈腁ction。

（2） 資源（Resource）：空間操作過(guò)程對(duì)資源的消耗非常敏感。空間機(jī)器人的資源除燃料、電能等傳統(tǒng)意義上的資源外，還包括并發(fā)執(zhí)行動(dòng)作數(shù)量有限的執(zhí)行設(shè)備等。

（3） 狀態(tài)（State）：狀態(tài)主要包括空間機(jī)器人載荷分系統(tǒng)的工作模式和對(duì)傳感器感知信息的抽象定義等信息。系統(tǒng)運(yùn)行中狀態(tài)可以由行動(dòng)或一些突發(fā)事件改變。

1.2 要素關(guān)系

要素關(guān)系對(duì)任務(wù)規(guī)劃起到約束和指導(dǎo)作用。

（1） “Action?Resource”關(guān)系：表現(xiàn)了活動(dòng)對(duì)資源產(chǎn)生的影響?？臻g機(jī)器人的活動(dòng)可能依賴某些特定的資源，活動(dòng)的執(zhí)行可能消耗一定量的資源。

（2） “Action?State”關(guān)系：表現(xiàn)活動(dòng)對(duì)狀態(tài)的影響，空間機(jī)器人的活動(dòng)可能以某些特定的狀態(tài)為限制條件，活動(dòng)的執(zhí)行可能改變狀態(tài)的取值。

（3） “Action?Action”關(guān)系：由于主體的增多，各空間機(jī)器人操作行為之間可能存在一些無(wú)法用上述關(guān)系表示的邏輯關(guān)系，這時(shí)，就需要直接定義兩個(gè)行為之間的邏輯關(guān)系，主要的“Action?Action”有時(shí)序關(guān)系等。

2 空間機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃模型

基于PDDL的建模規(guī)范，將規(guī)劃問(wèn)題分為規(guī)劃域和規(guī)劃任務(wù)兩個(gè)部分，。其中，。規(guī)劃域體現(xiàn)了規(guī)劃要素及相互關(guān)系，規(guī)劃任務(wù)體現(xiàn)了問(wèn)題的輸入（初始和目標(biāo)）和輸出（規(guī)劃結(jié)果）。模型中元素定義為：表示對(duì)象空間、表示狀態(tài)空間、表示資源空間、表示活動(dòng)空間、表示約束空間、表示初始條件、表示任務(wù)目標(biāo)、表示規(guī)劃結(jié)果。下面對(duì)各種元素的定義進(jìn)行詳細(xì)描述。

2.1 對(duì) 象

對(duì)象（Objcet）包括空間機(jī)器人和分系統(tǒng)。，為任務(wù)可調(diào)動(dòng)空間機(jī)器人的總數(shù)，其中每個(gè)對(duì)象包括4個(gè)屬性：。屬性中表示空間機(jī)器人的惟一身份標(biāo)識(shí)，為空間機(jī)器人的名稱，為空間機(jī)器人的類型，表示該對(duì)象特有的屬性。

2.2 狀 態(tài)

狀態(tài)（State）表示空間機(jī)器人各分系統(tǒng)和設(shè)備的工作模式和狀態(tài)，操作目標(biāo)的狀態(tài)等。STRIPS中的狀態(tài)、PDDL中的謂詞都包含了系統(tǒng)的狀態(tài)信息。Domain中為狀態(tài)集合。其中每個(gè)資源包含狀態(tài)名稱、默認(rèn)狀態(tài)值和取值范圍。本文將狀態(tài)定義為多值離散的，例如存儲(chǔ)器的狀態(tài)有記錄、重放、空閑、備份4種離散狀態(tài)。任務(wù)規(guī)劃的核心是與規(guī)劃目標(biāo)有關(guān)的空間機(jī)器人狀態(tài)以及可以改變和維持這些狀態(tài)的空間機(jī)器人活動(dòng)，比如“”，“”可以改變機(jī)械臂的狀態(tài)。

2.3 資 源

空間機(jī)器人上攜帶的燃料、電源的電量、存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)空間以及各類設(shè)備、裝置均可以用資源（Resource）的形式進(jìn)行描述。領(lǐng)域模型中資源包括。下面對(duì)資源定義中各屬性進(jìn)行描述：

（1） ：表示資源的代號(hào)。

（2） ：表示資源的名稱。

（3） ：表示資源類型，模型支持兩種類型的資源表示：可恢復(fù)資源、不可恢復(fù)資源。資源在活動(dòng)開(kāi)始時(shí)消耗，活動(dòng)結(jié)束后會(huì)釋放掉部分可恢復(fù)型資源。有些活動(dòng)也會(huì)增加可恢復(fù)型資源（比如下行數(shù)據(jù)可釋放存儲(chǔ)空間），不可恢復(fù)資源在消耗后不能恢復(fù)（比如燃料、供一次性使用的設(shè)備等）。

