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专利号: 2019107319951
申请人: 西安工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2024-08-12
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.UAV/UGV协同长时多任务作业轨迹规划方法,其特征在于:将一个图表示为G=(V,E,c),其中V为顶点的集合,E为所有边的集合,c为每个边所对应的代价;己知UGV工作点的集合为Vg={g1,g2,g3,...,gM},充电点的集合为Vl={l1,l2,l3,...,lK},将顶点集合设为:V=Vg∪Vl,即为UGV工作点和充电点的集合;将所有的边根据UGV的访问路径分为无充电点路径、单充电点路径和多充电点路;

在无充电点路径下,UGV从当前充电点出发直接到下一个充电点,UGV到达第k个充电点的最早时间为:根据 上式 , 总是 小于 T c ,故 约束 条件 恒 成立 ,故 图 中所 有 从均为图中的边;

在单充电点路径下,UGV在从当前充电点前往下一个充电的途中经过一个UGV工作点,其消耗的总时间最少为:若 则e(lk,gi)和e(gi,lk+1)为图的边;

在多充电点路径下,UGV在从当前充电点前往下一个充电点的图中,经过多个UGV工作点,其消耗的最小时间为:其中Rk是从第k个充电点到第k+1个充电点并且经过多个UGV充电点的所有路线的集合,表示从第k个充电点到第k+1个充电点该种路线的第r个路线经过的第一个UGV工作点, 为最后一个UGV工作点;若 则这个路线符合要求,将其放入图中,从而所有的可能的线路都放入了图。

2.根据权利要求1所述的UAV/UGV协同长时多任务作业轨迹规划方法,其特征在于:建立FCSP的MILP模型如下:

subject to:

xij∈{0,1},

V=Vg∪Vl。

3.根据权利要求2所述的UAV/UGV协同长时多任务作业轨迹规划方法,其特征在于:给定UAV一条轨迹,对每条充电段进行离散化,即每个充电段内有多个候选充电点,给UGV规划一条轨迹,使得UGV在每个充电段内至少访问一个候选充电点,并且同时访问每个UGV工作点一次,并使得该条轨迹长度最优;

DCSP的充电线路类型包括TypeI、Type II、TypeIII、TypeIV和TypeV线路TypeI线路中,UGV直接从当前充电段的一个充电点前往下一个充电段的某一个充电点,即检查线路是否符合下述约束:若上述约束符合,则边 成立;

TypeII线路中,UGV在当前充电段访问多个充电点,之后前往下一个充电段的某一个充电点,由于己经得到了TypeI线路,故只需要对当前充电段内的充电点进行组合即可得到,即: 以及最终,可以得到边:

TypeIII线路中,UGV从当前充电段的某一充电点前往下一个充电段的某一充电点的图中经过一个UGV工作点,即若满足下式要求,则存在边TypeIV线路中,UGV在当前充电段经过多个充电站,并前往下一个充电段,在这个过程中,UGV的路线可分为三种情况:

1)在当前充电段内经过一个UGV工作点

2)在从当前充电段前往下一个充电段的图中经过一个UGV工作点

3)在当前充电段和前往下一个充电段的过程中分别经过一个UGV充电点当TypeII和TypeIII找到后,第二个子线路已经被找到,当找到当前充电段内的可经过的UGV工作点,第一个和第三个子线路也会被找到,即检查是否符合下式,TypeV线路中,UGV将经过多个UGV工作点,分为5类子路线:

1)UGV在从当前充电段内某一充电点向下一个充电段的某一充电点移动时访问多个UGV工作点,其需要满足下式要求,其中R3k是所有的候选UGV工作点,其通过TypeIII可得到, 表示第k个充电段的第m个充电点到第k+1充电段的第n个充电点的第r个组合;

2)在第二子类型中,UGV在当前充电段内访问多个充电点,需满足下式,其中 表示在第k个充电段内从第m个充电点到第n个充电点的UGV工作点组合集的第r个组合

3)第三种子类型中,UGV在当前充电段内访问多个UGV工作点,且从当前充电段到下一个充电段时经过一个充电点,在分析过程中发现当TypeII和TypeV的第一个子类型的线路找到后,这种类型的线路已经在图中存在;

