基于多目標(biāo)決策的USV系統(tǒng)可變自主實(shí)現(xiàn)機(jī)制研究.pdf

1、水面無(wú)人艇（Unmanned Surface Vehicle，簡(jiǎn)稱USV），是一種具有一定的自主能力的、無(wú)人操作的水面機(jī)器人系統(tǒng)。通過(guò)掛載智能任務(wù)控制系統(tǒng)，USV能夠在遠(yuǎn)離用戶的海洋環(huán)境下，獨(dú)立執(zhí)行危險(xiǎn)以及其他不適于有人船只執(zhí)行的任務(wù)。正是具有這樣的任務(wù)執(zhí)行能力，USV得到了各國(guó)海軍的廣泛重視。近些年，隨著USV的研究和發(fā)展，其自主能力得到不斷的提升，同時(shí)人們對(duì)于 USV執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的期望也越來(lái)越高，引發(fā)不確定事件處理能力有限的問(wèn)題。對(duì)

2、于此類問(wèn)題，有研究人員提出利用可變自主機(jī)制來(lái)解決。但是，對(duì)于可變自主實(shí)現(xiàn)機(jī)制的研究目前仍處于起步階段，存在諸多挑戰(zhàn)性問(wèn)題。因此，對(duì)于 USV可變自主實(shí)現(xiàn)機(jī)制的探索，無(wú)論是從理論意義還是應(yīng)用前景來(lái)說(shuō)，都具有重要的研究?jī)r(jià)值。本文將圍繞著USV可變自主實(shí)現(xiàn)機(jī)制為核心，分別研究USV可變自主系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型、上下文感知的態(tài)勢(shì)推理、用戶因素建模機(jī)制以及自主等級(jí)決策方法。本文的主要研究工作概括如下：
　　(1)研究了一種支持可變自主控制的US

3、V體系結(jié)構(gòu)模型，解決了針對(duì)多種不確定性因素影響下用戶動(dòng)態(tài)加入 USV控制過(guò)程的問(wèn)題。將傳統(tǒng)觀察、判斷、決策和行動(dòng)的控制流程與多目標(biāo)決策理論相結(jié)合，建立 OOADA（Observe-Orient-Adjustable Autonomy-Decide-Act，OOADA）的可變自主控制流程。進(jìn)一步，研究了具體的USV可變自主系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型，其中包括關(guān)鍵性的可變自主控制模塊的詳細(xì)構(gòu)造。通過(guò)USV仿真系統(tǒng)的搭建以及導(dǎo)航任務(wù)的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該模型

4、能夠有效解決USV自主等級(jí)決策、控制與實(shí)施的問(wèn)題。
　　(2)以導(dǎo)航任務(wù)為重點(diǎn)，研究了基于上下文感知理論的態(tài)勢(shì)推理方法。針對(duì)USV自主能力受多種不確定性影響的問(wèn)題，根據(jù)上下文感知的理論基礎(chǔ)，研究了人機(jī)交互的推理方法。該方法包括表征 USV和用戶交互的各種不確定信息的采集，以及利用期望效用函數(shù)進(jìn)行USV系統(tǒng)性能分析。在USV執(zhí)行導(dǎo)航任務(wù)的仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，模擬多種不確定性事件以驗(yàn)證 USV關(guān)于人機(jī)交互的推理能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，利用了上

5、下感知推理，能夠幫助 USV有效識(shí)別交互需求，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同自主等級(jí)下的交互結(jié)果，為自主等級(jí)決策提供全面的數(shù)據(jù)依據(jù)。
　　(3)研究了USV可變自主系統(tǒng)中的用戶模型，將用戶因素分兩個(gè)方面與自主等級(jí)決策建立關(guān)聯(lián)。其中，用戶偏好是利用多屬性決策理論評(píng)價(jià)用戶工作負(fù)荷對(duì)于自主等級(jí)的影響；用戶態(tài)勢(shì)認(rèn)知能力是通過(guò)馬爾可夫決策模型預(yù)測(cè)用戶認(rèn)知結(jié)果對(duì)于自主等級(jí)的影響。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，利用 USV導(dǎo)航任務(wù)分別測(cè)試同一用戶不同狀態(tài)和不同用戶對(duì)于自主等級(jí)決

6、策的影響。驗(yàn)證結(jié)果說(shuō)明 USV區(qū)分不同的用戶認(rèn)知能力是必要的，同時(shí)用戶模型在系統(tǒng)中有效控制了用戶的工作負(fù)荷。
　　(4)研究了基于多屬性決策的USV自主等級(jí)決策方法。引入組織排序法解決 USV自主等決策目標(biāo)不可公度的問(wèn)題，利用優(yōu)先函數(shù)評(píng)價(jià)不同等級(jí)之間每個(gè)性能目標(biāo)的優(yōu)勢(shì)，減少了數(shù)據(jù)預(yù)處理帶來(lái)的評(píng)價(jià)誤差；利用賦值有向圖對(duì)每個(gè)自主等級(jí)進(jìn)行效用并合，建立全部自主等級(jí)的完全序，獲得自主等級(jí)決策的最優(yōu)解。仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比了可變自主機(jī)制與全自主機(jī)制