（4） ：表示資源容量，資源的容量用整數(shù)表示，對(duì)于取值可能為連續(xù)的資源，也以離散的整數(shù)表示，即資源的消耗必須為整數(shù)個(gè)單位。對(duì)于獨(dú)占設(shè)備認(rèn)為其取值范圍為，被占用時(shí)為，空閑時(shí)為。

2.4 活 動(dòng)

規(guī)劃域中的活動(dòng)指的是活動(dòng)類型（Activitytype），描述的是空間機(jī)器人的能力，不包含其執(zhí)行特性。Activitytype是任務(wù)規(guī)劃的核心要素，一個(gè)活動(dòng)類型對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)控制指令的集合，完成一個(gè)具體功能操作，具有可理解的實(shí)際意義。Activitytype包含屬性為。Activitytype在PDDL中活動(dòng)的基礎(chǔ)上增加了表示活動(dòng)類型的持續(xù)時(shí)間。下面詳細(xì)描述各屬性的作用：

（1） ：屬性保證了Activitytype在規(guī)劃域中的惟一性。任務(wù)規(guī)劃的結(jié)果是給Activitytype賦予了時(shí)間屬性的活動(dòng)實(shí)例，一個(gè)Activitytype可產(chǎn)生多個(gè)活動(dòng)實(shí)例，活動(dòng)類型和活動(dòng)實(shí)例之間的關(guān)系與面向?qū)ο箢惻c對(duì)象之間關(guān)系相似。

（2） ：傳統(tǒng)的規(guī)劃模型不具有表示時(shí)間的能力，屬性的加入解決了這一問(wèn)題。空間機(jī)器人執(zhí)行任何一個(gè)活動(dòng)都需要耗費(fèi)時(shí)間?？梢允蔷唧w的數(shù)值，也可以用時(shí)間函數(shù)表示。

（3） ：表示活動(dòng)執(zhí)行的前提條件，也即活動(dòng)執(zhí)行的約束條件。表示活動(dòng)在實(shí)例化時(shí)必須滿足約束條件，關(guān)于約束的性質(zhì)在后面進(jìn)行詳細(xì)描述。

（4） ：表示活動(dòng)產(chǎn)生的影響，主要包括狀態(tài)變化和資源變化兩種影響。影響的生效時(shí)間既可能是活動(dòng)執(zhí)行前，也可能發(fā)生在活動(dòng)執(zhí)行后。通過(guò)和進(jìn)行標(biāo)記。對(duì)于資源變化，為避免共享資源帶來(lái)的沖突，通常發(fā)生在活動(dòng)執(zhí)行前。可恢復(fù)型資源需要在活動(dòng)執(zhí)行后或活動(dòng)執(zhí)行意外終止時(shí)釋放所占用的資源。而活動(dòng)帶來(lái)的狀態(tài)改變，通常發(fā)生在活動(dòng)完成后。例如表示活動(dòng)結(jié)束后將一個(gè)狀態(tài)從轉(zhuǎn)變成，表示活動(dòng)開(kāi)始前占用數(shù)量為的資源，表示活動(dòng)結(jié)束后釋放數(shù)量的，活動(dòng)對(duì)資源產(chǎn)生的影響如圖1所示。

規(guī)劃的過(guò)程要把活動(dòng)類型進(jìn)行實(shí)例化產(chǎn)生活動(dòng)實(shí)例（）。一個(gè)活動(dòng)類型可以多次實(shí)例化，比如活動(dòng)類型為，而根據(jù)操作的需要，可以在不同時(shí)刻執(zhí)行多次該活動(dòng)，即生成多個(gè)具有不同時(shí)間屬性的活動(dòng)實(shí)例?；顒?dòng)實(shí)例可表示為，其中為活動(dòng)的一個(gè)活動(dòng)實(shí)例的開(kāi)始時(shí)間。和共同決定了活動(dòng)實(shí)例的執(zhí)行特征。

2.5 約 束

約束（Constraint）描述了空間機(jī)器人的“Action?State”，“Action?Resource”和“Action?Action”三種關(guān)系。STRIPS和PDDL中動(dòng)作的，體現(xiàn)了約束的性質(zhì)。約束的表現(xiàn)能力，決定了任務(wù)規(guī)劃是否能夠與現(xiàn)實(shí)世界很好的銜接。約束主要表現(xiàn)兩種情況：一是活動(dòng)的可行條件，二是活動(dòng)的規(guī)律。可行條件即活動(dòng)類型實(shí)例化中狀態(tài)的條件限制和資源限制，是活動(dòng)類型實(shí)例化符合現(xiàn)實(shí)的必然要求。另外，在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，有些活動(dòng)之間存在一定的固定時(shí)序關(guān)系，通過(guò)約束定義可以大大縮減規(guī)劃空間。

