CN106127335B - 电动多旋翼无人机超远距离飞行的电池更换基站布局方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动多旋翼无人机超远距离飞行的电池更换基站布局方法，包含以下五个步骤：一、给任务的区域按等距正方形排列形式设置若干个无人机电池更换基站；二、确定任务目标起点和终点位置；三、规划出无人机途经电池更换基站的顺序；四、无人机按照步骤三中的规划顺序途经各个电池更换基站，在每个基站降落更换电池后起飞并继续执行任务；五、无人机到达目标点并执行任务。本发明可以延长电动多旋翼无人机的飞行距离，使其在更大区域内执行多种任务成为可能，有效降低执行任务时对人的依赖，提高工作效率。

Description

电动多旋翼无人机超远距离飞行的电池更换基站布局方法

技术领域

本发明涉及电动多旋翼无人机自主飞行领域,特别是一种电动多旋翼无人机超远距离飞行的电池更换基站布局方法。

背景技术

随着社会发展和科技的进步，电动多旋翼无人机近几年得到了极大的发展。相对于发展初期的遥控操作，如今大多数多旋翼无人机都能自主飞行完成任务。同时，在日常生活中，多旋翼无人机正发挥了越来越大的作用，如航拍，安保追踪，运送物品，农业植保等。

但是单个多旋翼无人机由于受重量制约，无法携带大量电池或燃料，导致有效飞行范围较小。对一些大范围的应用场景就显得捉襟见肘。通常，它们只能在有效飞行半径内执行任务，一旦电池即将耗尽，则必须就近降落或返回到操作者附近更换或补充电量，不能持续执行任务，从而导致任务执行的效率较低。并且，如果目标点在无人机有效飞行半径之外，任务便无法进行。

本发明中用到的名词解释如下：

电动多旋翼无人机：采用电能作为驱动的多个旋翼作为飞行动力源的无人驾驶飞行器，可垂直起降。

路径规划：规划能够满足任务需求并满足约束条件的飞行轨迹。

电池更换基站：能自动更换多旋翼无人机的电池，并自动给电池充电的装置。

有效飞行半径：以起飞地为圆心，能够到达的最远飞行距离的一半。

超远距离：任务起点与终点距离大于有效飞行半径。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种电动多旋翼无人机超远距离飞行的电池更换基站布局方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种电动多旋翼无人机超远距离飞行的电池更换基站布局方法，包括以下步骤：

1)给任务的区域按等距正方形排列形式设置若干个无人机电池更换基站(基站数量与面积成正比)；

2)确定任务目标起点和终点位置；

3)规划出无人机途经电池更换基站的顺序；

4)无人机按照顺序途经各个电池更换基站，在每个基站降落更换电池后起飞并继续任务；

5)无人机到达目标点并执行任务。

步骤1)中，相邻电池更换基站之间的距离相等，每四个基站分布呈正方形，L_相邻＜r’*100％；其中，L_相邻为相邻电池更换基站之间的距离；r’为无人机有效飞行半径。

步骤3)中，途经电池更换基站的顺序根据任务起点到终点的最优路径决定，即飞行距离最短且途经电池更换基站个数最少；在每到达一个电池更换基站时，对有效飞行半径内的所有电池更换基站经行评估，选出距离任务终点最近的电池更换基站作为下一个飞行目标；以此类推，最终形成一条最优飞行路径。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明可以延长电动多旋翼无人机的飞行距离，使其在更大区域内执行多种任务成为可能，有效降低执行任务时对人的依赖，提高工作效率。

附图说明

图1电池更换基站示意图；

图2覆盖区域示意图；

图3建立坐标系示意图；

图4最优飞行路径示例图。

具体实施方式

本实例中电动多旋翼无人机关键参数设置如下：

最大水平飞行速度：22米/秒(海平面附近无风环境)；

飞行时间：约18分钟；

电池容量：5700mAh；

最大充电功率：100W；

最大充电时间：约80分钟；

有效飞行半径：约11880m(22*18*60÷2)。

以下计算均基于此数据，不相关数据未列出。

具体实施步骤如下：

1)给任务的区域按等距正方形排列形式设置若干个无人机电池更换基站(基站数量与面积成正比)，电池更换基站可自动将能量耗尽的电池更换为充满电能的电池，并对更换下来的电池充电；每个基站可循环使用多块电池，以保证每一台无人机降落时都能更换电量充足的电池。

p≥(T÷T₁)；其中，p为电池储备数量；T为单块电池充电时间；T₁为系统中无人机平均降落间隔时间。

设单块电池充电时间为80分钟，如果基站网络中某一基站平均每20分钟就有一架无人机降落更换电池，则此基站至少需备4块电池。

相邻基站之间距离相等，每四个基站分布成正方形，如图1所示。根据需要覆盖区域的形状，电池更换基站布局采用均匀分布的矩形布局，如图2所示，L_相邻＝r’*90％；其中，L_相邻为相邻电池更换基站之间的距离；r’为无人机有效飞行半径。对于本实施例，基站之间的距离为11880m*90％＝10692m。此处是为了保证安全飞行的冗余设计，可根据实际情况将90％替换为其他值(小于100％)。为方便计算，本实例中将基站之间的间距设定为10000m。需覆盖飞行区域如图2所示。

