一种无人机基站选址与巡逻路径优化方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种无人机基站选址与巡逻路径优化方法及装置，所述方法包括：根据无人机侦察的目标点和基站的欧式距离对目标点进行聚类处理，而后对每个类按照CW节约搜索算法规划无人机路径，以无人机续航时间约束无人机巡逻路径，检测并调整无人机配置得到无人机基站选址与巡逻路径的初始方案；对初始方案进行邻域搜索，获得无人机基站选址与巡逻路径邻域调整后的新方案；计算无人机基站选址与巡逻路径的新方案的总费用；若判定新方案总费用比原初始方案总费用减少，则保存新方案，并在新方案的基础上进行领域搜索，否则舍弃，重新进行领域搜索，直到达到预定的领域搜索次数。上述技术方案可以使无人机基站选址与巡逻路径成本最小化。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机基站选址与巡逻路径优化方法及装置
本专利技术涉及无人机
，尤其涉及一种无人机基站选址与巡逻路径优化方法及装置。
技术介绍
近年来边境地区偷渡、走私、恐怖活动等犯罪行为日渐严重，犯罪形式呈现出多样化、智能化、隐蔽化的趋势，这都对边防部队的监测能力和反应速度提出了较高的要求。而且我国陆地边境线大部分为高山大漠区域，地理位置复杂、环境恶劣，靠站岗和人工巡逻这种传统的边防监测方式效率低、危险性高、反应速度慢，无法满足当前边境形势的需求。安装摄像头这种监控方式也因其成本高、后期难以维护，无法进行广泛应用。因此，随着无人机和空中监视技术的发展，在边防地区部署无人机进行监控和巡逻的做法逐渐普及，美国、意大利等国已经率先使用无人机协助边境巡逻。由于美国部分边境线穿过无人居住和难以通行的区域，地面摄像机、传感器等设备难以维护，非法越境和贩毒活动频发，美国国土安全局于2003年开始研究将无人机应用于边境巡逻。同年，选定长航时的高空无人机“捕食者B”进行侦查巡逻。在一些难以建设基础设施或不便到达的偏僻地区，“捕食者B”能够帮助边境局准确分辨边境入侵情况，大大提高监控的反应速度和边境的巡逻效率。但是“捕食者B”作为大型无人机，更多的用于高空监控，一方面其飞行路线需经过飞行管制和调度，另一方面，在树林等有树叶或其他物体遮盖的区域，高空监控难以发现小规模的犯罪行为，巡逻精度较低。在小型无人机方面，美国警方分别在亚利桑那州和洛杉矶使用“skywalkersX8”和“dranganflyerX6”协助侦查，这两种小型无人机的重量较轻、可拆卸装入背包，其续航能力只有30分钟左右，时间较短，主要作为边境监控协助工具来帮助边境人员扩大巡逻监控的视线范围。许多欧洲国家也已经开始应用无人机用于边境巡逻。欧盟在2006年决定在地中海沿岸和拉芒什海峡附近的边境线使用无人机进行巡逻，预防偷渡、走私、恐怖活动等。意大利国防部也已经从2008年开始使用无人机，先后6架购买了“收割者”MQ-9无人机，用来加强巡逻效率和为边防部队提供保障。据报道，俄罗斯联邦安全局已经使用国产的“副翼”进行空中侦查。边防部门表示，在巡视难以到达的交通困难路段，无人驾驶航空系统能够协助边防监控，查明偷猎活动，并引导边防值勤人员去抓捕违法者。此外，巴西、以色列、土耳其等国家也相继在边防监控上引入无人机辅助完成巡逻任务。国内方面，新疆边防部队在2013年引进了相应的六旋翼无人机，在山地复杂区域协助边防执勤，帮助官兵进一步消除观察盲区，加强边防监控和管理力度，确保边防地区的安全稳定。之后，内蒙古省内的边防线也进行了无人机的部署，用以帮助官兵更高效更安全的完成在大漠戈壁内的巡逻和监控。2016年11月，广东省公安边防总队利用多架无人机对粤港的边防线进行巡逻监控，为打击偷渡走私等违法犯罪活动提供技术保障。从国外无人机在边防巡逻的应用来看，无人机能够大大提高边防部队的边境监控能力、反应速度和巡逻效率，很好的弥补了传统手段的不足，得到了越来越多国家的重视与应用将成为边境巡查的重要力量。从国内无人机边防巡逻情况来看，还处于起步阶段，在新疆、内蒙等地进行了一些试点部署应用，随着无人机技术的发展与推广应用，将成为我国边境巡逻的重要组成力量。确定无人机的部署基站和规划无人机巡逻的飞行路线是应用无人机辅助边防巡逻时面临的一个关键技术问题。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种无人机基站选址与巡逻路径优化方法及装置，以使无人机基站选址与巡逻路径成本最小化，大大降低无人机巡逻成本。