一种面向多架植保无人机编队协同喷施药物的无人机数量优化方法技术

本发明专利技术涉及无人机的技术领域，更具体地，涉及一种面向多架植保无人机编队协同喷施药物的无人机数量优化方法。一种面向多架植保无人机编队协同喷施药物的无人机数量优化方法，其中，包括以下步骤：S1.输入多架无人机编队协同喷施问题中所涉及的相关参数：目标区域参数，无人机自身参数，成本函数参数；S2.构建多架无人机编队协同喷施问题的数学模型；S3.根据是否允许出现覆盖重复，划分多架无人机编队协同喷施问题的问题类型；S4.确定最优值的取值范围，并且在该范围内选取最优值。该方法中，多架植保无人机保持“一字型”或“V字型”实施药物喷施作业，综合考虑作业时间和油耗成本制定成本函数，在有限步骤内，以成本函数值最小为依据选择完成目标区域协同喷施任务的最优的编队成员数目，并给出编队成员之间覆盖重复率的选择方法。

Optimization method of UAV number for multiple plant protection UAV formation coordinated spraying medicine

The invention relates to the technical field of unmanned aerial vehicles (UAVs), and more specifically relates to a method for optimizing the number of UAVs for the cooperative spraying of medicines by the formation of multiple plant protection UAVs. A method for optimizing the number of UAVs for cooperative spraying of medicines by multiple plant protection UAVs formation is proposed, which includes the following steps: S1. Input of relevant parameters involved in cooperative spraying of multiple UAVs formation: target area parameters, UAVs own parameters, cost function parameters; S2. Construction of multiple UAVs formation coordination. Mathematical model of the same spraying problem; S3. The problem types of multiple UAV formation cooperative spraying problem are divided according to whether overlay repetition is allowed; S4. The range of the optimal value is determined and the optimal value is selected in this range. In this method, several plant protection UAVs are kept in \one\ or \V\ shape to implement the drug spraying operation. The cost function is formulated by considering the operation time and fuel consumption cost. The optimal number of formation members to complete the cooperative spraying task in the target area is selected according to the minimum cost function value in the limited steps, and the optimal number of formation members to complete the cooperative spraying task in the target area is given. A method for selecting duplicate rates among formation members.

