本发明涉及无人系统，特别涉及一种无人系统可变自主等级的元任务管理方法。
背景技术：
1、无人系统(如无人车、无人机、无人船)的应用逐渐渗透到社会生活中，其应用背景涵盖了物流仓储、野外侦察等各种民事或军事领域。具备一定的自主能力的无人系统之所以能够替代人类执行高危任务、探测危险区域，其关键技术在于系统能够进行自我管理。美国国家标准技术研究所对无人系统自主性提出了以下定义：自主性是无人系统拥有感知、观察、分析、交流、计划、制定决策和行动的能力，并且完成人类通过人机交互布置给它的任务。自主性可以根据任务的复杂性、环境的困难性和为了完成任务进行的人-机交互程度等因素来区分其等级，进而表示出无人系统自我管理的状态和质量。
2、无人系统的自主等级管理当前分为两种方法，一种是系统主动法，操作员不会监控任务进程，只有当系统主动寻求帮助时，才能介入参与帮助完成任务，直到问题解决时释放控制权。在这种模式下，操作员可以和无人系统并行执行任务。这种模式面对的任务必须不是时间敏感性的，如果出现的任务急需帮助或系统本身存在感知延迟，那么该模式不适用。一种是混合主动法，要求操作员实时监控任务进程，并且具备主动接管系统权限的权利。这种主动控制的能力可以使得操作员在系统检测到明确故障之前避免它们发生。但需要操作员全身心投入参与整个任务，这大大地提高了操作员的工作负担。
技术实现思路
1、本公开提供一种针对无人系统元任务的自主等级管理机制和系统应用，旨在提高无人系统对自主等级的理解掌握，以更高效的方式请求操作员参与任务执行，既满足无人系统能够对自主等级的调整，又可以减轻操作员的监控负担，并且使得整个无人系统稳定安全，大大平衡了操作员和无人系统之间的工作负担，最终确保无人系统和操作员能高质量完成任务。
2、本公开提供的无人系统的自主等级管理方法，主要包括以下步骤：
3、s1，建立无人系统的元任务集合；
4、s2，结合无人系统的工作背景，人机协作的紧密程度与工作量分配，建立无人系统的自主等级集合和元任务执行方案集合；
5、s3，针对无人系统的元任务执行方案集合，建立带有自主等级制度的元任务基状态，并且建立带有自主等级转移限制的状态序列；
6、s4，建立面向任务的无人系统状态监测模型及评价方案；
7、s5，建立基于状态监测的无人系统实时最佳自主等级推理模型；
8、s6，得到无人系统自主等级的任务状态自主转移架构。
9、进一步的，步骤s1具体为:
10、s11，建立无人系统分层任务架构，根据ooda循环将无人系统的运行过程分为观察、定位、决策、行为四个阶段。每个阶段包含一系列的动作集合，如：无人系统观察动作代表数据采集、传感等侦察型工作；无人系统定位动作代表数据分析、加工处理等理解型工作；无人系统决策动作代表行为规划、根据认知结果进行下一步部署等规划型工作；无人系统行为动作代表根据规划结果进行实施等实现型工作。
11、无人系统所有可实现的工作任务根据元任务性质的不同分解为观察、定位、决策、行为四个阶层，每个阶层由一定数量的最小元任务组成。将所有阶层的元任务汇总构成无人系统的任务集合。
12、s12，将无人系统具体任务进行拆解，每个动作归类为无人系统观察动作、无人系统定位动作、无人系统决策动作、无人系统行为动作其中之一。同一任务在同一阶层的动作可以形成动作序列，不同的任务在同一阶层可以形成不同的动作序列。
13、进一步的，步骤s2具体为：
14、s21：根据任务集合并结合任务背景，分析每个任务紧急度和困难度，划分操作员和无人系统在ooda循环中的工作负担分配，对于不同的工作负担，分配方案设定不同的自主等级，同时以最低的操作员工作负担设为最高自主等级全自主模式，以最低的无人系统工作负担设为最低自主等级全手动模式，并在中间参照不同的工作负担比设定半自主模式。
15、s22：由于同一个任务下的子状态集合相同，但不同自主等级下的子状态结合序列不一致，即元任务执行顺序不一致。需要确定每个任务在任一自主等级下的状态序列，确保任务在任一自主等级下都能正常执行，形成包含所有等级的完整任务方案合集。
16、进一步的，步骤s3具体为：
17、s31：首先以ros-smach状态机为基础，在状态模板的基础上添加多个功能层作为状态的基础功能，分别包含循环、强制跳转、监听数据等子功能，并称其为基状态。然后每个基状态能够正常执行命令并且实现任务之间的正常切换，同时在执行任务期间，能够监测系统自主等级的变化作为状态当前的等级。
18、s32：然后根据具体的任务，在基状态的上实现每一个元任务，进而形成整个任务的状态序列。状态序列中的每两个子状态之间实现链接转移关系，并添加一个转移等级缓冲区，由操作员在预设阶段确定两个子状态之间跳转所需的等级限制；满足子状态在实行完当前状态的预计任务后，监测当前等级是否满足跳转限制，若满足则进入下一个子状态，否则进入自循环状态等待操作员指示或直至当前等级满足跳转限制。
19、进一步的，步骤s4具体为：