一方面，本专利技术实施例提供了一种无人机基站选址与巡逻路径优化方法，所述方法包括：根据无人机侦察的目标点和基站的欧式距离对目标点进行聚类处理，而后对每个类按照CW节约搜索算法规划无人机路径，检测并调整基站的无人机数量，得到无人机基站选址与巡逻路径的初始方案；对所述初始方案进行邻域调整，获得无人机基站选址与巡逻路径邻域调整后的新方案；计算所述无人机基站选址与巡逻路径的新方案的总费用；若判定所述新方案总费用比原方案总费用减少，则保存新方案，并在新方案的基础上进行下一步迭代，否则舍弃。另一方面，本专利技术实施例提供了一种无人机基站选址与巡逻路径优化装置，其特征在于，所述装置包括：初始方案获取单元，用于根据无人机侦察的目标点和基站的欧式距离对目标点进行聚类处理，而后对每个类按照CW节约搜索算法规划无人机路径，检测并调整基站的无人机数量，得到无人机基站选址与巡逻路径的初始方案；邻域调整单元，用于对所述初始方案进行邻域调整，获得无人机基站选址与巡逻路径邻域调整后的新方案；费用计算单元，用于计算所述无人机基站选址与巡逻路径的新方案的总费用；迭代判断单元，用于若判定所述新方案总费用比原方案总费用减少，则保存新方案，并在新方案的基础上进行下一步迭代，否则舍弃。上述技术方案具有如下有益效果：可以使无人机基站选址与巡逻路径成本最小化，大大降低无人机巡逻成本，且能够给出更优的选址路径规划方案。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例一种无人机基站选址与巡逻路径优化方法流程图；图2为本专利技术实施例一种无人机基站选址与巡逻路径优化装置结构示意图；图3为本专利技术实施例邻域调整单元结构示意图；图4为本专利技术实施例无人机边境巡逻基站选址与飞行路径规划问题的示意图；图5为本专利技术实施例基站关闭示意图；图6为本专利技术实施例目标点交换的示意图；图7为本专利技术实施例限定条件下的控制基站候选点和侦查目标点示意图；图8为本专利技术实施例求得的实验案例初始方案(a)和邻域搜索后的优化方案(b)示意图；具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例针对无人机边防巡逻中的部署基站选址和巡逻路线规划问题展开研究，依托现有边防部队设施，以边防哨所作为可供部署无人机的候选基站，以边境重要巡逻区域为巡逻侦察目标，建立无人机基站选址与巡逻路线集成优化的数学规划模型，基于聚类分配与启发式搜索设计模型的快速求解算法，为无人机在边防巡逻邻域的应用提供技术支撑。如图1所示，为本专利技术实施例一种无人机基站选址与巡逻路径优化方法流程图，所述方法包括：101、根据无人机侦察的目标点和基站的欧式距离对目标点进行聚类处理，而后对每个类按照CW节约搜索算法规划无人机路径，检测并调整基站的无人机数量，得到无人机基站选址与巡逻路径的初始方案；102、对所述初始方案进行邻域调整，获得无人机基站选址与巡逻路径邻域调整后的新方案；103、计算所述无人机基站选址与巡逻路径的新方案的总费用；104、若判定所述新方案总费用比原方案总费用减少，则保存新方案，并在新方案的基础上进行下一步迭代，否则舍弃。优选地，所述根据无人机侦察的目标点和基站的欧式距离对目标点进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无人机基站选址与巡逻路径优化方法，其特征在于，所述方法包括：根据无人机侦察的目标点和基站的欧式距离对目标点进行聚类处理，而后对每个类按照CW节约搜索算法规划无人机路径，以无人机续航时间约束限定无人机巡逻路径，并限定每个基站配置无人机数量的上下限，得到无人机基站选址与巡逻路径的初始方案；对所述初始方案进行邻域搜索，获得无人机基站选址与巡逻路径邻域调整后的新方案；计算所述无人机基站选址与巡逻路径的新方案的总费用；若判定所述新方案总费用比原方案总费用减少，则保存新方案，并在新方案的基础上进行下一步领域搜索，否则舍弃，在原方案的基础上进行邻域搜索，直到达到预定搜索次数。

【技术特征摘要】
