一种高速公路警用无人机停机坪选址方法技术

本发明专利技术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。同时本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【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
本专利技术涉及无人机
，具体是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
本专利技术的目的是提供一种高速公路警用无人机停机坪选址方法，以实现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。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种高速公路警用无人机停机坪选址方法，包括以下过程：步骤(1)、正常巡检用无人机停机坪选址：无人机停机坪为固定式的供无人机完成起飞、降落、充电、待命等任务的地面设备。无人机停机坪主要由无线充电模块和无线通信模块构成。无线通信模块可以用来与无人机和控制中心进行数据传输，并以此接收无人机的电量信息判断是否需要对无人机充电。无人机停机坪放置在地面并与电源连通，配有无线充电模块，当无人机降落在停机坪时能够为无人机进行充电。无人机停机坪能有充足的供电保障，能够高效、快速的为无人机充电补给，从而提高巡检效率。对无人机停机坪的布设位置计算时，需要将对巡检区域的路网进行划分，然后按照路段计算无人机停机坪布设间距，无人机停机坪个数等参数。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无人机停机坪布设间距、无人机停机坪个数，过程如下：(1.1)、无人机执行巡检任务时，希望路段无人机群总巡检时间最短，切巡检后能够快速充电，在最短的时间内完成充电，并待命。故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。(1.2)、为了保证无人机在遇到突发事件时能够完成特定巡检任务，并安全到达预设无人机停机坪处，准确降落。需要对无人机停机坪布设间距d设置约束：式中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。电量预留系数可以根据路段突发事故发生概率来设置，一般情况可取0.1。以此保证无人机巡检之后可以安全到达无人机停机坪充电补给；其余符号意义同上所述。(1.3)、由于无人机群巡检长度必须不小于路段长度，故需要对无人机巡检路径长度进行约束：nd≥D(3)，式中D为所计算路段的长度；其余符号意义同上所述。(1.4)、巡检无人机数量n必为大于0的整数，故需对巡检无人机数量进行约束：{n|n>0,n∈Z}(4)，式中Z表示自然数集；其余符号意义同上所述。(1.5将上述公式汇总，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。步骤(2)、非连通路线的备用无人机停机坪选址：无人机在可能会因为执行巡检任务过程中受损或由于其它故障而无法巡检，但无人机自动巡检任务仍需运行，故需要布设备用无人机。当路网中某无人机无法执行巡检任务时，备用无人机会启动运行，通过无人机群的调度，保证巡检工作正常进行。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，下文称之为一次可达区域。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。此类路段需要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。步骤(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。此类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。计算方法如下：(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)、在聚类算法中，一般常用欧几里得距离来度量样本之间的相似性。本次所用样本均为经纬度坐标，故采用球面距离代替欧几里得距离。球面距离的计算公式为：L(Pin,Pjn)＝R×arccos(a+b)(6)，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。(3.3)、设置要生成的数据子集的数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速公路警用无人机停机坪选址方法，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；tx表示路段无人机群巡检总耗时，

【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，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；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；(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...

【专利技术属性】
技术研发人员：任毅龙，于海洋，刘帅，杨灿，薛敬百，李飞舟，管益民，杨志升，
申请(专利权)人：北京航空航天大学合肥创新研究院，安徽科力信息产业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34