【技术实现步骤摘要】
一种面向多架植保无人机编队协同喷施药物的无人机数量优化方法
本专利技术涉及无人机的
，更具体地，涉及一种面向多架植保无人机编队协同喷施药物的无人机数量优化方法。
技术介绍
随着农业机械化程度的不断提高，以及植保无人机的大面积使用，植保作业效率得到了大幅度的提高。植保作业要求无人机喷施的药物完全覆盖目标区域，并避免在作业过程中出现重喷和漏喷现象，这需要为无人机规划出合适的轨迹，当无人机沿该轨迹行驶可以实现目标区域的完全覆盖，并满足重复率要求和能量消耗最少的目标。相较于单架无人机作业，多架无人机协同作业具有效率更高、作业时间更短、鲁棒性更强的优点。鉴于以上优势，多架植保无人机采用“一字型”或“V字形”紧密编队，协同喷施在农业植保任务上有着广泛的潜在用途，目前已有的方法是将目标区域进行划分，再将划分后的区域分配给各架无人机，每架无人机采用“几字形”往复运动对所负责的区域实施喷施作业。相对单机工作模式，这种联合作业的方法能获得更高的作业效率，但是这种工作模式下，无人机仅各自完成所分配区域的作业任务，各无人机之间缺乏密切的相互协同，没有考虑集群无人机采用编队协同的方式执行任务时提升喷施作业效能的可能性。另一方面，现有的多机协同喷施问题一般只以完成任务的时间长短作为作业效率的评价标准，没有综合考虑无人机油耗和喷施作业过程中的人力成本，这会造成实际应用中的结果偏差。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种面向多架植保无人机编队协同喷施药物的无人机数量优化方法，其针对现有技术的不足，以综合考虑作业时间和油耗花销的成本代价最小为优化目标，本专利技术公开一种多架植保无人机密集编队协同实施喷施任务时选取编队成员数目以及无人机群中各架无人机之间覆盖重复率的优化方法。本专利技术的技术方案是：一种面向多架植保无人机编队协同喷施药物的无人机数量优化方法，其中，包括以下步骤：S1.输入多架无人机编队协同喷施问题中所涉及的相关参数：目标区域参数，无人机自身参数，成本函数参数；S2.构建多架无人机编队协同喷施问题的数学模型；S3.根据是否允许出现覆盖重复，划分多架无人机编队协同喷施问题的问题类型；S4.确定最优值的取值范围，并且在该范围内选取最优值。与现有技术相比，有益效果是：本专利技术公开一种多架植保无人机密集编队协同实施喷施作业时，选取编队成员数目以及无人机群中各架无人机之间覆盖重复率的优化方法。该方法中，多架植保无人机保持“一字型”或“V字型”实施药物喷施作业，综合考虑作业时间和油耗成本制定成本函数，在有限步骤内，以成本函数值最小为依据选择完成目标区域协同喷施任务的最优的编队成员数目，并给出编队成员之间覆盖重复率的选择方法。所提出方法能根据不同的应用场景调节区域长宽。时间成本与油耗花销权重参数，无人机覆盖范围等参数，并具有计算简单、实用性强的优点。附图说明图1：目标区域及相关参数示意图。图2：无人机喷洒范围示意图。图3:有效路径与往返路径的定义第一示意图。图4:有效路径与往返路径的定义第二示意图。图5：覆盖重复率为0时，不可整除数目完成协同喷施任务的效果。图6：调整覆盖重复率后，不可整除数目完成协同喷施任务的效果。图7：各无人机之间不允许有覆盖重复时，找寻最优解的流程图。图8：各无人机间允许存在一定覆盖重复时，找寻最优解的流程图。图9：相关参数计算流第一示意图。图10：相关参数计算流第二示意图。图11：判断条件示意图。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。步骤1：输入图1所示的的相关参数，其中，形状规则的目标区域的一边宽为W、长为L，人工成本与路径消耗成本之间的比值α/β′；输入单架无人机的覆盖范围为Ld，如图2所示。步骤2：针对图1所示的作业区域，和数目为n的无人机群，选定一个执行任务的覆盖方向，以ov表示两架无人机间的覆盖重复率，构建以无人机数目为自变量的路径长度函数、时间消耗函数、以及综合考虑由时间消耗和无人机群能量消耗构成的成本函数。具体过程如下所示：(2.1)构建以无人机群数目为自变量的路径长度函数，该函数的值为无人机群中所有无人机航迹的总和。以一架无人机执行喷施任务为例，如图3、4所示，将用于执行喷施任务的路径记为有效路径，在图中以红色虚线标注；从终点返回起始位置的路径称为往返路径，在图中以蓝色虚线标注。图3表示近端终点返回，图4表示远端终点返回。无人机群的有效路径总长度：无人机群总的往返路径长度：无人机总的路径长度：d＝de+dwf(3)(2.2)构建以无人机群数目为自变量的时间消耗函数，该函数的值与单架无人机所经过的路径长度和无人机的速度相关。完成协同喷施任务的时间是：t＝d/v/n(4)(2.3)构建成本函数，将时间消耗乘以比例系数β折算成人工成本花费，将路径消耗乘以比例系数α折算成油耗成本花费，综合考虑人工成本花费和无人机群的油耗成本花费，构建以无人机群数目为自变量的总的成本函数：cost＝α*d+β*t(5)以成本函数值作为衡量该方案性能的标准，选取使成本函数值最小的无人机群成员数目。步骤3：针对某一确定的覆盖方向，选择最优编队成员数目进行编队协同喷施作业时，考虑对于某一数目的无人机群，若ov＝0时，该数目的无人机群能刚好以“一字型”或“V字形”编队完成协同喷施任务，称这种情况下无人机群的数目为可整除数目如图5所示，与之相反，若ov为零，该数目的无人机群以“一字型”或“V字形”编队执行协同喷施共同覆盖任务时会出现覆盖到区域外侧的情况，如图6所示，称这种情况下的无人机群数目为不可整除数目，为避免造成环境污染，在该种情况下就必须引入一定的重复率，即ov>0，才能按要求完成协同喷施任务。根据是否允许出现重复，该问题可分为以下两类：(1)假设无人机之间不允许出现覆盖重复率，即ov＝0。在某一确定的覆盖方向下，针对所有可整除数目，选择使无人机群成本函数的值最小的机群中无人机的数目作为最优解。(2)无人机之间允许出现覆盖重复率，则ov≠0,即针对任意数目在某一确定的覆盖方向下，选择机群的最优数目，并确定该种方案下，无人机群中每架无人机间的重复率。步骤4：根据问题类别给出具体的解的过程如下所示：(4.1)针对第3节所描述的情况，分类讨论两类问题(4.2.1.1)当不允许无人机之间有覆盖重复率时，可能的求解范围为任意可整除数目，在该求解范围内，按照图7所示流程找寻最小值。(4.2.1.2)图7所示流程图的具体参数和判断条件如图11所示，具体操作流程如下：S1：判断W/Ld为奇数还是偶数，并写出所有可整除数目；S2：若W/Ld为奇数，则接下来判断W/Ld是否是质数；S2.1：若W/Ld是质数，则判断时间成本与路径成本的比值小于ξ1是否成立。若成立，则最优数目为W/Ld，否则1架无人机执行该任务的成本最低；S2.2.1：若W/Ld不是质数，则此时任意在取值范围内的无人机均从远端终点返回，无人机群的成本函数可以统一写成如下形式：Cost(n)＝α·di·n+本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向多架植保无人机编队协同喷施药物的无人机数量优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.输入多架无人机编队协同喷施问题中所涉及的相关参数：目标区域参数，无人机自身参数，成本函数参数；S2.构建多架无人机编队协同喷施问题的数学模型；S3.根据是否允许出现覆盖重复，划分多架无人机编队协同喷施问题的问题类型；S4.确定最优值的取值范围，并且在该范围内选取最优值。