1.一种无人机基站选址与巡逻路径优化方法，其特征在于，所述方法包括：根据无人机侦察的目标点和基站的欧式距离对目标点进行聚类处理，而后对每个类按照CW节约搜索算法规划无人机路径，以无人机续航时间约束限定无人机巡逻路径，并限定每个基站配置无人机数量的上下限，得到无人机基站选址与巡逻路径的初始方案；对所述初始方案进行邻域搜索，获得无人机基站选址与巡逻路径邻域调整后的新方案；计算所述无人机基站选址与巡逻路径的新方案的总费用；若判定所述新方案总费用比原方案总费用减少，则保存新方案，并在新方案的基础上进行下一步领域搜索，否则舍弃，在原方案的基础上进行邻域搜索，直到达到预定搜索次数。2.如权利要求1所述无人机基站选址与巡逻路径优化方法，其特征在于，所述根据无人机侦察的目标点和基站的欧式距离对目标点进行聚类处理，而后对每个类按照CW节约搜索算法规划无人机路径，以无人机续航时间约束限定无人机巡逻路径，并限定每个基站配置无人机数量的上下限，得到无人机基站选址与巡逻路径的初始方案，包括：Step1：已知侦查目标点集合和基站候选点集合以及每个点的位置，根据欧式距离，将每个侦查目标点分配给距离最近的基站候选点；Step2：计算每个基站候选点分配到目标点的数量，找出分配到目标点数量最多的基站，将该基站设定为开设状态，并移除候选基站集合；Step3：针对目标点数量最多的基站，计算目标点到基站的节约矩阵；Step4：应用节约算法构建基站的无人机巡逻路径，包括以下子步骤Step4.1：根据节约矩阵，在无人机的航程约束下，按照节约里程量从大到小的顺序，对目标侦查点进行依次合并；Step4.2：判断是否达到无人机续航能力约束下的最大回路，如果达到则为该基站增加一架无人机，转Step4.3；如果没有达到，则继续判断是否还有未合并的目标点，如果没有，则为该基站增加一架无人机，转Step5，如果还有未合并的目标点则转Step4.1；Step4.3：判断基站无人机数量是否达到上限，如果达到，则将还未合并的搜索目标点按照距离最近原则重新分配给未开设的基站候选点，并转Step2，如果没有达到，则转Step4.1；Step5：检查是否还有未侦察的目标点，如果有则转Step2，如果没有进入Step6；Step6：检测基站无人机配置数量，按无人机配置数量由少到多排序，如果无人机配置数量最少的达到基站配置数量的下限，则结束，给出初始方案；如果没有达到，则进行如下操作：Step6.1：如果该基站只有一个相邻基站，并且相邻基站无人机配置数量少于上限，则关闭该基站，将其目标分配给相邻的基站，应用Step4的节约算法重新构建无人机巡逻路径，若应用基站配置上限数量的无人机能够完成所有目标的巡逻，则转Step6，若不能完成所有目标的巡逻，则转Step6.3；Step6.2：如果该基站有两个相邻的基站，则关闭该基站，将其目标先分配给无人机数量较少的相邻基站，应用Step4的节约算法重新构建无人机巡逻路径，若应用基站配置上限数量的无人机能够完成所有目标的侦察，则转Step6，则将该相邻基站的无人机配置到上限数量，并将剩余不能访问的目标分配给第二个相邻基站，应用Step4的节约算法重新计算第二个相邻基站的无人机巡逻路径，若第二个相邻基站应用配置上限数量的无人机能够完成所有目标的巡逻，则转Step6，否则转Step6.3；Step6.3：为无人机数量少于下限的基站增加1架无人机，该无人机按照最近原则顺序访问相邻基站中无人机数量较多的一个基站分配的目标点，构建该无人机的最大访问回路，依次为该基站增加无人机，直到达到无人机下限数量要求，然后对该相邻基站剩余的目标点应用Step4的节约算法重新构建无人机巡逻路径，转Step6；Step7：若Step6循环次数超过候选基站总数，则停止算法，给出基站选址和无人机巡逻路径的初始方案。3.如权利要求1所述无人机基站选址与巡逻路径优化方法，其特征在于，对所述初始方案进行邻域搜索时调用如下元操作：关闭基站操作：关闭基站并重新分配相应目标点，使控制基站的无人机完全利用，以降低巡逻费用。4.如权利要求1所述无人机基站选址与巡逻路径优化方法，其特征在于，对所述初始方案进行邻域搜索时调用如下元操作：交换目标点操作：在同一基站的两个无人机飞行回路内各自随机选择一个目标点，进行交换。5.如权利要求1所述无人机基站选址与巡逻路径优化方法，其特征在于，对所述初始方案进行邻域搜索时调用如下元操作：合并无人机路由：在满足无人机续航能力的约束条件下，随机选取一个基站或两个邻近基站的两条无人机飞行回路进行合并。6.一种无人机基站选址与巡逻路径优化装置，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘忠，刘瑶，石建迈，陈超，罗志浩，张家铭，王玥，周天任，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43