一种高速公路警用无人机停机坪选址方法技术

本专利公开了一种高速公路警用无人机停机坪选址方法，所述方法包括：步骤一：确定正常巡检用无人机停机坪的地址；步骤二：确定非连通路线的备用无人机停机坪地址；步骤三：确定连通路线的备用无人机停机坪地址。通过上述选址方法，能够在保证有效的无人机监控效率的情况下，尽可能地布置更少的无人机数量，并且保持无人机在故障的情况下有备用无人机可以替代，并且设置数量和距离合理降低了路网监控的成本和无人机的能耗。

【技术实现步骤摘要】
一种高速公路警用无人机停机坪选址方法
本专利属于智能交通
，具体而言涉及一种高速公路警用无人机停机坪选址方法
技术介绍
保持高速公路的畅通、安全，实时获取路面交通状态是一项十分重要的工作。若安插大量警力进行巡检工作，不仅人力成本高，可能会造成一定程度的人力资源浪费，并且巡检存在执勤人员的安全问题。此外花费时间较长，巡检范围受路线限制。现代警用无人机具有高空作业能力，能够远距离、快速的完成作业指令，巡检过程不受地面交通的限制，能够全方位、实时、精确的监测地面的交通状态。如果使用无人机代替人工巡逻，不仅可以大大减少出警巡逻次数，而且可以在很大程度上提高巡逻的效率。使用无人机数十分钟巡视的时间，可以达到多个单位警力几小时的巡视效果。无人机自动巡检需要布设一定数量的无人机停机坪为无人机充电，并且合理的布设位置可以提高无人机巡检效率。目前，关于无人机巡检方面的研究已经有很多，其中针对道路巡检的研究已经可以使用多个无人机对道路自动巡检，但当无人机群中某台无人机出现故障时，系统无法自动调度无人机保证巡检任务正常进行。
技术实现思路
为了使无人机群中部分无人机出现故障后，无人机群仍然能按正常工况对道路进行全面巡检。需要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。使得可以正常工作的无人机代替故障无人机执行巡检任务。本专利技术提出了一种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。按照无人机停机坪布设位置将路段划分为连通路线和非连通路线，分别考虑着两种情况提出备用无人机停机坪布设位置选择方法和调度方法。本专利技术技术方案如下：一种高速公路警用无人机停机坪选址方法，其特征在于，所述方法包括：步骤一：确定正常巡检用无人机停机坪的地址首先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各参数：式中t表示路段无人机群总巡检时间与充电补给时间之和；tx表示路段无人机群巡检总耗时，tc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；μ为电量预留系数，D为所计算路段的长度；Z表示自然数集；按约束条件使用线性规划的方法求解目标函数的最小值，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；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。步骤二：确定非连通路线的备用无人机停机坪地址按照步骤一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为一次可达区域；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，标记此路段为非连通路线，该非连通路线的各个路段单独设置备用无人机，备用无人机及其停机坪根据路段实际情况设置在路段中心点附近；步骤三：确定连通路线的备用无人机停机坪地址当某路段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，则定义路段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共用备用无人机，备用无人机个数定义为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。计算方法如下：S301将一个连通调度路线所有无人机停机坪坐标按照预定方向次序排列，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；S302在聚类算法中，用球面距离代替欧几里得距离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)其中，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。S303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；S304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(i取1，2…，k)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；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。以及一种高速公路警用无人机调度方法，其特征在于，所述无人机采用如权利要求1-2中任一项所述的选址方法选址，在调度非连通路线的无人机时：将路段Di的无人机停机坪按照预定方向次序排列，并以集合形式表示Pi＝{Pi1，Pi2，…，Pin，Pi(n+1)}，其中Pin表示路段Di中的第n个无人机停机坪；当无人机停机坪Pir上所停落的无人机发生故障时，对备用无人机调度，使其行驶至无人机停机坪到Pir之间的无人机整体向Pir方向移动一个停机坪的位置，降落至到Pir之间的无人机停机坪；在调度非连通路线的无人机时：当连通调度路线中无人机发生故障时，距故障无人机最近的备用无人机启动；若故障无人机在备用无人机停机坪的一次可达区域内，备用无人机直接飞往故障无人机处；若故障无人机在备用无人机停机坪的一次可达区域外，备用无人机飞往故障无人机所在方向的相邻路段Dm的一次可达无人机停机坪Pmi；路段Dm中连通故障无人机所在方向的相邻路段的无人机所在停机坪为Pmr，Pmi到Pmr之间的无人机整体向着发生故障的调度路线的停机坪移动一个停机坪的位置，直到故障无人机有正常无人机替代，调度结束。通过上述选址和调度方法，能够在保证有效的无人机监控效率的情况下，尽可能地布置更少的无人机数量，并且保持无人机在故障的情况下有备用无人机可以替代，并且设置数量和距离合理降低了路网监控的成本和无人机的能耗。附图说明图1本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速公路警用无人机停机坪选址方法，其特征在于，所述方法包括：步骤一：确定正常巡检用无人机停机坪的地址首先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各参数：

【技术特征摘要】
1.一种高速公路警用无人机停机坪选址方法，其特征在于，所述方法包括：步骤一：确定正常巡检用无人机停机坪的地址首先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各参数：式中t表示路段无人机群总巡检时间与充电补给时间之和；tx表示路段无人机群巡检总耗时，tc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；μ为电量预留系数，D为所计算路段的长度；Z表示自然数集；按约束条件使用线性规划的方法求解目标函数的最小值，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；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。步骤二：确定非连通路线的备用无人机停机坪地址按照步骤一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为一次可达区域；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，标记此路段为非连通路线，该非连通路线的各个路段单独设置备用无人机，备用无人机及其停机坪根据路段实际情况设置在路段中心点附近；步骤三：确定连通路线的备用无人机停机坪地址当某路段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，则定义路段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共用备用无人机，备用无人机个数定义为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。计算方法如下：S301将一个连通调度路线所有无人机停机坪坐标按照预定方向次序排列，并写入集合P＝{Pi1，Pi2，…，Pin，Pi(n+1)，Pj1，Pj2，…，Pjn，Pj(n+1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：于海洋，王云鹏，任毅龙，刘帅，杨刚，张路，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11