約束關(guān)系可以分為資源約束（Resource Constraint）、狀態(tài)約束（State Constraint）和時(shí)間約束（Time Constraint）三類：

（1） 資源約束。資源約束定義了活動(dòng)類型實(shí)例化所需的最小資源余量。資源的時(shí)間窗口特點(diǎn)限制了活動(dòng)實(shí)例在時(shí)間軸上的部署?；顒?dòng)實(shí)例只能部署在資源余量滿足資源約束的時(shí)間窗口內(nèi)，即活動(dòng)實(shí)例的。為一個(gè)時(shí)間區(qū)間集合，該集合內(nèi)的時(shí)間上資源余量滿足活動(dòng)的要求。

（2） 狀態(tài)約束。狀態(tài)約束描述空間機(jī)器人活動(dòng)類型實(shí)例化的狀態(tài)前提?；顒?dòng)類型實(shí)例化除了受必要的資源限制，還應(yīng)滿足邏輯上的合理性。例如空間機(jī)器人執(zhí)行機(jī)動(dòng)活動(dòng)，除了滿足必要的燃料條件，還應(yīng)保證基座處于開(kāi)啟狀態(tài)且基座工作模式處于自由飛行模式。

（3） 時(shí)間約束。時(shí)間約束描述了活動(dòng)類型的執(zhí)行時(shí)間限制和兩個(gè)活動(dòng)時(shí)間屬性之間的關(guān)系?；顒?dòng)類型在實(shí)例化時(shí)按照時(shí)間約束確定其絕對(duì)時(shí)間屬性（開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間）。時(shí)間約束有相對(duì)約束和絕對(duì)約束兩類。相對(duì)時(shí)間約束表示兩個(gè)活動(dòng)類型執(zhí)行時(shí)間之間的關(guān)系，最典型的相對(duì)時(shí)間約束是時(shí)序約束，即一個(gè)活動(dòng)只能在另一個(gè)活動(dòng)完成之后開(kāi)始。絕對(duì)時(shí)間約束表示活動(dòng)的時(shí)間屬性和某個(gè)絕對(duì)的時(shí)間值之間的關(guān)系。

3 規(guī)劃任務(wù)描述

MSR的系統(tǒng)組成和任務(wù)執(zhí)行環(huán)境特點(diǎn)決定了任務(wù)規(guī)劃的規(guī)劃域，然而由于MSR系統(tǒng)完成任務(wù)的多樣性和重復(fù)完成任務(wù)的能力，每個(gè)MSR系統(tǒng)可能完成多類任務(wù)，或者重復(fù)完成多次同類任務(wù)。通過(guò)任務(wù)模型可以對(duì)任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一的抽象描述，每次任務(wù)開(kāi)始后規(guī)劃域是固定不變的（不發(fā)生異常事件的情況下），通過(guò)任務(wù)建模定義不同的任務(wù)，MSR自主協(xié)同任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)模型引導(dǎo)任務(wù)規(guī)劃的完成。每個(gè)任務(wù)獨(dú)特的屬性主要有初始條件、目標(biāo)和規(guī)劃結(jié)果。

（1） 初始條件。初始條件定義了任務(wù)開(kāi)始前狀態(tài)條件集合和資源條件集合。對(duì)規(guī)劃過(guò)程起到重要作用，決定了規(guī)劃和協(xié)商的起點(diǎn)?；诓煌某跏紶顟B(tài)和資源條件完成相同目標(biāo)所需的操作過(guò)程是不同的。

（2） 目標(biāo)。任務(wù)規(guī)劃過(guò)程有目標(biāo)驅(qū)動(dòng)，規(guī)劃的目標(biāo)可以表示為。和分別定義了規(guī)劃目標(biāo)的兩種表現(xiàn)形式，以一組狀態(tài)取值的集合定義目標(biāo)；以一組活動(dòng)類型的集合定義目標(biāo)。

