CN110543188A - 一种无人机航路网络规划方法、装置和存储介质 - Google Patents

一种无人机航路网络规划方法、装置和存储介质 Download PDF

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CN110543188A CN201910789946.3A CN201910789946A CN110543188A CN 110543188 A CN110543188 A CN 110543188A CN 201910789946 A CN201910789946 A CN 201910789946A CN 110543188 A CN110543188 A CN 110543188A
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徐永正
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张鑫龙
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Abstract

本发明提出了一种无人机航路网络规划方法、装置和存储介质，用以解决无人机运输投送航路网络的规划设计问题，所述无人机航路网络规划方法，包括：针对待规划无人机航路网络，根据预先设定的至少一个评价指标，分别确定每一评价指标对应的指标值，其中，所述评价指标的指标值为根据与航路节点相关的评价参数确定出的；根据各个评价指标对应的指标值和权重值，确定所述待规划无人机航路网络的评价参数值；根据所述评价参数值，确定待规划无人机航路网络参数。

Description

一种无人机航路网络规划方法、装置和存储介质
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种无人机航路网络规划方法、装置和存储介质。
背景技术
无人机运输，即通过利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的无人驾驶的低空飞行器运载货物，自动送达目的地。无人机运输具有突破人体生理限制、续航时间长、隐蔽性强、灵活性好、无人化以及智能化等先天优势，可有效针对部队驻地高原、海岛、戈壁、沙漠等地域环境特点，战时发挥快速响应、灵活机动的运输投送优势，平时发挥低成本、常态化运输投送优势，满足应急作战和日常保障需求。另外，无人机运输也可应用于物流配送领域，解决偏远地区的配送问题，提高配送效率，同时减少人力成本。
随着无人运输行业规模化的发展，利用一定载重能力无人平台进行物资运输必然是交通运输业的常态，但是，目前对无人机运输投送航路网络的建设成为限制无人机行业快速发展的关键问题之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是解决无人机运输投送航路网络的规划设计问题，提供一种无人机航路网络规划方法、装置和存储介质。
本发明采用的技术方案是提供一种无人机航路网络规划方法，所述无人机航路网络规划方法，包括：
针对待规划无人机航路网络，根据预先设定的至少一个评价指标，分别确定每一评价指标对应的指标值，其中，所述评价指标的指标值为根据与航路节点相关的评价参数确定出的；
根据各个评价指标对应的指标值和权重值，确定所述待规划无人机航路网络的评价参数值；
根据所述评价参数值，确定待规划无人机航路网络参数。
在一种可能的实时方式中，所述评价指标包括：航线成本、航路网络可达性、航路利用率和运行成本。
在一种可能的实施方式中，所述航线成本的评价参数包括航路节点之间的交通量和航段距离；
按照以下公式确定所述待规划无人机航路网络的航线成本对应的指标值：
其中：
i，j表示航路节点标识；
C(N)表示待规划无人机航路网络对应的航线成本；
fij表示航路节点i和航路节点j之间的交通量；
dij表示航路节点i和航路节点j之间的航段距离；
n表示航路中作为起降点的数目；
m表示航路中作为航路节点的数目。
在一种可能的实施方式中，所述航路网络可达性的评价参数包括航路节点之间的交通量和航段距离；
按照以下公式确定所述航路网络可达性对应的指标值：
其中：
R表示待规划无人机航路网络对应的航路网络可达性；
fij表示航路节点i和航路节点j之间的交通量；
dij表示航路节点i和航路节点j之间的航段距离；
n表示航路中作为起降点的数目；
m表示航路中作为航路节点的数目。
在一种可能的实施方式中，所述航路利用率的评价参数包括所述待规划无人机航路网络包含的航段数、航段距离和航线交通量；
按照以下公式确定所述待规划无人机航路网络的航路利用率：
其中：
U表示待规划无人机航路网络对应的航路利用率；
