[发明专利]一种高速公路警用无人机停机坪选址方法

摘要

本发明公开了一种高速公路警用无人机停机坪选址方法，包括正常巡检用无人机停机坪选址、非连通路线的备用无人机停机坪选址、连通路线的备用无人机停机坪选址几个过程。同时本发明还公开了一种高速公路警用备用无人机调度方法，分为非连通路线的调度方法和连通路线的调度方法。本发明利用单目标线性优化数学模型来计算无人机停机坪布设间距及数量的方法，合理布设无人机停机坪并布设一定数量的备用无人机，当无人机出现故障后，备用无人机启动，并对无人机群进行调度。

主权项

1.一种高速公路警用无人机停机坪选址方法，所述无人机停机坪为无线充电模块和无线通信模块构成的地面设备，其特征在于：包括以下过程：(1)、正常巡检用无人机停机坪选址：将所需巡检区域的路网进行划分，所述路网由节点和路段组成，将需要巡检区域的道路交叉口标记为节点，提取路网中所有节点组成集合N＝{N1,N2,…,Nm}；每两个相邻节点之间的可连通道路即为一个路段，提取路网中所有路段组成集合D＝{D1,D2,…,Dm}；按路段计算无人机停机坪的布设位置，设所计算路段正常情况下巡检无人机个数为n，则需布设n+1个无人机停机坪，采用单目标线性优化的方法确定无人机停机坪布设间距、无人机停机坪个数，过程如下：(1.1)、计算无人机停机坪布设数量及间距时，以无人机总巡检时间及充电时间最短目标设置目标函数：mint＝tx+tc         (1)，式(1)中t表示路段无人机群总巡检时间与充电补给时间之和；t_x表示路段无人机群巡检总耗时，t_c表示一次巡检之后路段无人机群完全充电总耗时，n表示路段巡检无人机数量；d表示每相邻两个无人机停机坪之间的距离；v表示无人机正常巡检时速；T表示无人机电量为0时完全充满电所需时间；E为无人机续航里程；(1.2)、对无人机停机坪布设间距d设置约束：式(2)中μ为电量预留系数，无人机巡检任务后所需预留电量的百分比即为电量预留系数；(1.3)对无人机巡检路径长度进行约束：nd≥D       (3)，式(3)中D为所计算路段的长度；(1.4)、对巡检无人机数量进行约束：{n|n>0,n∈Z}      (4)，式(4)中Z表示自然数集；(1.5)将式(1)‑式(4)汇总，写成如下形式：(1.6)、按约束条件，使用线性规划的方法求解目标函数的最小值，即从可行域中某一个边界点开始，判断此边界点是否是最优解，若不是，则计算另一个边界点，以此迭代，直到求出最优解，最优解即为所计算路段使得无人机巡检总时间及充电时间最短的无人机数量n和无人机停机坪之间的间距d，而需要沿路段均匀布设的无人机停机坪数量为(n+1)个，并按此方法计算路网内所有路段的无人机停机坪布设位置；(2)、非连通路线的备用无人机停机坪选址：按照步骤(1)计算得出路网内无人机停机坪布设位置，以每个无人机停机坪为圆心，以无人机续航里程E为半径标出圆形区域，此圆形区域即为无人机满电状态时经一次调度的可达区域，定义为一次可达区域；无人机可以在其停落的停机坪及其一次可达区域内的其它无人机停机坪之间进行调度，每个无人机停机坪的一次可达区域内至少包含一个同路段的无人机停机坪；当某路段Di所有无人机停机坪的一次可达区域都不包含其它路段的无人机停机坪时，认为此路段的无人机调度路径与其它路段不连通，即为非连通路线；非连通路线单独设置备用无人机，备用无人机及其停机坪可根据路段实际情况设置在路段中心点附近；(3)、连通路线的备用无人机停机坪选址：当某路段Di至少有一个无人机停机坪的一次可达区域包含其它路段Dj的无人机停机坪时，认为路段Di和路段Dj无人机调度路线连通，即两路段组成连通路线；连通路线所包含的路段可共用备用无人机，备用无人机需根据实际情况设置备用无人机个数k，然后以k为要生成的子集数目，对一个连通调度路线所有无人机停机坪坐标使用聚类分析，输出k个类及k个聚类中心点，将无人机停机坪设置在距每个聚类中心最近的不同路段的重叠一次可达区域内，具体过程如下：(3.1)、将一个连通调度路线所有无人机停机坪坐标按照一定方向次序排列，并写入集合P＝{Pi1,Pi2,…,Pin,Pi(n+1),Pj1,Pj2,…,Pjn,Pj(n+1)}，其中Pin表示路段Di中的第n个无人机停机坪，其中Pjn表示路段Dj中的第n个无人机停机坪；(3.2)、由于样本均为经纬度坐标，因此在聚类算法中采用球面距离来度量样本之间的相似性，球面距离的计算公式为：L(Pin,Pjn)＝R×arccos(a+b)        (6)，式(6)中，L(Pin,Pjn)表示点Pin和点Pjn之间的最短球面距离；R为地球平均半径，约为6371千米；a＝sin(PinLon×π/180)×sin(PjnLon×π/180)，PinLon为点Pi的经度，PjnLon为点Pj的经度；b＝cos(PinLat×π/180)×cos(PjnLat×π/180)×cos(PjnLon‑PinLon)，PinLat为点Pi的纬度，PjnLat为点Pj的纬度；(3.3)、设置要生成的数据子集的数目k，将输入的数据集P划分为k类；从样本数据集P中随机选取k个对象作为初始聚类中心，经过聚类分析得到k个类及k个聚类中心；其中k个聚类中心的坐标用集合表示为Z＝{Z1,Z2,…,Zk}，其中Zk表示第k个聚类中心的经纬度坐标；(3.4)、标出k个聚类中心点，并做出k个聚类中心点的一次可达区域；若第i个聚类中心点的一次可达区域包含集合P中的任一点，则在聚类中心i处布设备用无人机停机坪，其中，i取1,2…,k；若第i个聚类中心点的一次可达区域不包含P中的任一点，则需根据实际情况在距聚类中心点i最近的不同路段无人机停机坪一次可达区域的重叠区域布设备用无人机停机坪。