20、s41：建立无人系统的状态模型，包含ooda循环的4个阶层。观察阶层：各类传感器故障诊断状态、输入信号稳定性；定位阶层：碰撞安全状态、环境复杂度分析；决策阶层：任务明确度和任务完成度；行为阶层：执行器故障诊断状态、行为安全预测。
21、s42：根据具体任务类型对状态模型中的指标建立评价方案，参考专家经验或历史数据公式提取出具有评价含义的特征值，并将其限定在[0,1]之间。
22、进一步的，步骤s5具体为：
23、s51：根据无人系统状态模型中各个监测状态数据，对不同的监测状态组合建立不同的推理模型，分为硬处理推理和软处理推理。
24、s52：硬处理推理表示硬件传感器和硬件执行器发生故障后，分析当前元任务是否会受到故障的影响，若可以由操作员半手动介入解决，则定向输出目标自主等级，否则直接输出最低自主等级，由操作员全手动处理。
25、s53：软处理推理表示衡量无人系统的当前任务指标度量，提取每个指标度量的特征值，根据专家经验或历史经验数据作为不同的区间阈值，特征值相加和区间阈值进行比较，选取特征值和所在的区间作为当前最佳自主等级。
26、进一步的，步骤s6具体为：
27、s61：建立无人系统自主等级转移规则，规定当最佳自主等级低于当前等级时，无人系统自动将当前等级调到最佳自主等级；当最佳自主等级高于当前等级时，无人系统只能发出询问，待操作员命令允许后方可调整自主等级。
28、s62：设计任务状态自主转移框架，对于具体任务的方案集合，将其分解为ooda循环下的元任务，每个阶层的元任务方案集合包括不同等级下的方案。并列表示同一个任务的所有执行方案形成并行方案，在并行方案前建立一个等级选择基状态，负责根据当前的自主等级选择对应的执行方案。
29、s63：最后在状态机中对每一个元任务状态进行注册，包括等级改变时元任务对应的等级选择基状态、元任务与元任务之间的状态转移等级限制。当元任务状态自身检测到当前等级发生改变时，状态自动跳转到当前元任务对应的等级选择基状态，由更合适的任务方案接管当前元任务。同时当元任务顺利执行完当前状态后需要先访问注册内容，检查转移到下一元任务状态所需的等级限制，若不满足则停留在当前元任务。
30、应用上述方法的无人系统自主等级管理系统，包括：无人系统等级方案集合、无人系统状态模型、无人系统等级推理模型、无人系统自主转移架构，其中：
31、无人系统等级方案集合用于针对无人系统和操作员的任务工作负担分配，设定多个不同分配比的自主等级，并从全等级方案集合中选取适合的等级构成等级方案，形成多自主等级制无人系统。
32、无人系统状态模型用于针对从无人系统的ooda循环四个阶层中选取和当前任务相关的子检测状态，负责存储所有度量指标的模型和参数，为后续的自主等级推理模型提供数据源。
33、无人系统等级推理模型用于针对无人系统的状态模型和当前等级联合推理，检测当前自主等级是否满足状态模型的特征值，该模块同时保存了度量指标的阈值，并将推理结果输入至下一步的自主等级转移架构。
34、无人系统自主转移架构用于建立无人系统的等级转移规则，将等级转移机制嵌入到系统任务状态中，允许任务状态之间互相转移，同时为每个任务建立一个并行任务方案，由选择基状态进行方案选取，支持无人系统在任一任务下选取不同的等级方案解决当前的任务。
35、与现有技术相比，本公开的有益效果是：(1)在无人系统元任务管理中引入自主等级概念，分层管理无人系统的元任务执行方案；(2)基于无人系统元任务的自主等级管理架构围绕状态机的基本思想，在不影响全局架构的基础上，通过添加状态功能形成新的基状态及状态序列，由等级选择基状态确认具体的执行方案，实现自主等级转移；(3)通过对具体任务实现实时分析及等级推理，实现人机系统负担比的动态分配，能够动态顺利执行元任务；(4)建立了一种基于状态机的自主等级管理方法和系统，能够面向不同的无人系统和任务，进而具有一定的普适性，对于任何任务围绕状态机建立的无人系统都能够适用，对于自主等级管理起到了积极作用。
1.一种无人系统可变自主等级的元任务管理方法，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s1具体包括：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s2具体包括：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s3具体包括：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s4具体包括：
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s5具体包括：
7.根据权利要求1-6中任一所述的方法，其特征在于，所述步骤s6具体包括：
8.一种应用权利要求1-7中任一所述方法的无人系统元任务自主等级管理系统，其特征在于，包括：无人系统等级方案集合模块、无人系统状态模型模块、无人系统自主等级推理模块、无人系统自主转移架构模块，其中：
