[发明专利]一种智能无人系统集群的可扩展分布式架构及自组织方法

说明书

本发明提供一种智能无人系统集群的可扩展分布式架构及自组织方法，主要围绕“分布式”和“可扩展”这两个特性的实现，从集群系统的静态组织架构和动态运行机制两个层面进行设计，具体包括无人系统集群的柔性三层可扩展分布式架构和无人系统集群的动态自组织方法。本发明通过建立与无人系统出席情况考勤、集群系统角色任免和动态自组织运行保障相关的3大类共13个运行机制，对集群成员的动态损失和增加提供全面支持，实现系统成员能进能出、全局数据动态更新、组织关系自动重构，在成员损失或增加情况下集群系统依然可以稳定运行。

技术领域

本发明涉及智能无人系统技术领域，具体涉及智能无人系统集群的可扩展分布式架构及自组织方法。

背景技术

随着无人系统应用的场景和任务日趋复杂，单个无人系统已经不能够满足需要，复杂任务需要多个无人系统相互配合，形成集群，共同完成任务。要将无人系统集群平台、功能模块、数据等要素组织起来，使集群能够发挥出更大的效能，是构建集群系统时要解决的核心问题，但不前对此问题的研究很不充分。

现有研究中无人系统集群通常采用的架构有集中式架构和分布式架构两种。

集中式架构是指由一台或多台主计算机组成中心节点，数据集中存储于这个中心节点中，并且整个系统的所有业务单元都集中部署在这个中心节点上，系统所有的功能均由其集中处理。例如胡建章等学者在水面无人艇集群及其控制方法研究中采用集中式的控制架构，岸站作为中心节点，每艘无人艇只能通过接收岸站的指令，各艇间无信息交互，无人艇需要按照预先规划的路径进行航行。然而当岸站与各艇间通信出现延迟甚至断开时，无人艇集群无法正常执行任务，并且该方法不具有集群成员数量的可扩充性，在实际航行执行任务中，出现无人艇损失或增加的情况，集群无法进行自组织调整，无法保证集群稳定，甚至导致集群瘫痪。

分布式架构是指去中心化，不存在处于主导地位的节点，每个节点都有能力接收来自外部的请求并进行相应的处理，不需要在单一中心上进行扩容。例如，齐智敏等学者针对智能无人集群提出了一种智能无人集群的三层分层结构，包含了支撑层、功能层、应用层三层，可以适应多种场景，完成任务，集群成员间可互相通信，交流信息。然而，三层的分层结构不支持完成大规模群体多主体、多层级的任务规划，未提及集群成员增减后对集群功能完整性的影响。王宇等学者在无人系统集群海上作战应用研究中采用分布式架构，具有无中心和自主协同的特点，作战中成员的损失不会破坏集群的功能完整性，集群可以继续执行任务。但是不支持多任务，并且对于队形自组织、编队拆分/重组、集群协同航行等存在困难。

可以看出，目前集群系统的架构设计面临以下问题：

(1)任务单一。集群系统执行任务单一，与实际任务差距过大，缺少支持多任务的无人系统集群架构。

(2)集群成员规模缺少可扩展性。对于集群架构设计方法，现有公开的架构大部分都采用集中式架构，缺少扩展灵活性，面对集群中出现无人系统的损失或增加的情况，无法保障无人系统集群的稳定性。

(3)集群全局优化困难。采用分布式架构，面临集群系统通信量大，容易产生局部冲突，大部分集群系统只能采用给定的路径，缺少灵活性，很难与实际情况结合，在实际中运用有很大困难。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的问题，实现无人系统集群任务需求，提供一种规模具有良好扩充性、支持多任务、系统作业效率高、全局优化性好的智能无人系统集群的可扩展分布式架构及自组织方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种智能无人系统集群的可扩展分布式架构及自组织方法，包括无人系统集群的柔性三层可扩展分布式架构和无人系统集群的动态自组织方法两部分。

所述无人系统集群的柔性三层可扩展分布式架构具体包括：

(1)集群的基本结构与组成