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月球探测器科学任务自主操作方法研究

作　者: 许健
导　师: 崔平远
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 月球探测自主探测器人工智能自主控制任务规划与调度
分类号: V476.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

月球探测是本世纪初世界宇航大国关注的焦点。由于探测的目标远,任务复杂多变,飞行环境不确定等因素,传统的地面任务控制中心采用的遥测与控制方式很难满足深空任务的复杂性和实时性要求。自主技术是解决这些问题的一条重要途径,它通过星上自主软件系统减少甚至替代地面任务控制中心的工作,自主任务规划调度系统正是其重要的组成部分。本文对自主月球探测器从知识描述、任务规划算法、时序与资源调度算法,任务约束满足四个方面进行了深入的研究。首先,对探测器的在轨操作和资源分别建模。在轨操作的建模是采用了STRIPS算子的描述方式。资源的建模则采用面向对象的描述方式分别描述了不同资源的特点。进而将自主操作问题转化为人工智能的规划问题。其次,为了实现任务自主规划,设计了一种目标状态覆盖程度启发式,并在该启发式下,给出了一种结合等级任务网的A*任务规划方法。再次,采用了动态关键路径算法,该算法具有贪婪调度特性,能尽早的调度已经满足前提的操作,并可实现在轨操作时间和资源的同时调度。最后,在上述三个方面研究的基础上,对有深空环境约束时连续的任务自主规划调度过程进行了数学仿真。验证了所提规划与调度方法的可行性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-17
  1.1 课题来源  10
  1.2 研究的目的和意义  10-12
  1.3 规划技术的发展  12-14
    1.3.1 描述规划问题的形式化语言  13
    1.3.2 规划算法的发展  13-14
  1.4 自主技术在航天领域的应用概况  14-16
  1.5 本文的主要工作  16-17
第2章探测器在轨操作与资源建模  17-29
  2.1 探测器的操作模型  17-23
    2.1.1 规划建模语言  17-18
    2.1.2 STRIPS的描述原则  18
    2.1.3 探测器子系统的操作模型  18-23
  2.2 HTN的模型分解  23-24
  2.3 星上资源的特性与建模  24-26
    2.3.1 星上资源及其特性  24-25
    2.3.2 星上资源建模  25-26
  2.4 联系资源的操作建模  26-28
  2.5 本章小结  28-29
第3章探测器任务自主规划方法  29-48
  3.1 星载计算机对规划算法设计的约束  29-30
  3.2 探测器任务规划  30-37
    3.2.1 A*算法的启发式  30-31
    3.2.2 启发式的设计思想  31
    3.2.3 状态覆盖程度启发式  31-32
    3.2.4 状态覆盖程度启发式算例  32-33
    3.2.5 探测器执行科学任务前后的初始状态与目标状态  33-34
    3.2.6 基于A*算法的任务规划器  34
    3.2.7 仿真规划结果  34-36
    3.2.8 规划结果分析  36-37
  3.3 强启发式下的任务规划  37-42
    3.3.1 清空删除表启发式  38
    3.3.2 清空删除表的状态覆盖程度启发式算例  38-39
    3.3.3 强启发式下的A*搜索过程  39-40
    3.3.4 规划器性能比较  40-42
  3.4 HTN方法对规划器性能的影响  42-47
    3.4.1 低级操作的启发式计算  42-44
    3.4.2 低级操作的规划结果分析  44-45
    3.4.3 HTN规划结果  45-47
  3.5 本章小结  47-48
第4章探测器操作时序与资源调度  48-60
  4.1 探测器操作的调度问题  48-50
    4.1.1 探测器操作的并行性与顺序性  48-49
    4.1.2 描述探测器操作的数学模型  49
    4.1.3 AOV与AOE网络  49-50
  4.2 关键路径算法求解调度问题  50-53
    4.2.1 关键路径算法  51-52
    4.2.2 探测器执行一次观测和下传数据的任务调度  52-53
  4.3 具有贪婪调度特性的动态关键路径算法  53-57
    4.3.1 运用调度技术提高探测器的利用率  54
    4.3.2 基于动态关键路径算法的任务耗时最优  54
    4.3.3 动态关键路径算法的调度过程仿真  54-56
    4.3.4 调度结果分析  56-57
  4.4 资源和时间的同时调度  57-59
  4.5 本章小结  59-60
第5章探测器任务自主规划调度过程的数学仿真  60-69
  5.1 月球探测器的部分系统参数  60-61
    5.1.1 探测器部分系统参数  60-61
    5.1.2 月球探测器的任务特点  61
    5.1.3 深空环境对科学任务的约束  61
  5.2 任务自主规划调度的流程  61-62
  5.3 连续观测过程中操作时序的数学仿真  62-68
    5.3.1 操作的耗时  62-63
    5.3.2 探测器的任务序列  63-64
    5.3.3 操作时序的数学仿真  64-68
  5.4 本章小结  68-69
结论  69-71
参考文献  71-75
攻读学位期间发表的学术论文  75-77
致谢  77

月球探测器科学任务自主操作方法研究

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