[發(fā)明專利]一種基于公路網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)的無人機(jī)巡航路線優(yōu)化方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710296982.7
• 申請(qǐng)日: 2017-04-28
• 公開（公告）號(hào): CN107038902B
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 牛樹云;張紀(jì)升;孫曉亮;張凡;李宏海;劉見平;崔瑋;張金金;趙麗;朱麗麗;張利;文娟;王體斌;吳辰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所
• 主分類號(hào): G08G5/00
• 分類號(hào): G08G5/00;G06Q10/04
• 代理公司: 北京市中聞律師事務(wù)所 11388
• 代理人: 王新發(fā);常亞春

1.一種基于公路網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)的無人機(jī)巡航路線優(yōu)化方法，其特征在于：包括以下步驟：

1)路段重要度的計(jì)算：

通過阻斷事件數(shù)和阻斷事件等級(jí)參數(shù)獲得路段重要度，路段上發(fā)生的阻斷事件越多，越嚴(yán)重，則路段越重要，即該路段的信息量越大，路段i的計(jì)算公式如下所示：

其中，N為事件等級(jí)，通常情況下，N等于5；表示路段i上等級(jí)為j的事件數(shù)，且w_j表示等級(jí)j的權(quán)重；

接下來，將路段重要度記作路段信息值，如果無人機(jī)巡航該路段，則表示采集到了這些信息；

2)無人機(jī)飛行路線優(yōu)化模型的構(gòu)建：

將交叉口、互通立交、收費(fèi)站抽象為節(jié)點(diǎn)，提取公路網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的原始拓?fù)鋱D，由路網(wǎng)拓?fù)鋱D易得拓?fù)鋱D的鄰接矩陣M，節(jié)點(diǎn)與路段的關(guān)聯(lián)矩陣B，進(jìn)一步，結(jié)合公路里程數(shù)據(jù)以及無人機(jī)飛行速度信息，得到任意兩節(jié)點(diǎn)之間的飛行時(shí)間矩陣D；

令S為路網(wǎng)中所有路段的集合，S₀為路網(wǎng)中待巡查路段的集合，S₁為路網(wǎng)中無需無人機(jī)巡查的路段集合，則S₀∩S₁＝Φ,S₀∪S₁＝S，無人機(jī)的巡查目標(biāo)是集合S₀中的路段；

計(jì)算兩個(gè)相鄰巡查目標(biāo)之間的飛行時(shí)間的方法如下：

當(dāng)無人機(jī)由路段m飛到路段n時(shí)的飛行時(shí)間L′(m,n)的公式如下：

其中，

表示無人機(jī)由節(jié)點(diǎn)a_s(m)飛到節(jié)點(diǎn)a_s(n)的時(shí)間，

表示無人機(jī)由節(jié)點(diǎn)a_s(m)飛到節(jié)點(diǎn)b_e(n)的時(shí)間，

表示無人機(jī)由節(jié)點(diǎn)b_e(m)飛到節(jié)點(diǎn)a_s(n)的時(shí)間，

表示無人機(jī)由節(jié)點(diǎn)b_e(m)飛到節(jié)點(diǎn)b_e(n)的時(shí)間，

若α的值確定，則可確定無人機(jī)由路段m飛往路段n的起點(diǎn)；若β的值確定，則可確定無人機(jī)由路段m飛到路段n的終點(diǎn)；

令，L(m,n)＝L′(m,n)+h(m,n)；

其中，h(m,n)表示從路段m飛到路段n執(zhí)行巡查目標(biāo)路段任務(wù)所用的時(shí)間，

l(m),l(n)分別表示無人機(jī)在路段m，路段n上的飛行時(shí)間；L(m,n)表示由路段m到路段n的飛行時(shí)間以及無人機(jī)巡查目標(biāo)路段的時(shí)間之和；

計(jì)算無人機(jī)總飛行時(shí)間的方法如下：

對(duì)于無人機(jī)k來說，執(zhí)行一次巡航任務(wù)，總的飛行時(shí)間計(jì)算公式如下：

其中，L_k(m,n)表示無人機(jī)k由路段m到路段n的飛行時(shí)間與無人機(jī)巡查目標(biāo)路段的時(shí)間的總和；W_mnk為0-1變量，當(dāng)無人飛機(jī)k由路段m飛到路段n時(shí)，W_mnk＝1，否則，等于0；W_nmk為0-1變量，含義與W_mnk類似，當(dāng)無人飛機(jī)k由路段n飛到路段m時(shí)，W_nmk＝1，否則，等于0；

構(gòu)建無人機(jī)路線優(yōu)化模型的方法如下：

以路網(wǎng)中未采集的信息量最小和總的無人機(jī)巡航時(shí)間之和最小為目標(biāo)，進(jìn)行建模，優(yōu)化模型如下：

目標(biāo)函數(shù)：

路網(wǎng)中未被采集的信息量最小化

所有無人機(jī)巡航時(shí)間之和最小化

即，

約束條件：

對(duì)任意的m∈S₀；

對(duì)所有的m∈S₀；

當(dāng)無人機(jī)場(chǎng)站設(shè)在路段m時(shí)，對(duì)于任意的k∈N_u，有下式成立：

其中，∨為模糊算子，表示在所有元素中取大；C^F(m)表示路段m不被任何無人機(jī)檢測(cè)到的成本，m∈S₀；x_mk為0-1變量，當(dāng)路段m被無人機(jī)k檢測(cè)到時(shí)，x_mk＝1，否則，等于0；x^F(m)為0-1變量，當(dāng)時(shí)，x^F(m)＝1，否則，等于0，即當(dāng)路段m不被任何無人機(jī)檢測(cè)到時(shí)，否則，為0；N_u表示可用的無人機(jī)的架數(shù)；k為無人機(jī)的下標(biāo)；L_k為無人機(jī)k的最大飛行距離；

綜合優(yōu)化目標(biāo)計(jì)算的方法如下：

通過加權(quán)平均的方式對(duì)模型優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行綜合計(jì)算，首先分別將兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算公式如下：

其中，s₁和s₂分別表示目標(biāo)1，和目標(biāo)2的函數(shù)值的歸一化值，p₁和p₂分別表示目標(biāo)1的函數(shù)值和目標(biāo)2的函數(shù)值；

進(jìn)一步，通過下式得到最終的目標(biāo)函數(shù)值P；

P＝ω₁s₁+ω₂s₂；

ω₁和ω₂為權(quán)重值，且ω₁+ω₂＝1。