（3） 規(guī)劃結(jié)果。規(guī)劃的結(jié)果是一個(gè)可行的行動(dòng)方案，模型建立時(shí)任務(wù)規(guī)劃結(jié)束后為任務(wù)的全局規(guī)劃方案，包含一組活動(dòng)實(shí)例的集合。MSR中每個(gè)空間機(jī)器人的規(guī)劃方案，其中。該活動(dòng)實(shí)例中每個(gè)都滿足其對(duì)應(yīng)的，每個(gè)活動(dòng)實(shí)例的執(zhí)行都會(huì)產(chǎn)生的影響。系統(tǒng)在的作用下可以完成由到的轉(zhuǎn)變。

4 基于GTL的模型表示

NASA在其多個(gè)航天器規(guī)劃系統(tǒng)中采用了通用時(shí)間軸（Generalized Timelines，GTL）技術(shù)表示任務(wù)規(guī)劃。本文將規(guī)劃用Timeline的集合來(lái)表示，每個(gè)Timeline對(duì)應(yīng)航天器的狀態(tài)和資源的記錄或映射值。Timeline能夠直觀地描述任務(wù)規(guī)劃，活動(dòng)的實(shí)例分布于Timeline上，且同一時(shí)間同一活動(dòng)類型僅有一個(gè)活動(dòng)實(shí)例。規(guī)劃的結(jié)果也可以用Timeline進(jìn)行正確性和安全性驗(yàn)證。時(shí)間軸的橫向?yàn)闀r(shí)間，記錄了活動(dòng)、資源和狀態(tài)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)性，縱向?yàn)闋顟B(tài)、資源和活動(dòng)類型。

（1） 狀態(tài)Timeline。狀態(tài)Timeline表現(xiàn)了狀態(tài)隨時(shí)間的變化過(guò)程，如圖2所示。任務(wù)規(guī)劃結(jié)果的執(zhí)行將導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)變量從初始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的變化。狀態(tài)的取值可能由活動(dòng)改變，也可能隨時(shí)間發(fā)生變化。

（2） 資源Timeline。資源Timeline表現(xiàn)了資源隨時(shí)間變化的過(guò)程，如圖3所示。

從圖3中可以看出，不可恢復(fù)型資源總是隨時(shí)間遞減的（如燃料），可恢復(fù)型資源在消耗后有可能得到補(bǔ)充繼續(xù)使用?？苫謴?fù)型資源有的在占用該資源的活動(dòng)實(shí)例完成后會(huì)自動(dòng)釋放（如功率），有的需要其他具有補(bǔ)充該資源的效果的活動(dòng)實(shí)例執(zhí)行后才可恢復(fù)（如存儲(chǔ)）。

（3） 活動(dòng)Timeline?；顒?dòng)Timeline可表示為每個(gè)活動(dòng)類型的活動(dòng)實(shí)例在時(shí)間上的分布Gantt圖，如圖4所示。任務(wù)規(guī)劃過(guò)程是活動(dòng)Timeline不斷變化的過(guò)程，每個(gè)在Timeline中的活動(dòng)實(shí)例都必須與狀態(tài)和資源Timeline相對(duì)應(yīng)，活動(dòng)Timeline的變化也會(huì)導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)和資源時(shí)間軸的動(dòng)態(tài)變化。

5 模型應(yīng)用實(shí)例

以一個(gè)想定任務(wù)的任務(wù)規(guī)劃腳本為例說(shuō)明模型的應(yīng)用。想定任務(wù)的活動(dòng)實(shí)例如表1所示。表中為每個(gè)活動(dòng)實(shí)例對(duì)應(yīng)的活動(dòng)類型名稱、編碼，活動(dòng)類型的開(kāi)始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間。

表1 空間機(jī)器人活動(dòng)實(shí)例序列

模型表現(xiàn)方法如圖5所示。圖中用Gantt圖表現(xiàn)了該任務(wù)的Timeline，任務(wù)管理人員可以直觀地在Gantt圖上觀察活動(dòng)實(shí)例的執(zhí)行開(kāi)始和持續(xù)時(shí)間，以及資源和狀態(tài)隨時(shí)間的變化情況。

6 結(jié) 語(yǔ)

空間機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃模型是用建模語(yǔ)言對(duì)空間機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)過(guò)程進(jìn)行語(yǔ)義的描述，從而使計(jì)算機(jī)能夠很好的理解。本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有規(guī)劃建模語(yǔ)言的研究分析，以PDDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)基本原理為基礎(chǔ)，拓展了對(duì)規(guī)劃過(guò)程中資源和活動(dòng)實(shí)例的定義，以及對(duì)活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間和活動(dòng)效果屬性。經(jīng)過(guò)模型應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證，本文研究的模型具備描述空間機(jī)器人任務(wù)過(guò)程的能力。能夠支撐進(jìn)一步任務(wù)規(guī)劃研究工作。

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