CN106203672B - 一种无人机沿任务航线飞行的充电桩布局方法 - Google Patents

一种无人机沿任务航线飞行的充电桩布局方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无人机沿任务航线飞行的充电桩布局方法。在任务航线上，根据本发明设定的规则设置一定数量的路标点，将相邻路标点用直线相连，形成一条从起点到终点的多段折线。然后结合无人机的飞行参数以及充电桩的数量和参数，对这条多段折线进行充电桩的布点规划。本发明为无人机在任意指定航线上执行任务(比如电力线路巡检、安防监控、国界巡逻、投送快递、农林植保等)提供了一种可行的充电桩布局方法。该方法简洁，通用性好，通过充电桩网路可以有效提高无人机在任务区域的续航时间。

Description

一种无人机沿任务航线飞行的充电桩布局方法
技术领域
本发明涉及一种无人机沿指定任务航线飞行的充电桩布局方法。
背景技术
随着控制、通信、电子和微电子等技术的飞速发展，无人机(Unamed AerialVehicles，UAV)的发展已经取得了长足的进步。我国人口总量排名第一(13.68 亿)，领土面积在世界上排名第三(963.4057万平方公里)，其地势西高东低，呈阶梯状分布。山地、高原面积广大。东西相距约5000千米，大陆海岸线长达18000 多千米，气温降水的组合多种多样。由于我国地理的这种特点，边界线巡逻和行业(电力、铁路、林业、物流)巡检成为了一件需要花费大量人力、物力的任务。目前我国的边界线巡逻和行业巡检还是采用传统的人工巡检方式，这种方式不仅成本高、效率低，而且容易漏检。因此，急需先进的技术来改变这一现象。运用无人机来代替人工巡检成为了一个大的趋势。
无人机是无人驾驶飞机的简称，是利用无线电遥控设备和自带的程序控制装置来操控的不载人飞行器。相比有人驾驶飞机，无人机具有应用成本低、零人员损失等突出优势。自20世纪90年代以来，得益于军事需求的推动、先进技术的支持、新材料的使用，各种无人机发展迅猛、性能也日益完善，已成为大国空中执行各类人物的重要选择。
续航能力是无人机的一项重要性能参数。同有人驾驶飞机一样，无人机续航性能也受机载能量(燃料或电池)的制约。尤其是小型/微型的战术级无人机(可称之为便携式无人机)，因为其体积小、质量轻、承载能力有限，续航性能一直以来是其明显的短板。比如Sanders公司、洛马公司和GE公司联合研制的微星无人机，翼展为15cm，即便所使用的锂电池质量已经占到全机质量的52％(全机质量85g，锂电池质量44.5g)，但飞行距离仅能达到16km，续航时间仅有20min。
如何提高无人机的续航时间使无人机能够长航时、远距离、不间断的执行任务，成为了当今无人机研究领域的一个重要的方向。目前，世界各国采用的解决无人机续航的技术主要有：
1、无人机空中加油
经过多年的发展，空中加油技术在有人驾驶飞机上已得到广泛应用，在此基础上各军事强国已开展对无人机的空中加油技术研究。美国于2012年10月23 日在太平洋上空率先进行了全球鹰无人机空中自主加油试验。据悉，全球鹰无人机经过空中加油后，滞空时间可延长至160h。空中加油能力的具备，可有效减少无人机对地面基地的依赖，使之更易执行全球到达/监视任务，为未来战争夺取制空权增添重要砝码。很明显，空中加油适合的对象是执行高空、高速、远程任务的大型战略级无人机，对于体积小和多使用电力驱动的便携式无人机还要寻求其他方案。
2、采用新型电池
为实现便携式无人机长航时、远距离飞行的目标，目前的关键技术之一就是使用高能量密度电池，比如燃料电池。据俄罗斯电视台网站2013年5月12日报道，美国海军研发的离子虎(lon Tiger)无人机采用一种新的低温储罐存储夜氢燃料为其燃料电池充电，驱动电动机运转，已实现超过48h持续飞行。但电池能量密度不可无限提高，机载电池耗尽之后，离子虎也将不得不降落补充能量。核电池目前已在卫星以及心脏起搏器上应用，随着技术的发展，其体积不断减小，成本也不断降低。但即便核动力技术上不存在问题，政治上肯定会有问题。但是目前没有国家允许核动力无人机飞行。
3、使用太阳能供电
