[發(fā)明專利]中繼充電模式下無人機路徑規(guī)劃的自適應優(yōu)化方法與系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110031503.5
• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN112859912B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發(fā)明（設計）人: 石建邁;毛慧婷;常雪凝;周忠寶;鄭龍
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京卓嵐智財知識產(chǎn)權代理事務所(特殊普通合伙) 11624
• 代理人: 郭智

1.一種中繼充電模式下無人機路徑規(guī)劃的自適應優(yōu)化方法，其特征在于，包括：

獲取特定區(qū)域內(nèi)目標點的信息、獲取該特定區(qū)域內(nèi)為無人機充電的中繼充電平臺的信息、以及獲取該特定區(qū)域內(nèi)無人機基地的信息；其中，所述特定區(qū)域內(nèi)目標點的信息包括：目標點總數(shù)、各目標點在偵察區(qū)域內(nèi)的位置、每個目標點被偵察的時間窗口；所述特定區(qū)域內(nèi)的中繼充電平臺信息包括中繼充電平臺的位置；

根據(jù)該特定區(qū)域的目標點信息、中繼充電平臺信息和無人機基地信息，使用混合整數(shù)規(guī)劃建模方法建立無人機偵察路徑規(guī)劃模型；

通過基于模擬退火準則的自適應大規(guī)模鄰域搜索算法和充電平臺插入策略求解無人機偵察路徑規(guī)劃模型，求解得到無人機偵察目標點的最優(yōu)規(guī)劃路徑；其中，無人機偵察目標點的最優(yōu)規(guī)劃路徑使得所有目標點在各自被偵察時間窗口內(nèi)被偵察到、且無人機使用數(shù)量最少、完成偵察所有目標點的總時間最少；

根據(jù)該特定區(qū)域的目標點信息、中繼充電平臺信息和無人機基地信息，使用混合整數(shù)規(guī)劃建模方法建立無人機偵察路徑規(guī)劃模型，具體包括：

根據(jù)該特定區(qū)域的目標點信息、中繼充電平臺信息和無人機基地信息，建立無人機偵察路徑目標函數(shù)；所述目標函數(shù)涉及每架無人機的權重系數(shù)、該架無人機在完成偵察所有目標點時間中的權重系數(shù)、以及偵察總時間的權重系數(shù)；并對目標函數(shù)中的決策變量建立約束函數(shù)及范圍約束；

其中，所述對目標函數(shù)中決策變量建立約束函數(shù)，具體包括：

建立第二約束函數(shù)，通過第二約束函數(shù)使得每個目標點被偵察至少且僅為一次；

建立第三約束函數(shù)，通過第三約束函數(shù)使得在無人機偵察路徑上的相鄰的偵察目標點與中繼充電平臺之間，或者，相鄰的偵察目標點與偵察目標點之間具有連接性，

建立第四約束函數(shù)，通過第四約束函數(shù)使得無人機在任一目標點的飛入次數(shù)和飛出次數(shù)相等，以及無人機在任一中繼充電平臺的飛入次數(shù)和飛出次數(shù)相等；

建立第五約束函數(shù)，通過第五約束函數(shù)使得無人機在訪問當前目標點之后，能夠與后續(xù)目標點在時間上具有連續(xù)性；

建立第六約束函數(shù)，通過第六約束函數(shù)使得無人機在訪問當前中繼充電平臺之后，能夠與后續(xù)目標點在時間上具有連續(xù)性；

建立第七約束函數(shù)，通過第七約束函數(shù)確保無人機在偵察時目標點的時間窗口的可行性；

建立第八約束函數(shù)，通過第八約束函數(shù)確保無人機離開偵察目標時電量為非負值；

建立第九約束函數(shù)，通過第九約束函數(shù)確保無人機離開中繼充電平臺時電量為非負值；

建立第十約束函數(shù)，通過第十約束函數(shù)確保無人機離開充電平臺時的電池電量水平滿足相應預設電量值；

建立第十一約束函數(shù)，通過第十一約束函數(shù)確保無人機的在充電之后的電量水平不超過該無人機最大電池容量；

所述通過基于模擬退火準則的自適應大規(guī)模鄰域搜索算法和充電平臺插入策略求解無人機偵察路徑規(guī)劃模型，求解得到無人機偵察目標點的最優(yōu)規(guī)劃路徑，具體包括：