a表示待规划无人机航路网络中包含的航线条数；
q表示航段数；
lp表示航段p的长度；
Fk表示航线k的交通量。
在一种可能的实施方式中，所述运行成本的评价参数包括航路节点之间的交通量和航段距离；
按照以下公式确定所述待规划无人机航路网络的运行成本：
其中：
TC表示待规划无人机航路网络对应的运行成本；
β为预设值；
q表示航段数；
lp表示航段p的商都；
fp表示航段p的交通量。
在一种可能的实施方式中，所述待规划无人机航路网络对应的航线成本不超过预设阈值。
在一种可能的实施方式中，所述待规划无人机航路网络包括低空网络和中低空网络，所述低空网络中无人机的飞行高度低于所述中低空网络中无人机的飞行高度；所述低空网络中无人机和所述中低空网络中无人机在起降阶段按照设定的距离和倾斜角度进行倾斜爬升和降落，以及针对所述低空网络中无人机和所述中低空网络中无人机设定的倾斜角度不同。
本发明还提供一种无人机航路网络规划装置，包括：
第一确定单元，用于针对待规划无人机航路网络，根据预先设定的至少一个评价指标，分别确定每一评价指标对应的指标值，其中，所述评价指标的指标值为根据与航路节点相关的评价参数确定出的；
第二确定单元，用于根据各个评价指标对应的指标值和权重值，确定所述待规划无人机航路网络的评价参数值；
第三确定单元，用于根据所述评价参数值，确定待规划无人机航路网络参数。
在一种可能的实施方式中，所述评价指标包括：航线成本、航路网络可达性、航路利用率和运行成本。
在一种可能的实施方式中，所述航线成本的评价参数包括航路节点之间的交通量和航段距离；
所述第一确定单元，具体用于按照以下公式确定所述待规划无人机航路网络的航线成本对应的指标值：
其中：
i，j表示航路节点标识；
C(N)表示待规划无人机航路网络对应的航线成本；
fij表示航路节点i和航路节点j之间的交通量；
dij表示航路节点i和航路节点j之间的航段距离；
n表示航路中作为起降点的数目；
m表示航路中作为航路节点的数目。
在一种可能的实施方式中，所述航路网络可达性的评价参数包括航路节点之间的交通量和航段距离；
所述第一确定单元，具体用于按照以下公式确定所述航路网络可达性对应的指标值：
其中：
R表示待规划无人机航路网络对应的航路网络可达性；
fij表示航路节点i和航路节点j之间的交通量；
dij表示航路节点i和航路节点j之间的航段距离；
n表示航路中作为起降点的数目；
m表示航路中作为航路节点的数目。
在一种可能的实施方式中，所述航路利用率的评价参数包括所述待规划无人机航路网络包含的航段数、航段距离和航线交通量；以及
所述第一确定单元，具体用于按照以下公式确定所述待规划无人机航路网络的航路利用率：
其中：
U表示待规划无人机航路网络对应的航路利用率；
a表示待规划无人机航路网络中包含的航线条数；
q表示航段数；
lp表示航段p的长度；
Fk表示航线k的交通量。
在一种可能的实施方式中，所述运行成本的评价参数包括航路节点之间的交通量和航段距离；
所述第一确定单元，具体用于按照以下公式确定所述待规划无人机航路网络的运行成本：
其中：
TC表示待规划无人机航路网络对应的运行成本；
β为预设值；
q表示航段数；
lp表示航段p的长度；
fp表示航段p的交通量。
在一种可能的实施方式中，所述待规划无人机航路网络对应的航线成本不超过预设阈值。
在一种可能的实施方式中，所述待规划无人机航路网络包括低空网络和中低空网络，所述低空网络中无人机的飞行高度低于所述中低空网络中无人机的飞行高度；所述低空网络中无人机和所述中低空网络中无人机在起降阶段按照设定的距离和倾斜角度进行倾斜爬升和降落，以及针对所述低空网络中无人机和所述中低空网络中无人机设定的倾斜角度不同。
本发明还提供另外一种无人机航路网络规划装置，所述无人机航路网络规划装置包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上述任一无人机航路网络规划方法的步骤。
本发明还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一无人机航路网络规划方法的步骤。
采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：
根据针对设计无人机航路网络的评价指标，确定待规划无人机网络的每一评价指标对应的指标值，并根据各评价指标的指标值和权重值，确定出待规划无人机航路网络的评价参数值，根据该评价参数值，确定待规划无人机航路网络中包含的航路节点数量，为无人机航路网络规划提供参考依据，使得待规划无人机航路网络在各个评价指标上达到一个较优的状态。
附图说明
图1为本发明实施例的低空网络无人机和中低空网络无人机的任务空域划分示意图；
图2为本发明实施例的无人机起降点之间航路的俯视图；