【技术特征摘要】
1.一种面向多架植保无人机编队协同喷施药物的无人机数量优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.输入多架无人机编队协同喷施问题中所涉及的相关参数：目标区域参数，无人机自身参数，成本函数参数；S2.构建多架无人机编队协同喷施问题的数学模型；S3.根据是否允许出现覆盖重复，划分多架无人机编队协同喷施问题的问题类型；S4.确定最优值的取值范围，并且在该范围内选取最优值。2.根据权利要求1所述的一种面向多架植保无人机编队协同喷施药物的无人机数量优化方法，其特征在于：所述的步骤S1中，输入相关参数，其中，形状规则的目标区域的一边宽为W、长为L，人工成本与路径消耗成本之间的比值α/β′；输入单架无人机的覆盖范围为Ld。3.根据权利要求1所述的一种面向多架植保无人机编队协同喷施药物的无人机数量优化方法，其特征在于：所述的步骤S2中，针对作业区域，和数目为n的无人机群，选定一个执行任务的覆盖方向，以ov表示两架无人机间的覆盖重复率，构建以无人机数目为自变量的路径长度函数、时间消耗函数、以及综合考虑由时间消耗和无人机群能量消耗构成的成本函数；具体过程如下所示：(2.1)构建以无人机群数目为自变量的路径长度函数，该函数的值为无人机群中所有无人机航迹的总和；以一架无人机执行喷施任务为例，将用于执行喷施任务的路径记为有效路径，从终点返回起始位置的路径称为往返路径，无人机群的有效路径总长度：无人机群总的往返路径长度：无人机总的路径长度：d＝de+dwf(3)(2.2)构建以无人机群数目为自变量的时间消耗函数，该函数的值与单架无人机所经过的路径长度和无人机的速度相关；完成协同喷施任务的时间是：t＝d/v/n(4)(2.3)构建成本函数，将时间消耗乘以比例系数β折算成人工成本花费，将路径消耗乘以比例系数α折算成油耗成本花费，综合考虑人工成本花费和无人机群的油耗成本花费，构建以无人机群数目为自变量的总的成本函数：cost＝α*d+β*t(5)以成本函数值作为衡量该方案性能的标准，选取使成本函数值最小的无人机群成员数目。4.根据权利要求1所述的一种面向多架植保无人机编队协同喷施药物的无人机数量优化方法，其特征在于：所述的步骤S3中，针对某一确定的覆盖方向，选择最优编队成员数目进行编队协同喷施作业时，考虑对于某一数目的无人机群，若ov＝0时，该数目的无人机群能刚好以“一字型”或“V字形”编队完成协同喷施任务，称这种情况下无人机群的数目为可整除数目，与之相反，若ov为零，该数目的无人机群以“一字型”或“V字形”编队执行协同喷施共同覆盖任务时会出现覆盖到区域外侧的情况，称这种情况下的无人机群数目为不可整除数目，为避免造成环境污染，在该种情况下就必须引入一定的重复率，即ov>0，才能按要求完成协同喷施任务；根据是否允许出现重复，该问题可分为以下两类：(1)假设无人机之间不允许出现覆盖重复率，即ov＝0；在某一确定的覆盖方向下，针对所有可整除数目，选择使无人机群成本函数的值最小的机群中无人机的数目作为最优解；(2)无人机之间允许出现覆盖重复率，则ov≠0,即针对任意数目在某一确定的覆盖方向下，选择机群的最优数目，并确定该种方案下，无人机群中每架无人机间的重复率。5.根据权利要求1所述的一种面向多架植保无人机编队协同喷施药物的无人机数量优化方法，其特征在于：所述的步骤S4中，根据问题类别给出具体的解的过程如下所示：(4.1)针对第3节所描述的情况，分类讨论...

【专利技术属性】
技术研发人员：成慧，王睿，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44