針對無人機偵察路徑目標函數(shù)，假設不采用第十一約束函數(shù)約束無人機的電池容量、采用第七約束函數(shù)約束無人機的偵察時間滿足目標點的時間窗口時，通過鄰域搜索算法為無人機依次設置所要偵察的目標點，以形成該無人機的初步偵察路徑；其中，為無人機每設置一個所要偵察目標點的原則是：該無人機總路程距離增加最小；

采用第十一約束函數(shù)約束該無人機的電池容量上限，采用充電平臺插入策略在初步偵察路徑上插入中繼充電平臺，生成無人機偵察路徑規(guī)劃模型的初始可行解；

基于初始可行解，進行如下操作步驟：

第一、根據(jù)移除算子的權重，以輪盤賭概率自多個移除算子中選擇一個移除算子，在將初始可行解中的所有中繼充電平臺移除之后，根據(jù)所選移除算子設定的移除目標點規(guī)則在初始可行解中移除相應數(shù)量的目標點，得到當前解；

第二、根據(jù)插入算子的權重，以輪盤賭概率自多個插入算子選擇一個插入算子，根據(jù)所選插入算子設定的插入目標點規(guī)則將被移除的目標點重新插回到當前解中修復當前解，得到新的當前解；在將被移除的目標點插回到當前解時，不考慮無人機的電量約束，僅使每個目標點的時間窗口滿足約束；

第三、利用最優(yōu)充電平臺插入策略，將中繼充電平臺插入到新的當前解中生成新的鄰域解；

將新的鄰域解作為迭代之初的當前可行解，基于當前可行解，采用前述的第一到第三的步驟進行迭代；多次迭代后生成最優(yōu)解，將所述最優(yōu)解作為無人機偵察目標點的最優(yōu)規(guī)劃路徑；

所述采用第十一約束函數(shù)約束該無人機的電池容量上限，采用充電平臺插入策略在初步偵察路徑上插入中繼充電平臺，生成無人機偵察路徑規(guī)劃模型的初始可行解，具體包括：

在初步偵察路徑上插入中繼充電平臺后，采用多充電原則、并根據(jù)各中繼充電平臺后續(xù)偵察規(guī)劃路徑上實際所需要的電量水平計算確定無人機在各中繼充電平臺所需的充電量；所述多充電原則是指：將無人機在當前中繼充電平臺的充電時間計入到該無人機在該中繼充電平臺的后一目標點的等待時間；根據(jù)該無人機自當前中繼充電平臺到其后一目標點的飛行時間、以及在后一目標點的等待時間計算該無人機所需電量；

根據(jù)無人機所需的充電量計算其在中繼充電平臺所需的充電時間，根據(jù)無人機在中繼充電平臺所需的充電時間核對該中繼充電平臺之后的偵察路徑上的目標點時間窗口是否仍滿足第六約束函數(shù)；其中，無人機通過其所需的充電量與其現(xiàn)存電量至少能夠完成偵察中繼充電平臺后一目標點；

如果該中繼充電平臺之后的某目標點時間窗口不滿足第六約束函數(shù)，則將該目標點自當前偵察路徑中移除；

將被移除的目標點插回到其他偵察路徑中，并在插入到其他偵察路徑后判斷目標點時間窗口是否滿足第六約束函數(shù)；當被移除的目標點被插入到其他偵察路徑后，該被移除的目標點時間窗口滿足第六約束函數(shù)，則該目標點保留在其所插入的偵察路徑中；

如果剩余無法插入到其他偵察路徑中的目標點，則指派一架新無人機來形成一條新偵察路徑，直至該特定區(qū)域的所有目標點規(guī)劃入偵察路徑。