图3为本发明实施例的无人机航路网络规划方法实施流程示意图；
图4为本发明实施例的无人机航路网络规划装置的结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
根据无人机的运输能力和飞行高度，本发明实施例中，将无人机航路网络划分为低空网络和高空网络，低空网络中无人机的飞行高度低于所述中低空网络中无人机的飞行高度。其中，低空网络中无人机飞行高度不超过第一高度阈值，具体实施时，第一高度阈值可以根据实际需要设定，本发明实施例对此不进行限定，例如可以设定为1KM；中低空网络中无人机飞行高度不超过第二高度阈值，具体实施时，第二高度阈值可以根据实际需要设定，本发明实施例对此不进行限定，例如可以设定为3KM。
在低空网络中可以飞行旋翼无人机，旋翼无人机具备垂直起降能力；在中低空网络中可以飞行固定翼无人机，固定翼无人机需要一定滑跑、爬升过程。为了避免低空网络中飞行的无人机和中低空网络中飞行的无人机在起降点(即机场)附近出现航路交叉，本发明实施例中，低空网络中无人机和中低空网络中无人机在起降阶段按照设定的距离和倾斜角度进行倾斜爬升和降落，以及针对所述低空网络中无人机和所述中低空网络中无人机设定的倾斜角度不同。即具体实施时，在空域高度分层的基础上，旋翼无人机和固定翼无人机在起降阶段均需进行一定距离的倾斜爬升和降落，如图1所示。
具体实施时，固定翼无人机飞行高度高、载重量大，需要滑跑起降，任务航路空域可以设置在1km～3km高度，编组飞行时可以每600m分高度层利用空域；旋翼无人机飞行高度低、载重量较小，能够垂直起降，对起降机场要求相对较低，任务航路空域设置在1km以下，编组飞行时可以每100m分高度层利用空域。
本发明实施例中，利用空域高度的划分，避免了两类无人机在航路中的交叉影响，无人机航路在飞行高度上不存在相互干扰问题，将三维空间航路规划问题简化为二维平面问题。如图2所示，其为多个无人机起降点之间航路的俯视图，其中，灰色方块表示禁飞区域，各个起降点之间有一定数量的航路节点约束起降点之间的航线方向，起降点中有部分为支线起降点，支线起降点中包含有单向节点。图2中，5个起降点附近空域有四块禁飞区，使得仅有部分起降点有直达空域可用。根据禁飞区位置和起降点位置，规划航路节点及航路，便于之后对航路各类指标进行分析。因此，无人机航路网络规划，即根据已有的起降点来规划各个起降点之间包含的航路节点和航路，通过合理利用网络资源，使得无人机航路网络在经济效益、运输能力和网络利用率等等各方面均达到较优的效果。为了解决这个问题，本发明实施例中，针对无人机航路网络设计了多个评价指标对待规划无人机航路网络进行评价，根据评价结果合理确定网络中包含的航路节点的数量。以下结合说明书附图，对本发明实施例的具体实施过程进行说明。
如图3所示，其为本发明实施例提供的无人机航路网络规划方法的实施流程示意图，包括以下步骤：
S31、针对待规划无人机航路网络，根据预先设定的至少一个评价指标，分别确定每一评价指标对应的指标值。
其中，评价指标的指标值为根据与航路节点相关的评价参数确定出的。
具体实施时，评价指标可以包括以下至少一项：航线成本、航路网络可达性、航路利用率和运行成本。其中，航线成本是衡量无人机航路网络经济型的重要指标，航路网络航线总成本越低，网络越经济，在评价待规划无人机航路网络时增加航线成本的约束，可以保证规划的航路网络的经济性。具体实施时，还可以限制航线成本不超过预设阈值。航路网络可达性反映的是往返航路节点之间容易程度的指标，表示为航路网络中的飞行最短路径的平均值，其值越大，说明航路网络的可通达程度越好。航路利用率，是指单位时间内单位航段长上的交通量分布情况，航路网络运行成本直接反映了航路网络上的总飞行里程数，机型相同的无人机，其单位里程上的运行成本近似相同，因此，在忽略机型差别的前提下，可通过飞行总里程表示航路网络的总运行成本。
S32、根据各个评价指标对应的指标值和权重值，确定待规划无人机航路网络的评价参数值。
具体实施时，可以根据实际需要根据其中任一评价指标来进行无人机航路网络规划，或者也可以结合其中的若干指标来进行无人机航路网络规划，如果根据多个指标进行规划，则可以根据规划侧重点不同，为各个评价指标设定权重值。
S33、根据确定出的评价参数值，确定待规划无人机航路网络参数。
其中，待规划无人机航路网络参数包括航路节点数量以及航路等。
例如，在进行无人机航路网络规划时，如果更看重航路利用率，则可以为航路利用率设定更高的权重值，当航路利用率对应的权重值为1时，即为根据航路利用率唯一指标来评价航路网络，这种，实施方式中，可以通过调节航路节点数量和航路来使航路利用率达到一个最大值。
具体实施时，航线成本的评价参数包括航路节点之间的交通量和航段距离。本发明实施例中，可以按照以下公式确定所述待规划无人机航路网络的航线成本对应的指标值：