使用太阳能似乎是一条好途径，2010年，英国和风号超轻太阳能无人机创造了连续飞行14天的记录。尽管太阳能动力无人机能实现高空长航时的飞行，但由于机上限制了太阳能电池板的面积，太阳能所能提供的功率较小，因此目前太阳能动力无人机的载荷普遍较小，执行任务比较单一。另外由于太阳光的间歇性，夜晚太阳能动力无人机只能依靠机上的储能设备飞行，而这些储能设备往往占到整机总重的30％——40％，限制了高空长航时无人机的进一步发展。可见太阳光并非理想的能量来源。
4、无人机远程激光充电技术
目前，激光输能成为了无人机能量补给的热点。激光充电跟太阳能相比有以下几点优势：首先，激光的照射时间和角度可人为控制，这样可为无人机提供 24h不间断的电力，而且通过控制激光的入射角度，可以保证太阳能电池始终输出最大功率，从而大大减少机上的储能设备，相应的无人机的有效载荷将增加，无疑将增加无人机的作战效能。其次，激光的光照强度是太阳光的500倍，对于太阳能电池(目前太阳能电池已能承受1000倍的光照强度)来说光照越强不仅输出功率越大而且光电转换效率更高。在考虑其他因素的影响下，太阳能电池在激光照射下将比在太阳光照射下多输出1倍的电能。另外，当激光波长与太阳能电池材料的带隙宽度匹配时，其光电转换效率明显高于太阳光下的转换效率。
但是，激光充电技术仍有未解决的技术难点：
自动跟踪瞄准技术问题。在激光充电的过程中，由于接收端太阳能电池板的面积较小，要求发射端的功率确实到达太阳能电池板上，这就需要精确对准。然而进行对准的信标光在大气传输的时候，会因大气的闪烁灯原因引起光斑的漂移，造成跟踪上的误差。
传输安全问题。由于激光功率较大，在传输过程中容易对其他物体造成伤害，因此如何保证其传输安全性是个待研究的问题。
5、改进无人机的气动参数(机体材料、机翼面积、机翼展弦比、机翼尖削比、机翼相对厚度)
除了上述方法来改进无人机的续航能力外，目前人们研究的比较多的是通过优化无人机的气动参数：包括改进其机体材料，优化其机翼面积、机翼展弦比、机翼尖削比、机翼相对厚度等一系列参数来提高飞机的飞行效率，使其能量利用效率最优化。比如西北工业大学的刘伏虎、马晓平采用多目标遗传算法来进行无人机总体参数的多目标优化，获得了提高无人机续航性能的最佳总体参数组合。但是该方法的局限性在于：只能优化其续航时间，并无法从根本上解决无人机长航时、不间断的执行飞行任务。
本发明中用到的名词解释如下：
无人机：无人驾驶飞机。
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，提供一种无人机沿指定任务航线飞行的充电桩布局方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种无人机沿指定任务航线飞行的充电桩布局方法，包括以下步骤：
(1)建立直角坐标系，将任务航线置于坐标系的第一象限，然后从航线的起始位置到终点，设置一系列路标点。求出每个路标点的坐标并连接相邻路标点，形成一条从起点到终点的多段折线，并求出每段折线的方程。
根据实际情况，对无人机的任务航线分两种情形进行讨论。
①在无人机航线不能使用函数进行表示的情况下，需要通过人工实地采点，实现对一条任务航线上路标点的设置。具体方法为：由采点员使用一台手持GPS 接收机遍历整条任务航线，在需要采点的地方采集该点的GPS坐标并存储，等遍历完该任务航线，也就采集到了一系列的路标点。其中路标点采集的原则为：
(a)根据GPS的精度EGPS来制定路标点采集最小间隔IGPS＝EGPS。
(b)从任务航线的起点开始，根据路标点采集最小间隔IGPS沿任务航线依次采集路标点，直到任务航线的终点。
(c)在路标点采集完成后，从任务航线的起点开始，依次连接相邻路标点。
在采集到所有路标点P1，P2，P3，…，Pn后，通过各点坐标求出所有线段 P1P2，P2P3，P3P4，…，Pn-1Pn的直线方程。
②在无人机任务航线可以使用函数进行表示的情况下，即任务航线为由 x＝f(y)与y＝f(x)所组成的分段函数。则设置路标点的设置分为两种情况：
第一种情况：对于表达式为y＝f(x)，x∈[a1，b1]，y∈[c1，d1]的任务航线，设定Δx作为任务航线上的取点间隔，即在x轴上的投影间隔，则