4)在第四种子类型中,UGV在当前充电段内经过一个UGV工作点,并在从当前充电段的某一充电点前往下一个充电段某一充电途中访问多个充电点,而这一子类型的线路随着TypeV的第一个子类型和第二个子类型的建立而出现在图中。

4.根据权利要求3所述的UAV/UGV协同长时多任务作业轨迹规划方法,其特征在于:将DCSP转换为GTSP,所有的顶点集合V被分为m个顶点集,表示为:V=N1∪N2∪...∪Nm,并且每个顶点集被访问一次;将每个充电段归为一个顶点集,同时每个UGV工作点属于各自的顶点集,因此,将会有Ns=M+K+1个顶点集,其中M和L分别为UGV工作点的总个数以及充电段的总个数,多出来的一个为UGV的起始点。

5.根据权利要求4所述的UAV/UGV协同长时多任务作业轨迹规划方法,其特征在于:无充电点不变UAV路线的路线中,UGV向一个UAV冲完电后,不经过任何UGV工作点,直接移动到该UAV的下一个充电点;由于我们设定UGV的最大速度vg等于UAV的平均速度,故该种路线 可由每 个U AV 轨迹 上的当 前充电 与 下一 充电 点 的连 线组 成 ;即无充电点变UAV路线的线路中,UGV向某一UGV充完电后,不经过任何UGV工作点,移动至其他UGV的下一个充电点;

单充电点不变UAV路线的线路中,UGV从某一UAV的当前充电点前往该UAV的下一充电点,并在途中经过一个UGV工作点;

单充电点变UAV线路中,UGV从某一UAV的当前充电点前往另一个UAV的下一个充电点,并在途中经过一个UGV工作点;

多充电点不变UAV路线中,UGV从某一UAV的当前充电点前往该UAV的下一个充电点,并在途中访问多个UGV工作点;

多充电点变UAV线路中,UGV从某一UAV的当前充电点前往另一个UAV的下一个充电点,并在途中经过多个UGV工作点;

6.根据权利要求5所述的UAV/UGV协同长时多任务作业轨迹规划方法,其特征在于:令Vc为一类点的集合,Vg为另一类点的集合,V=Vc∪Vg,其中Vc=V1∪V2∪....∪VM,Vg=V′1∪V′2∪...∪V′N,故所有的顶点集为V=Vc∪Vg,旅行商仅可以访问Vm中的一个点,其中同时至少访问Vn中的一个点,其中 规划出旅行商的路线实现路径最短;

通过使用DCSP的图的构建方法即可得到问题的图G(V,E,c);接下来建立了如下优化问题模型,通过求解该优化问题即可得到该问题的解;其中公式(16)代表最小化路径的总长度,公式(17)表示每个 中的点仅且仅被访问一次,即DCSP中的任务点只能被访问一次,公式(18)表示 中的点应该至少被访问一次,对应DCSP中充电点集合中的点至少被访问一次;

1)对每个Vm,m∈{1,2,...,M}中的点访问最大个数限制为H1,此问题下,可相原模型中添加如下约束:

2)对整体的点访问最大个数限制为H2,该问题下可向原模型中添加如下约束:

7.根据权利要求6所述的UAV/UGV协同长时多任务作业轨迹规划方法,其特征在于:UGV工作点的集合为:Vg;UAV工作点的集合为:Vu;充电点的集合:Vc;UAV的数量为:k=1,2,

3,...,K;UGV的数量为:s=1,2,3,...,S;己建立的本问题的数学模型如下:min S   (24)

subject to:

S>0,S∈Z    (27)

上述公式中,式(20)至(24)优化目标函数,式(25)至(37)为约束;其中公式(20)和公式(21)分别为UAV和UGV的轨迹总长度,式(22)和式(23)分别代表UAV和UGV的最大工作时长,公式(24)代表UGV的数量;公式(25)和公式(26)分别为UAV和UGV的时间窗约束,公式(28)和(29)分别为UAV和UGV的速度约束,公式(30)至(35)为UAV和UGV访问次数约束,公式(36)和公式(37)分别代表UAV和UGV的路径不含子路径。