其中：
i，j表示航路节点标识；
C(N)表示待规划无人机航路网络对应的航线成本；
fij表示航路节点i和航路节点j之间的交通量；
dij表示航路节点i和航路节点j之间的航段距离；
n表示航路中作为起降点的数目；
m表示航路中作为航路节点的数目。
具体实施时，航路网络可达性的评价参数包括航路节点之间的交通量和航段距离。本发明实施例中，可以按照以下公式确定所述航路网络可达性对应的指标值：
其中：
R表示待规划无人机航路网络对应的航路网络可达性；
fij表示航路节点i和航路节点j之间的交通量；
dij表示航路节点i和航路节点j之间的航段距离；
n表示航路中作为起降点的数目；
m表示航路中作为航路节点的数目。
具体实施时，航路利用率的评价参数包括所述待规划无人机航路网络包含的航段数、航段距离和航线交通量；本发明实施例中，可以按照以下公式确定所述待规划无人机航路网络的航路利用率：
其中：
U表示待规划无人机航路网络对应的航路利用率；
a表示待规划无人机航路网络中包含的航线条数；
q表示航段数；
lp表示航段p的长度；
Fk表示航线k的交通量。
需要说明的是，航段p的长度即为组成航段p的两个航路节点之间的距离。航线是指两个起降点之间的航路，其可以包含多个航段。航线里程，可以描述为该航线所包含的多个航段的距离之和。
具体实施时，运行成本的评价参数包括航路节点之间的交通量和航段距离；本发明实施例中，可以按照以下公式确定所述待规划无人机航路网络的运行成本：
其中：
TC表示待规划无人机航路网络对应的运行成本；
β为预设值；
q表示航段数；
lp表示航段p的长度；
fp表示航段p的交通量。
本发明实施例中，对执行运输任务的中低空无人机航路网络进行规划设计，建立针对大型固定翼无人机和中型旋翼无人机的双层协同航路网络，提升特定无人机执行运输投送任务的经济效能，为合理利用中低空空域开展物资运输活动提供参考依据。
另外，本发明实施例中，以航路网络规划评价为依据，针对无人机航路网络规划提出不同的网络评价指标，病名航路网络评价指标的技术性和交通性，将航路网络的通行能力作为航路网络交通性的评价指标，提高了无人机航路网络规划的合理性。
基于相同的技术构思，本发明实施例还提供了一种无人机航路网络规划装置，如图4所示，可以包括：
第一确定单元41，用于针对待规划无人机航路网络，根据预先设定的至少一个评价指标，分别确定每一评价指标对应的指标值，其中，所述评价指标的指标值为根据与航路节点相关的评价参数确定出的；
第二确定单元42，用于根据各个评价指标对应的指标值和权重值，确定所述待规划无人机航路网络的评价参数值；
第三确定单元43，用于根据所述评价参数值，确定待规划无人机航路网络参数。
在一种可能的实施方式中，所述评价指标包括以下至少一项：航线成本、航路网络可达性、航路利用率和运行成本。
在一种可能的实施方式中，所述航线成本的评价参数包括航路节点之间的交通量和航段距离：以及
所述第一确定单元41，具体用于按照以下公式确定所述待规划无人机航路网络的航线成本对应的指标值：
其中：
i，j表示航路节点标识；
C(N)表示待规划无人机航路网络对应的航线成本；
fij表示航路节点i和航路节点j之间的交通量；
dij表示航路节点i和航路节点j之间的航段距离；
n表示航路中作为起降点的数目；
m表示航路中作为航路节点的数目。
在一种可能的实施方式中，所述航路网络可达性的评价参数包括航路节点之间的交通量和航段距离；以及
所述第一确定单元41，具体用于按照以下公式确定所述航路网络可达性对应的指标值：
其中：
R表示待规划无人机航路网络对应的航路网络可达性；
fij表示航路节点i和航路节点j之间的交通量；
dij表示航路节点i和航路节点j之间的航段距离；
n表示航路中作为起降点的数目；
m表示航路中作为航路节点的数目。
在一种可能的实施方式中，所述航路利用率的评价参数包括所述待规划无人机航路网络包含的航段数、航段距离和航线交通量；以及
所述第一确定单元41，具体用于按照以下公式确定所述待规划无人机航路网络的航路利用率：
其中：
U表示待规划无人机航路网络对应的航路利用率；
a表示待规划无人机航路网络中包含的航线条数；
q表示航段数；
lp表示航段p的长度；
Fk表示航线k的交通量。
在一种可能的实施方式中，所述运行成本的评价参数包括航路节点之间的交通量和航段距离：以及
所述第一确定单元41，具体用于按照以下公式确定所述待规划无人机航路网络的运行成本：
其中：
TC表示待规划无人机航路网络对应的运行成本；
β为预设值；
q表示航段数；
lp表示航段p的长度；
fp表示航段p的交通量。
在一种可能的实施方式中，所述待规划无人机航路网络对应的航线成本不超过预设阈值。
