[发明专利]一种车载无人机电力巡检的双层路径规划方法与装置

权利要求书

1.一种车载无人机电力巡检的双层路径规划方法，其特征在于，所述方法包括：

通过给定的路网上的车辆停点及路网的弧、传输电线的电线弧，获取车载无人机电力巡检的双层路径规划对应的无人机路径和车辆路径的预设初始解；

利用小规模调整算子和整条路径调整算子对所述无人机路径和车辆路径的预设初始解进行调整和重构，直至满足终止迭代条件；

获取满足所述终止迭代条件时的无人机路径和车辆路径的最终解；

所述小规模调整算子包括如下三种：车辆停点更改算子、无人机分割点交换算子、无人机分割点插入算子；

所述整条路径调整算子包括如下两种：路径合并算子、路径拆分算子；

在所述通过给定的路网上的车辆停点及路网的弧、传输电线的电线弧，获取车载无人机电力巡检的双层路径规划对应的无人机路径和车辆路径的预设初始解之前还包括：构造双层弧形路径优化模型和双层弧路径优化子模型；

构造双层弧形路径优化模型具体如下：

优化目标为：

约束如下：

其中，E₂为无人机需要进行电力巡检的电线弧；为0-1变量，表示电线弧i(i∈E₂)位于第k个segment，segment指的是一段完整的电线弧；V为车辆路网上可选停点的集合；为0-1变量，表示车辆路径＜i,j＞(i,j∈V)位于第k个segment；表示第k个segment上对应的车辆停点所构成的集合；

构造双层弧路径优化子模型具体为：

对于第k个segment，若且设满足的第i条弧为线段MN，满足的车辆路径点构成的集合为S^k，且|S^k|＝n；

在线段MN上任取一点Q，令λ_Q＝MQ/MN，构造函数f(λ)，表示当取值为λ时，点Q到集合S^k中的点的最短距离，则f(λ)的函数形式如下：

补充定义：

求解一个有序的数列R＝{λ₁,λ₂,...,λ_m}，该数列满足：

0＜λ₁＜λ₂＜...＜λ_m＜1                                     (10)

补充定义λ₀＝0，λ_m+1＝1，这样m+2个值将线段分成了m+1段；假定每一段都是一次无人机飞离车辆巡检的路线；

约束条件如下：

一段弧的无人机的访问的所有时间的总和为：

将公式(12)转化为

最小化公式(13)等价于

模型为

约束条件

公式(15)为通过推导得到的等价优化目标，公式(16)则限制了无人机单次飞行不得超过其续航能力；其中，表示路网上任意两个车辆停点i,j(i,j∈V)之间的实际距离；表示电网中任意一段电线弧i(i∈E₂)的长度；表示无人机在往返车辆和输电线之间时正常的飞行速度；表示无人机沿输电线飞行时的巡检速度；θ表示无人机飞行的最大续航时间。

2.一种车载无人机电力巡检的双层路径规划装置，其特征在于，所述装置包括：

模型构造单元：用于构造双层弧形路径优化模型和双层弧路径优化子模型；

获取单元，用于通过给定的路网上的车辆停点及路网的弧、传输电线的电线弧，获取车载无人机电力巡检的双层路径规划对应的无人机路径和车辆路径的预设初始解；

重构单元，用于利用小规模调整算子和整条路径调整算子对所述无人机路径和车辆路径的预设初始解进行调整和重构，直至满足终止迭代条件；

计算单元，用于获取满足所述终止迭代条件时的无人机路径和车辆路径的最终解；

所述小规模调整算子包括如下三种：车辆停点更改算子、无人机分割点交换算子、无人机分割点插入算子；

所述整条路径调整算子包括如下两种：路径合并算子、路径拆分算子；

其中，

构造双层弧形路径优化模型具体为：

优化目标为：

约束如下：

其中，E₂为无人机需要进行电力巡检的电线弧；为0-1变量，表示电线弧i(i∈E₂)位于第k个segment，segment指的是一段完整的电线弧；V为车辆路网上可选停点的集合；为0-1变量，表示车辆路径＜i,j＞(i,j∈V)位于第k个segment；表示第k个segment上对应的车辆停点所构成的集合；

构造双层弧路径优化子模型具体为：

对于第k个segment，若且设满足的第i条弧为线段MN，满足的车辆路径点构成的集合为S^k，且|S^k|＝n；

在线段MN上任取一点Q，令λ_Q＝MQ/MN，构造函数f(λ)，表示当取值为λ时，点Q到集合S^k中的点的最短距离，则f(λ)的函数形式如下：

补充定义：

求解一个有序的数列R＝{λ₁,λ₂,...,λ_m}，该数列满足：

0＜λ₁＜λ₂＜...＜λ_m＜1                                     (10)

补充定义λ₀＝0，λ_m+1＝1，这样m+2个值将线段分成了m+1段；假定每一段都是一次无人机飞离车辆巡检的路线；

约束条件如下：

一段弧的无人机的访问的所有时间的总和为：

将公式(12)转化为

最小化公式(13)等价于

模型为

约束条件

公式(15)为通过推导得到的等价优化目标，公式(16)则限制了无人机单次飞行不得超过其续航能力；其中，表示路网上任意两个车辆停点i,j(i,j∈V)之间的实际距离；表示电网中任意一段电线弧i(i∈E₂)的长度；表示无人机在往返车辆和输电线之间时正常的飞行速度；表示无人机沿输电线飞行时的巡检速度；θ表示无人机飞行的最大续航时间。