Figure GDA0002272604850000041
为在这条航线上的取点个数；通过任务航线方程和取点间隔，求出n1个路标点的坐标
Figure GDA0002272604850000042
Figure GDA0002272604850000043
从起始点
Figure GDA0002272604850000044
到终点
Figure GDA0002272604850000045
把相邻的两个点用直线相连，形成n1-1 条相连的直线段，求出所有直线段的直线方程；最后一个路标点取为(b1，f(b1))。
第二种情况：对于表达式为x＝f(y)，x∈[c2，d2]，y∈[a2，b2]的任务航线，设定Δy作为任务航线上的取点间隔，即在y轴上的投影间隔，则
Figure GDA0002272604850000051
为在这条航线上的取点个数；通过任务航线方程和取点间隔，求出n2个路标点的坐标
Figure GDA0002272604850000052
Figure GDA0002272604850000053
从起始点
Figure GDA0002272604850000054
到终点
Figure GDA0002272604850000055
把相邻的两个点用直线相连，形成n2-1条相连的线段，求出所有线段的直线方程；最后一个路标点取为(f(b2)，b2)。
航线路标点总数为n＝n1+n2。
(2)依次计算上述所有线段的长度，并将所有线段的长度相加，得到巡检线路上所有线段的总长度SumL。
(3)根据用户提供的无人机参数(巡航速度Vp，续航时间Tp)，计算出无人机最大航程：SP＝VPTP。根据Sp计算出无人机在所述任务航线上停留的次数m，m即为所需要布置的充电桩个数(其中[]为取整运算符，％为模运算符)。
Figure GDA0002272604850000056
(4)作一条长度为SumL的线段L，用这条完整的线段L等效替代步骤(1) 中求得的多段折线段，以达到将首尾相连的折线段“拉直”的效果。然后利用步骤(2)得到的各线段长度，通过下式计算出相邻折线段的n个分割点(路标点) 在线段L上对应位置与L的起始点的距离Partition(j)，便于利用线段L计算充电桩布置点在各折线段上的坐标。
Figure GDA0002272604850000057
其中，j＝1，2，…，n。
(5)模拟无人机从起始点出发沿直线段飞行到终点，且假设无人机每次按最大航程飞行，则无人机在第r次停留时飞过的路程Sr的计算公式为Sr＝rSP，r＝1，2，…，m。将Sr映射在线段L上，遍历Partition(j)，若存在1≤k≤n-1，满足Partition(k)≤Sr≤Partition(k+1)，则判定第r个充电桩在直线PkPk+1上，且离Pk(xk，yk)的距离为Dis[Sr，Pk]＝Sr-Partition(k)，则充电桩r坐标Cr(xcr，ycr)的计算公式为：
Figure GDA0002272604850000061
Figure GDA0002272604850000062
其中a，b为直线PkPk+1的方程ax+by+c＝0中的系数项。
(6)重复步骤(5)，直至计算出m个充电桩的坐标。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明采用充电桩布网的方式来解决无人机的续航问题。该方法易于实现。本发明根据无人机执行各任务的特点(指定路线、指定节点、指定区域)对充电桩布网的研究进行数学建模，建立直角坐标系，根据无人机的飞行参数(巡航速度VP、续航时间TP)以及充电桩的参数(一次充满当前无人机电池所需时间)计算出各充电桩的布点坐标，实现充电桩的布网。本发明为无人机在任意指定任务航线飞行提供了有效的充电桩布局方法，该方法算法简洁，通用性好，可以提高无人机在任务区域的续航时间，实现无人机的不间断飞行。
附图说明
图1为函数y＝f(x)时遍历任务航线示意图；
图2为函数y＝f(x)时待遍历任务航线取路标点示意图；
图3为函数y＝f(x)时路标点直线相连示意图；
