能量受限UAV-USV协同航路规划算法研究
以多旋翼无人机为代表的海上无人飞行器具有垂直起降、轻便灵活、可搭载载荷等特点,非常适合执行海上监测、搜索救援以及海域巡逻等任务。然而,多旋翼无人机由于携带能量有限从而导致航时相对较短。为有效提高执行任务时间,有必要设计一个高效的路径规划及时对无人机进行能量补充。一个可行的解决方案是使用机动的无人水面舰艇为执行任务的无人机补充能量,当无人机能量不足时,在无人机集群整体距离最优的条件下,与无人水面舰艇协调找到各自会合点,降落在无人水面舰艇上补充能量,并继续执行任务。本文结合混合整数线性规划的方法对此类无人机-无人水面舰艇集群自主协同异构航路规划问题开展了如下研究:（1）将求解单无人水面舰艇航路规划问题和带载重限制和时间窗口的任务约束下的无人水面舰艇编队航路规划问题转化为图论问题,采用混合整数线性规划方法对于该联合问题进行建模,给出一种两层式的插入式方法和禁忌搜索结合的元启发式方法,在标准测试集上开展对比试验,并进行了无人水面舰艇编队模拟实验,得到满足所有条件的最优解。（2）提出了一种将无人机航路规划与无人水面舰艇航路规划协同的三层建模方法,将求解任务约束下的无人机和无人水面舰艇航路规划问题规约为求解旅行推销员问题和复杂的车辆路径规划问题,用于规划无人水面舰艇和无人机集群的路线,以实现协调的路线规划。此方法的目标是要求无人机集群在有限能量约束、时间窗口约束、速度约束等条件下尽量最小化无人机集群的行驶距离,实现全系统最优路径规划。（3）在480种不同的场景下开展仿真实验进行验证,仿真结果表明,相较于任务点分散的场景,任务点聚集的场景在时限内能搜索到可行解的概率更高,并且增加无人机数量能提高找到可行解的概率,增加聚类数量能使无人机找到更为合适的充电站点,验证了本文所提方法面对不同任务的普适性,无人机和无人水面舰艇之间具备良好的协同效果。
- 作者：
- 彭佳欣
- 学位授予单位：
- 中国舰船研究院
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2023年
- 导师姓名：
- 袁林锋
- 中图分类号：
- U674.7；V279；TP18
- 关键词：
- 协同航路规划；无人集群；旅行商问题；车辆路径问题
-