[发明专利]一种针对二维区域覆盖任务的多机调度方法

摘要

本发明涉及一种针对二维区域覆盖任务的多机调度方法，包括如下步骤：步骤1：二维区域覆盖任务分配。其中，步骤1包括：1.1、建立优化目标函数；1.2、设计非线性约束条件；1.3、求解任务分配的凸优化问题并生成航路点。步骤2：飞行器的空中交通调度。其中，步骤2包括：2.1、设计飞行器的状态；2.2、设计飞行器的防碰撞状态机。本发明给出的方法可以适用于多种不同二维区域的覆盖任务(如农田植保、测绘、巡逻等)，提高了飞行器的工作效率、作业安全性，同时节省时间和人力。

主权项

1.一种针对二维区域覆盖任务的多机调度方法，包括任务分配和空中交通调度；任务分配中，待分配的任务待作业二维区域，长度为wr，宽度为hr；飞行器的机载设备工作时覆盖宽度w0，所以该区域被等间距的分为n＝wr/w0条待工作路径；多架飞行器需要共同完成该区域的覆盖作业，即m架飞行器对n条待工作路径实施作业；飞行路径被分成四部分：机载设备工作路径l1、机载设备工作转换路径l2、往返充电路径l3和任务结束返回路径l4；为使作业有序的进行，制定以下的规则：(1)飞行器做三维空间运动；(2)飞行器数目>＝1，且是任意的；(3)飞行过程中需要防止飞行器之间相互碰撞；(4)飞行器快没电时返回起始点充电，充好电后返回之前工作点继续工作；(5)允许工作时突然有飞行器故障，其它飞行器能够重新进行任务分配；(6)工作时机载设备启动，非工作期间机载设备关闭；(7)起飞降落高度为0，其余高度为h0；(8)任务开始时所有飞行器在起始点处起飞，任务完成返回到起始点降落；(9)在不能重复遍历的条件下遍历全部区域；(10)假定每架飞行器往返充电的距离都是固定的，即飞行器任务中心点和起飞点之间的距离近似为每次充电的往返距离；(11)飞行器在飞行过程中的速度是固定值，即飞行器在起飞、巡航、机载设备工作和降落时的速度都是vq；(12)所有飞行器均是同一型号，即所有飞行器的最大电量和充电时间都是相同的；其特征在于，具体步骤如下：步骤1：二维区域覆盖任务分配1.1、建立优化目标函数覆盖任务的优化目的是使最大的飞行器完成其机载设备工作任务的时间达到最小；因此，建立优化目标函数如下：其中，tq,k为第k架飞行器的机载设备完成工作的总时间；nk为第k架飞行器的待工作路径数目；nq,k为第k架飞行器的机载设备完成工作需往返充电次数；1.2、设计非线性约束条件式(2)是第k架飞行器的机载设备完成工作的时间，它等于总的飞行距离除以飞行速度加上总的充电时间；其中，dk为第k架飞行器每次往返充电的近似往返距离；vq为飞行器的飞行速度；tCharge为飞行器每次充电所需的时间；nkhr+w0(nk‑1)+2(nq,k+1)dk≤(nq,k+1)vqtb    (3)nkhr+w0(nk‑1)+2(nq,k+1)dk＞nq,kvqtb    (4)式(3)和(4)是第k架飞行器的飞行距离约束；第k架飞行器完成任务的总的飞行距离应该小于(nq,k+1)次每次充完电飞行的距离，但是同时应该大于nq,k次每次充完电飞行的距离，因为飞行器在最开始时是充满电的；其中，tb为每次充电后飞行器能够飞行的时间；式(5)是第k架飞行器每次往返充电的近似往返距离，它等于第k架飞行器待覆盖任务块的中心点和起飞点的距离；其中，是分配给前k‑1架飞行器的任务量的总和，在式(6)中给出；式(7)是分配给m架飞行器的待工作路径总和为n；1.3、求解任务分配的凸优化问题并生成航路点采用序列二次规划法来求解该问题；步骤2：飞行器的空中交通调度2.1、设计飞行器的状态飞行器起飞并按步骤1.3得到的航路点工作；为使所有飞行器都能有序且安全地通过航路点，采用状态机来设计飞行器的决策层；能够根据飞行器的位置进一步判断飞行器的实时状态，以及下一时刻的航路点和飞行器应当跳转到的状态；整个过程提炼出以下9种状态：(1)断电状态：飞行器电源断开时的状态；(2)待命状态：飞行器接入电源模块，则会立即进入待命状态；(3)起飞状态：飞行器在待命状态下接收到起飞指令，则会立即进入起飞状态；在此状态下，飞行器从起飞点垂直起飞，直到到达指定高度；(4)巡航状态：飞行器往返于待覆盖区域和起飞点之间的状态，包含两部分，分别指飞行器起飞之后从起飞点上空飞向待覆盖区域和降落前从覆盖区域飞回起飞点上空时的状态；(5)工作状态：飞行器在到达待覆盖区域后，其机载设备对该区域进行工作时的状态；(6)降落状态：飞行器返回起始点上空垂直降落到起始点时的状态；(7)故障状态：飞行器一旦发生故障，则立刻进入故障状态；(8)避让状态：在飞行器飞行过程中，若飞行器与其它飞行器有碰撞风险，则优先级低的飞行器需要进行避让；此时飞行器不再沿着直线飞行，但当飞行器避让操作完成后，飞行器仍按照避让之前的状态飞行；(9)路径过渡状态：飞行器在工作状态，且下一航路点是过渡路径航路点时，进入路径过渡状态；2.2、设计防碰撞状态机考虑用户的安全需求；定义不同飞行器间的安全距离阈值和优先级，安全距离阈值由飞行器大小和飞行特性决定，优先级与其所处的状态有直接关系；在飞行过程中一旦飞行器的实际距离小于安全距离，就应该根据优先级采取相应的防碰撞策略。