2)确定任务目标起点和终点位置。以电池更换基站为节点建立网格坐标系如图3所示。根据任务需求确定任务起点和终点的GPS坐标，根据GPS坐标确定无人机起点和终点在网格中的位置，分别找出距离任务起点和终点最近的电池更换基站，将这两个电池更换基站设为起始基站和终点基站。

3)根据上一步骤的结果规划无人机途经电池更换基站的顺序，电池更换基站的顺序根据任务起点到终点的最优路径决定，该最优路径应满足飞行距离最短且途经电池更换基站个数最少。在每到达一个电池更换基站时，无人机对最远飞行距离内的所有电池更换基站经行评估，优选出距离任务终点最近的基站，作为下一个飞行目标。以此类推，最终形成一条最优路径。如图4黑色实线所示。飞行路径的计算方法如下：

第一步：设在覆盖区域内有n个电池更换基站，它们的坐标依次为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃),…,(x_n,y_n)；根据以上步骤3中求得的起始基站坐标设为A(x_a,y_a)，终点基站坐标设为B(x_b,y_b)，下一经停基站坐标设为C(x_c,y_c)，为保证安全飞行将最远飞行距离设为r＝20000m。

第二步：以无人机此刻停留的基站坐标为圆心，无人机最远飞行距离r为半径，画一个圆。如无人机在起始基站A，则圆心坐标为A(x_a,y_a)。假设有m个可正常工作基站落在圆内，则所有m个基站记为集合P，P内元素为这些基站的坐标。

P＝{(x′₁,y′₁),(x'₂,y'₂),(x'₃,y'₃),...,(x'_m,y'_m)} (1)

第三步：将P中坐标代入下式：

l_i为集合P中某点到终点的距离，设集合Q包含P中所有点到终点B的距离。

Q＝{l₁,l₂,...,l_m} (3)

选出集合Q中最小值对应的基站作为下一经停基站，如有两个或两个以上基站到终点B的距离相等，则优先选择到某点飞行路径不与坐标轴平行或垂直的作为下一经停基站C点，这样可使飞行距离最短。

第四步：无人机向C点飞行，到达C点后。继续重复以上第二步和第三步，直到C点与终点B重合，路径规划完成。

图4为按照以上规则规划的飞行路径示意图，黑色实线为最优路径，虚线为可选路径。

4)无人机按照上一步骤规划出的路径飞行，顺次途经各个电池更换基站，并在每个基站降落，更换电池后起飞并继续执行任务。降落时，按照地面导航信标自动降落到指定区域，使用一种自动机械装置将电能耗尽的电池卸下并换上充满电能的电池，然后对换下的电池进行充电，为下次更换电池做准备。电池更换完毕的无人机自动起飞，飞往下一个规划设定好的电池更换基站或目标终点。

5)无人机到达目标点上空并执行任务(如投递物品，拍照摄像，目标追踪等)，如对电池电量检测后发现电量不足以保证完成任务时，则飞向最近的一个电池更换基站，更换电池后继续执行任务。完成任务后，返回最近的电池更换基站待命。

Claims (1)

1.一种电动多旋翼无人机超远距离飞行的电池更换基站布局方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)给任务的区域按等距正方形排列形式设置若干个无人机电池更换基站；相邻电池更换基站之间的距离相等，每四个基站中点的连线为正方形，相邻电池更换基站之间距离小于无人机有效飞行半径；所述有效飞行半径为无人机最远飞行距离的一半；

2)确定任务目标起点和终点位置；

3)规划出无人机途经电池更换基站的顺序；电池更换基站的顺序根据任务起点到终点的最优飞行路径决定，最优飞行路径计算的具体过程包括：

第一步：设在覆盖区域内有n个电池更换基站，它们的坐标依次为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃),…,(x_n,y_n)；起始基站坐标设为A(x_a,y_a)，终点基站坐标设为B(x_b,y_b)，下一经停基站坐标设为C(x_c,y_c)；

第二步：以无人机当前时刻停留的基站坐标为圆心，无人机最远飞行距离r为半径，画一个圆，设有m个可正常工作基站落在圆内，则所有m个基站记为集合P，P内元素为这些基站的坐标；

P＝{(x′₁,y′₁),(x′₂,y′₂),(x′₃,y′₃),...,(x′_m,y′_m)}

第三步：将P中坐标代入下式：

l_i为集合P中某点到终点B的距离，设集合Q包含P中所有点到终点B的距离，

Q＝{l₁,l₂,...,l_m}

选出集合Q中最小值对应的基站作为下一经停基站C点，若有两个或两个以上基站到终点B的距离相等，将这些基站分别与当前停留基站坐标用直线相连，如某条连线不与坐标轴平行或垂直，则选择这条连线作为飞行路径，连线的另一端作为下一经停基站C点，使飞行距离最短；

第四步：无人机向C点飞行，到达C点后，继续重复以上第二步和第三步，直到C点与终点B重合，路径规划完成；

4)无人机按照顺序途经各个电池更换基站，在每个基站降落更换电池后起飞并继续任务；

5)无人机到达目标点并执行任务。

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