在一种可能的实施方式中，所述待规划无人机航路网络包括低空网络和中低空网络，所述低空网络中无人机的飞行高度低于所述中低空网络中无人机的飞行高度；所述低空网络中无人机和所述中低空网络中无人机在起降阶段按照设定的距离和倾斜角度进行倾斜爬升和降落，以及针对所述低空网络中无人机和所述中低空网络中无人机设定的倾斜角度不同。
基于相同的技术构思，本发明实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上述任一无人机航路网络规划方法的步骤。
基于相同的技术构思，本发明还提供一种计算机存储介质，该计算机存储介质上存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时实现上述任一无人机航路网络规划方法的步骤。
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (10)

1.一种无人机航路网络规划方法，其特征在于，包括：
针对待规划无人机航路网络，根据预先设定的至少一个评价指标，分别确定每一评价指标对应的指标值，其中，所述评价指标的指标值为根据与航路节点相关的评价参数确定出的；
根据各个评价指标对应的指标值和权重值，确定所述待规划无人机航路网络的评价参数值；
根据所述评价参数值，确定待规划无人机航路网络参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述评价指标包括：航线成本、航路网络可达性、航路利用率和运行成本。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述航线成本的评价参数包括航路节点之间的交通量和航段距离；
按照以下公式确定所述待规划无人机航路网络的航线成本对应的指标值：
其中：
i,j表示航路节点标识；
C(N)表示待规划无人机航路网络对应的航线成本；
fij表示航路节点i和航路节点j之间的交通量；
dij表示航路节点i和航路节点j之间的航段距离；
n表示航路中作为起降点的数目；
m表示航路中作为航路节点的数目。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述航路网络可达性的评价参数包括航路节点之间的交通量和航段距离；
按照以下公式确定所述航路网络可达性对应的指标值：
其中：
R表示待规划无人机航路网络对应的航路网络可达性；
fij表示航路节点i和航路节点j之间的交通量；
dij表示航路节点i和航路节点j之间的航段距离；
n表示航路中作为起降点的数目；
m表示航路中作为航路节点的数目。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述航路利用率的评价参数包括所述待规划无人机航路网络包含的航段数、航段距离和航线交通量；
按照以下公式确定所述待规划无人机航路网络的航路利用率：
其中：
U表示待规划无人机航路网络对应的航路利用率；
a表示待规划无人机航路网络中包含的航线条数；
q表示航段数；
lp表示航段p的长度；
Fk表示航线k的交通量。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述运行成本的评价参数包括航路节点之间的交通量和航段距离；
按照以下公式确定所述待规划无人机航路网络的运行成本：
其中：
TC表示待规划无人机航路网络对应的运行成本；
β为预设值；
q表示航段数；
lp表示航段p的长度；
fp表示航段p的交通量。
7.根据权利要求1～6任一项所述的方法，其特征在于，所述待规划无人机航路网络包括低空网络和中低空网络，所述低空网络中无人机的飞行高度低于所述中低空网络中无人机的飞行高度；所述低空网络中无人机和所述中低空网络中无人机在起降阶段按照设定的距离和倾斜角度进行倾斜爬升和降落，以及针对所述低空网络中无人机和所述中低空网络中无人机设定的倾斜角度不同。
8.一种无人机航路网络规划装置，其特征在于，包括：
第一确定单元，用于针对待规划无人机航路网络，根据预先设定的至少一个评价指标，分别确定每一评价指标对应的指标值，其中，所述评价指标的指标值为根据与航路节点相关的评价参数确定出的；
第二确定单元，用于根据各个评价指标对应的指标值和权重值，确定所述待规划无人机航路网络的评价参数值；
第三确定单元，用于根据所述评价参数值，确定待规划无人机航路网络参数。
9.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
10.一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
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