图4为函数y＝f(x)时指定任务航线线段L分割点示意图；
图5为函数y＝f(x)时无人机沿指定任务航线飞行的充电桩布局示意图；
图6为函数x＝f(y)时遍历任务航线示意图；
图7为函数x＝f(y)时待遍历任务航线取路标点示意图；
图8为函数x＝f(y)时路标点直线相连示意图；
图9为函数x＝f(y)时指定任务航线线段L分割点示意图；
图10为函数y＝f(x)时无人机沿指定任务航线飞行的充电桩布局示意图。
具体实施方式
对于无人机沿指定任务航线飞行的充电桩布局，其过程包括如下5个步骤：第一步，将指定任务航线置于坐标系的第一象限，从起始位置到终点，设定任务航线上的一系列路标点，将相邻路标点用直线相连，采用直线方程的一般式ax+by+c＝0求出相邻路标点的直线方程；第二步，采用直角坐标系两点间距离公式依次计算出相邻两点线段长度，并将所有线段长度相加，计算出线段总长度；第三步，根据所给的无人机参数(巡航速度VP，用户设定单次飞行时间TP) 计算出无人机最大航程，并通过有关公式计算出无人机在这条总的线路上所停留的次数m；第四步，把第二步所计算出的线段总长度映射到另一个直角坐标系的第一象限，构造一条长度为SumL的线段L，利用相邻两点的距离公式计算出n 个路标点在这条线段上对应的n个位置；第五步，模拟无人机从起始点出发沿直线段飞行到终点，利用本专利里的公式计算出m个充电桩的坐标。
建立直角坐标系，将任务航线置于坐标系的第一象限。
函数表达式为y＝f(x)的任务航线具体实施步骤如下：
(1)假设任务航线的函数表达式为 y＝x cos(2πx/50)，x∈[0，100]，y∈[-75.4173，100]，取点间隔Δx＝5，从航线的起始位置到终点，根据间隔Δx设置了21个路标点。求出每个路标点的坐标并连接相邻路标点，形成一条从起点到终点的多段折线，并求出每段折线的方程。
(2)从起点开始，使用直角坐标系两点间的距离公式
Figure GDA0002272604850000071
依次计算线段P1P2，P2P3，…，P20 P21的长度Length(1，2)，Length(2，3)，…， Length(20，21)。将20条线段长度相加，求出任务航线上的线段的总长度。
Figure GDA0002272604850000072
(3)根据用户提供的无人机参数(巡航速度VP＝3，续航时间TP＝8)，计算出无人机最大航程：SP＝VPTP＝24。
通过公式
Figure GDA0002272604850000081
计算出无人机在这条线路上需停留的次数19，19即为在该任务航线上需要设置的充电桩个数(其中[]为取整运算符，％为模运算符)。
(4)在一个新的坐标系的第一象限作一条长度为SumL的线段L，用这条完整的线段L等效替代步骤(1)中求得的多段折线段，以达到将首尾相连的折线段“拉直”的效果。然后利用步骤(2)得到的各线段长度，通过下式计算出相邻折线段的n个分割点(路标点)在线段L上对应位置与L的起始点的距离 Partition(j)，便于利用线段L计算充电桩布置点在各折线段上的坐标。
Figure GDA0002272604850000082
其中，j＝1，2，…，21。其中分割点示意图如图4所示。
(5)模拟无人机从起始点出发沿直线段飞行到终点，则无人机在飞第i次停留时飞过的路程Si的计算公式为Si＝iSP(i＝1，2，...，19)。将Si映射在线段L上，遍历Partition(j)(j＝1，2，…，21)，若存在1≤k≤20，满足
Partition(k)≤Si≤Partition(k+1)
则可判定第i个充电桩Ci(xci，yci)在直线PkPk+1上，且离Pk(xk，yk)的距离为
Dis[Si，Pk]＝Si-Partition(k)
则充电桩i坐标Ci(xci，yci)的计算公式为
Figure GDA0002272604850000083
Figure GDA0002272604850000084
其中a，b为直线PkPk+1的方程ax+by+c＝0中的系数项。
循环遍历i＝1，2，…，19，可得出19个充电桩C1(xc1，yc1)，C2(xc2，yc2)，…， C19(xc19，yc19)的坐标。其坐标点示意图如图5所示。
