无人机持续监测路径规划方法技术

本发明专利技术公开了一种无人机持续监测路径规划方法，包括以下步骤：S1、构建无人机持续监测的基本约束模型；S2、以待监测节点违反该节点所期望的监测延迟时间而产生的归一化逾期时间设计监测频率评价指标；S3、根据无人机持续监测的安全性要求，以无人机监测路径熵的倒数设计无人机路径安全性能评价指标；S4、以监测频率评价指标和无人机路径安全性能评价指标的加权之和最小为目标，建立无人机持续监测路径规划模型；S5、对模型进行求解，输出全局最优解对应的无人机飞行路径作为无人机执行持续监测任务的路径规划方案。本发明专利技术可以有效提高各监测节点被访问的监测频率和无人机监测路径的安全性，对增强安全监测、防范入侵具有重要意义。要意义。要意义。

【技术实现步骤摘要】
无人机持续监测路径规划方法


[0001]本专利技术属于路径规划
，具体涉及一种无人机持续监测路径规划方法。

技术介绍

[0002]出于公共安全、环境保护、科学研究等目的，需要对某些区域长期观察、测量和采集，进而针对观察、测量和采集的结果进行适当决策，这一般称之为持续监测问题。由于人工监测通常受到天气、场所、工作时间和劳动力成本的限制，其劣势逐步扩大，而自动化设备应用于监测任务能极大地克服上述人工监测的缺陷。无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)就是一种典型的自动化监测设备，具有无需人工参与、飞行稳定、运动范围广、成本低等特点，常常被用来执行持续监测任务，目前在火灾预警、目标检测、边境巡逻等领域具有广泛应用。
[0003]无人机执行持续监测任务时存在很多限制，需要考虑诸如成本约束、监测频率约束、无人机数量约束、目标分配约束等。实际上，持续监测无人机存在两种运动模式，一种是定期巡逻模式，即按照监测点的权重和优先级以确定性策略尽可能地提高各目标节点被监测的频率。一旦监测环境中存在智能入侵威胁时，无人机周期性监测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机持续监测路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据无人机在监测环境中的运动位置要求和无人机运动约束条件，构建无人机持续监测的基本约束模型；S2、根据无人机飞行时间和监测频率要求，以待监测节点违反该节点所期望的监测延迟时间而产生的归一化逾期时间设计监测频率评价指标；S3、根据无人机持续监测的安全性要求，以无人机监测路径熵的倒数设计无人机路径安全性能评价指标；S4、以监测频率评价指标和无人机路径安全性能评价指标的加权之和最小为目标，建立无人机持续监测路径规划模型；S5、对模型进行求解，输出全局最优解对应的无人机飞行路径作为无人机执行持续监测任务的路径规划方案。2.根据权利要求1所述的无人机持续监测路径规划方法，其特征在于，步骤S1中，根据无人机在监测环境中的运动位置要求和无人机运动约束条件，构建无人机持续监测的基本约束模型包括：使用无向图G(V,E)表示待监测环境，其中V＝{1,2,...,N}表示待监测节点的集合，N为节点总数，表示V中任意两个节点之间边的集合；(1)无人机位置约束令P＝{1,2,...,K}表示无人机飞行的离散时间步的集合，其中K表示无人机执行监测任务时，从起点出发到监测任务结束所经过的最大节点总数，即最大监测长度；对于令二值变量矩阵Y∈B
K
×
N
表示不同时刻无人机是否位于V中的某个节点，其中元素y
k,i
＝1表示无人机在第k步时位于节点i，在第k+1步将访问其它节点；元素y
k,i
＝0表示无人机在第k步时不位于节点i；约束条件如下：人机在第k步时不位于节点i；约束条件如下：对于令X∈B
K
×
N
×
N
表示不同时刻无人机是否从某一节点出发前往另一节点，其中元素x
k,i,j
＝1表示无人机在第k步时从节点i出发，沿着边e
ij
到达节点j，元素x
k,i,j
＝0表示其余情况；则有：示其余情况；则有：示其余情况；则有：变量x
k,i,j
和y
k,i
之间满足：
(2)无人机运动约束假设无人机的运动速度恒定不变；初始时刻k＝1，无人机需要从起始节点S0∈V出发，满足如下约束：根据持续监测的要求，在最大监测长度K内无人机至少要回到起点一次，需要满足如下约束：无人机监测的节点序列之间具有连通性，即：(3)无人机飞行时间约束定义f
k,i
∈F
K
×
N
表示无人机自第k步访问节点i以来到监测结束的时间，f
k,i
≥0，并且满足：其中U是一个已知量，表示f
k,i
的上界；采用大M法得有关f
k,i
上界的线性约束如下：其中M1是一个较大的常数；从第k步到第k+1步无人机从节点i运动到j所经过的时间为f
k,i
‑
f
k+1,j
，设节点i和j之间的飞行距离为d
ij
，无人机的飞行速度恒定为v，则飞行时间满足：采用大M法将上式转化为如下线性约束：采用大M法将上式转化为如下线性约束：其中M2是一个很大的正数。3.根据权利要求2所述的无人机持续监测路径规划方法，其特征在于，步骤S2中，根据无人机飞行时间和监测频率要求，以待监测节点违反该节点所期望的监测延迟时间而产生
的归一化逾期时间设计监测频率评价指标包括：定义无人机相邻两次访问同一节点的时间间隔为监测延迟，假设无人机第k'步时访问了节点i，该节点下一次被访问的时间是第k*步，由于无人机不能连续访问同一个节点，则k*＝min k,s.t.k>k',y
k',i
＝1,y
k,i
＝1；因此监测延迟时间表示为y
k',i
y
k*,i
(f
k',i
‑
f
k*,i
)；令T
i
表示节点i期望的监测延迟，则待监测节点i违反该期望而产生的归一化逾期时间表示为：将所有待监测节点的归一化逾期时间平均值作为代价函数，则无人机持续监测对监测频率的优化指标表示为：4.根据权利要求3所述的无人机持续监测路径规划方法，其特征在于，步骤S3中，根据无人机持续监测的安全性要求，以无人机监测路径熵的倒数设计无人机路径安全性能评价指标包括：假设无人机监测路径序列为L＝[L1,L2,...,L
k
,...,L
K
]，其中L
k
表示无人机第k步时所在的节点；定义路径熵：其中，P(L
k
)表示L
k
在序列L中出现的概率，因此最优路径为L*＝arg max H(L)，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈洋，舒逸飞，吴怀宇，范晓甜，李慧，胡棉，钟树成，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：