(6)根据充电桩充满当前无人机电池一次所需的时间Tc，结合第(2)步计算出的任务航线总长度SumL以及第(3)步计算出的无人机在充电桩上停留的次数m，可利用公式
Tsum＝mTc+SumL/VP
计算出无人机巡检一次线路所需的总时间Tsum。
函数表达式为x＝f(y)的任务航线具体实施步骤如下：
(1)假设任务航线的函数表达式为 x＝50cos(2πy/50)/π，x∈[-50，50]，y∈[0，100]，取点间隔Δy＝5，从航线的起始位置到终点，根据间隔Δy设置了21个路标点。求出每个路标点的坐标并连接相邻路标点，形成一条从起点到终点的多段折线，并求出每段折线的方程。
(2)从起点开始，使用直角坐标系两点间的距离公式
Figure GDA0002272604850000091
依次计算线段P1 P2，P2 P3，…，P20 P21的长度Length(1，2)，Length(2，3)，…，Length(20，21)。将20条线段长度相加，求出任务航线上的线段的总长度。
Figure GDA0002272604850000092
(3)根据用户提供的无人机参数(巡航速度VP＝3，续航时间TP＝8)，计算出无人机最大航程：SP＝VPTP＝24。
通过公式
Figure GDA0002272604850000093
计算出无人机在这条线路上需停留的次数18，18为在该任务航线上需要设置的充电桩个数(其中[]为取整运算符，％为模运算符)。
(4)在一个新的坐标系的第一象限作一条长度为SumL的线段L，用这条完整的线段L等效替代步骤(1)中求得的多段折线段，以达到将首尾相连的折线段“拉直”的效果。然后利用步骤(2)得到的各线段长度，通过下式计算出相邻折线段的n个分割点(路标点)在线段L上对应位置与L的起始点的距离 Partition(j)，便于利用线段L计算充电桩布置点在各折线段上的坐标。
Figure GDA0002272604850000101
其中，j＝1，2，…，21。其中分割点示意图如图9所示。
(5)模拟无人机从起始点出发沿直线段飞行到终点，则无人机在飞第i次停留时飞过的路程Si的计算公式为Si＝iSP(i＝1，2，...，18。将Si映射在线段L上，遍历Partition(j)(j＝1，2，…，21)，若存在1≤k≤20，满足
Partition(k)≤Si≤Partition(k+1)
则可判定第i个充电桩Ci(xci，yci)在直线PkPk+1上，且离Pk(xk，yk)的距离为
Dis[Si，Pk]＝Si-Partition(k)
则充电桩i坐标Ci(xci，yci)的计算公式为
Figure GDA0002272604850000102
Figure GDA0002272604850000103
其中a，b为直线PkPk+1的方程ax+by+c＝0中的系数项。
循环遍历i＝1，2，…，18可得出18个充电桩C1(xc1，yc1)，C2(xc2，yc2)，…， C18(xc18，yc18)的坐标。其坐标点示意图如图10所示。
(6)根据充电桩充满当前无人机电池一次所需的时间Tc，结合第(2)步计算出的任务航线总长度SumL以及第(3)步计算出的无人机在充电桩上停留的次数m，可利用公式
Tsum＝mTc+SumL/VP
计算出无人机巡检一次线路所需的总时间Tsum。
本发明中，r代表飞机飞行次数，也代表充电桩的序号，因为飞机每次停留的地方就是充电桩布置的地方。

Claims (1)

1.一种无人机沿任务航线飞行的充电桩布局方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立直角坐标系，将任务航线置于坐标系的第一象限，然后从航线的起始位置到终点，设置一系列路标点，求出每个路标点的坐标并连接相邻路标点，形成一条从起点到终点的多段折线，并求出每段折线的方程；
将无人机的任务航线分为两种情形：
①在无人机航线不能使用函数进行表示的情况下，通过人工实地采点，实现对一条任务航线上路标点的设置，具体方法为：使用GPS接收机遍历整条任务航线，在需要采点的地方采集该点的GPS坐标并存储，等遍历完该任务航线，就采集到了一系列的路标点，其中路标点采集的原则为：
(a)根据所使用GPS的精度EGPS来制定路标点采集最小间隔IGPS，IGPS＝EGPS；
(b)从任务航线的起点开始，根据路标点采集最小间隔IGPS沿任务航线依次采集路标点，直到任务航线的终点；
(c)在路标点采集完成后，从任务航线的起点开始，依次连接相邻路标点；
在采集到所有路标点P1，P2，P3，…，Pn后，通过各点坐标求出所有线段P1P2，P2P3，P3P4，…，Pn-1Pn的直线方程；n为路标点的个数；
②在无人机任务航线可以使用函数进行表示的情况下，即任务航线为由x＝f(y)与y＝f(x)所组成的分段函数，则路标点的设置分为两种情况：
第一种情况：对于表达式为y＝f(x)，x∈[a1,b1],y∈[c1,d1]的任务航线，设定Δx作为任务航线上的取点间隔，即在x轴上的投影间隔，则
Figure FDA0002272604840000011
为在这条航线上的取点个数；通过任务航线方程和取点间隔，求出n1个路标点的坐标P1 1(a1,f(a1))，P2 1(a1+Δx,f(a1+Δx))，P3 1(a1+2Δx,f(a1+2Δx))，…，
Figure FDA0002272604840000012
从起始点P1 1到终点
Figure FDA0002272604840000013
把相邻的两个点用直线相连，形成n1－1条相连的线段，求出所有线段的直线方程；
第二种情况：对于表达式为x＝f(y)，x∈[c2,d2],y∈[a2,b2]的任务航线，设定Δy作为任务航线上的取点间隔，即在y轴上的投影间隔，则
Figure FDA0002272604840000021
为在这条航线上的取点个数；通过任务航线方程和取点间隔，求出n2个路标点的坐标P1 2(f(a2),a2)，P2 2(f(a2+Δx),a2+Δx)，P3 2(f(a2+2Δx),a2+2Δx)，…，
Figure FDA0002272604840000022
从起始点P1 2到终点
Figure FDA0002272604840000023
把相邻的两个点用直线相连，形成n2－1条相连的线段，求出所有线段的直线方程；
航线路标点总数为n＝n1+n2；
(2)依次计算上述所有线段的长度，并将所有线段的长度相加，得到任务航线上所有线段的总长度SumL；其中，第i个线段的长度是Length(i,i+1)；1≤i≤n-1；
(3)根据用户提供的无人机参数，即巡航速度Vp和续航时间Tp，计算出无人机最大航程SP：SP＝VPTP；根据SP计算出无人机在所述任务航线上停留的次数m，m即为所需要布置的充电桩个数：
Figure FDA0002272604840000024
其中[]为取整运算符，％为模运算符；
(4)作一条长度为SumL的线段L，用这条完整的线段L等效替代步骤(1)中求得的多段折线段，然后利用步骤(2)得到的各线段长度，通过下式计算出相邻折线段的n个路标点在线段L上对应位置与L的起始点的距离Partition(j)：
Figure FDA0002272604840000025
其中，j＝1，2，…，n；
(5)模拟无人机从起始点出发沿直线段飞行到终点，且假设无人机每次按最大航程飞行，则无人机在第r次停留时飞过的路程Sr的计算公式为Sr＝rSP，r＝1，2，…，m；将Sr映射在线段L上，遍历Partition(j)，若存在1≤k≤n-1，满足Partition(k)≤Sr≤Partition(k+1)，则判定第r个充电桩在直线PkPk+1上，且离第k个点Pk(xk,yk)的距离为Dis[Sr,Pk]＝Sr-Partition(k)，则充电桩r坐标Cr(xcr,ycr)的计算公式为：
Figure FDA0002272604840000031
Figure FDA0002272604840000032
其中a，b为直线PkPk+1的方程ax+by+c＝0中的系数项；
(6)重复步骤(5)，直至计算出m个充电桩的坐标。
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