CN110598951A - 一种配送无人机移动充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种配送无人机移动充电方法，包含无人机配送路径的二次优化流程。在调度中心匹配调度流程中，调度中心为无人机和配送车分配配送任务，并根据无人机配送方案待优化优先级次序，为无人机生成可以移动充电的经济配送路线，目的是使无人机可以停在配送车上的充电停机坪上，通过“搭便车”的方法增加无人机续航时间，提高无人机配送的工作效率，降低无人机中途电量不足导致的风险。

Description

一种配送无人机移动充电方法

技术领域

本发明涉及货物配送、无人机与调度优化领域，在货物配送环节中提出一种经济的配送无人机移动充电方法，利用无人机与配送车配对协作进行货物配送以节约无人机电量，增加无人机续航时间的优化和实施方法。

背景技术

随着科技的持续发展和技术的不断进步，无人机已从军事领域扩展到民用领域，不仅在农业、电力、渔业、林业、安防、救援等方面展露才华，同时也在消费级领域“大展拳脚”，应用日益广泛。可以说，如今的无人机早已飞入了寻常百姓家。美国联邦航空局于2019年4月23日向谷歌母公司“字母表”旗下的无人机配送公司“翼航空”发放美国首个无人机配送许可。这意味着无人机商业配送在美国正式“起飞”。按照许可，“翼航空”将在弗吉尼亚州布莱克斯堡地区用小型无人机送快递，配送重量最高为1.5千克，最远飞行距离约为20公里，未来数月计划收集社区反馈后首先展开无人机送餐服务。而在此之前，“翼航空”已于本月初获得澳大利亚民航安全局批准，在堪培拉正式开始无人机送货业务，在包裹较轻、交货距离较短的快递任务上取得优势。

尽管无人机配送的种种优势令人心动，但到目前为止，续航能力仍旧是无人机投入使用的尚未突破的瓶颈。无人机续航时间的长短，归根结底在于电池。目前市面上大部分民用无人机都使用锂电池作为能源，但锂电池的续航又有着许多制约因素。以外卖配送为例，就如饿了么开发的送餐无人机，最高飞行速度为65km/h，而满载续航距离最远为20km，也就是说送餐无人机在满载状态下，最多可以飞行20分钟左右。又加上无人机充电速度慢于其耗电速度，甚至需要人力定点更换电池，因此如何最大程度地增加无人机的续航时间，使其可以完成更多配送任务，是亟需解决的问题。

在无人机充电方面，已有多家公司进行无人机无线充电产品的设计与研发，如德国柏林的SkySense公司研发出一款金属无线充电平板，其表面为六边形组成的蜂巢结构；无人机的充电触电通过一个镀金弹簧与导线连接到落脚架，当充电平板连接外部电源，无人机只要降落在充电平板上与镀金弹簧触点接触就可完成充电。利用无线充电技术为无人机补充电量在技术上已成为可能。

目前针对无人机进行货物配送的研究较少，大都是无人机单独送货的基本流程分析；这些研究都未考虑过通过调度优化节约无人机电量，增加无人机续航时间的问题。由于无人机和配送车协作配送的想法更具有现实可行性，因此如何利用二者之间的协作来增加无人机的续航时间成为调度的突破口。

发明内容

为了节约无人机电量，增加无人机的续航时间，使其可以完成配送任务，本发明提供一种配送无人机移动充电方法，其步骤为：

S01、调度中心收到特定区域内的一批配送订单，将配送任务分别分配给一组带移动充电停机坪的配送车和一组配送无人机，并规划它们的初始配送方案，其中无人机的配送方案需满足无人机载重约束，将无人机配送方案存入待二次优化集合D；

S02、调度中心根据二次优化集合D中所涉及的所有无人机当前剩余电量，估计订单预计完成时间，该时间包含无人机电量不足时需要去最近固定充电桩进行充电的时间；根据订单预计的完成时间计算用户满意度，按照满意度从低到高对二次优化集合D中无人机配送方案进行优先级排序；

S03、调度中心按照二次优化集合D中无人机配送方案的优先级次序，依次在所有配送车规划的配送路线上找到能最大程度覆盖无人机配送路线且配送时间区间接近的配送车路线，为无人机生成可以移动充电的经济配送路线，且生成二次优化的配送方案表；

S04、调度中心检查S03中的二次优化配送方案是否可以满足无人机的电量约束和用户满意度约束，如可满足电量约束和用户满意度约束，执行S06，如不能满足电量约束和用户，则执行S05；

S05、调度中心标记该配送方案为不可行配送方案，将该配送订单发回调度中心，并返回S01；

S06、调度中心向配送车和无人机发送优化过且可行的配送方案并将这些方案从二次优化集合D中移出；

S07、调度中心监控配送车和无人机执行移动充电的经济配送方案的执行情况，并协助无人机定位充电桩位置；

S08、调度中心监控所有移动充电配送方案是否按期执行，如已全部按期执行，返回S01，如检测到的未按照计划实施的配送方案，则执行S09；

S09、将该无人机的配送方案存入待优化集合D，并返回S02。

进一步的，S01中，配送订单任务信息至少包括配送取货地址、送货地址、时限；调度中心根据时限要求、各无人机和配送车的当前位置及其已分配任务列表(即无人机和配送车当前未完成的被分配的订单任务)，将任务表(即调度中心收到的新一批订单任务)中任务分别分配给无人机和配送车，生成初始配送方案及一张无人机方案表和一张配送车方案表，并从任务表中删除已分配的订单任务；其中无人机方案表包含的信息包括无人机编号ID，取货地址，送货地址，时限，路线规划和预计飞行时间；配送车方案表包含的信息包括配送车编号ID，取货地址，送货地址，时限和路线规划。

进一步的，S02中，调度中心根据完成订单所经过路线长度信息计算订单截止时间，订单截止日期是调度中心设置的订单预计完成时刻，用于评估订单满意度或设置惩罚策略的重要阈值信息，根据预计的配送时间超过截止时间的长度计算用户满意度，超出的时间越长则用户满意度越低。

进一步的，步骤S04中，调度中心检查优化后的配送方案是否可以满足无人机的电量约束，如果可以则标记该配送方案为可行方案，并执行S06，；若不能，则在配送方案中指定无人机在电量低于阈值时前往固定充电桩充电，并再次估计此订单完成时间和相应的用户满意度；若无人机在电量到达阈值前无法飞到充电桩，且未接收货品，标记该配送方案为不可行配送方案，执行S05，重新分配给其他无人机或配送车，；若无人机已接收货品，调度中心向无人机发送原地等待命令并向其提供救援。

进一步的，步骤S04中，调度中心检查所有二次优化的可行配送方案对应的用户满意度是否不低于指定阈值；将低于指定阈值的配送方案标记为不可行配送方案，执行S05。

进一步的，无人机配送流程为：

无人机检测是否收到调度中心发送的原地等待命令，如果是，则于合适的地点降落并等待救援；

无人机收到二次优化的经济配送方案，该方案包含配送路线规划，路线包含若干个子路线,其中部分子路线指定了移动充电目标配送车；

无人机按照配送方案中子路线次序依次执行飞行任务；

无人机若检测到当前子路线为其指定了移动充电目标配送车，则按照子路线规定航线进行飞行，向调度中心持续发送位置信息并在调度中心协助下按照计算好的汇合位置和时间尝试沿途发现指定配送车；

无人机若在一定时间限制内停靠在指定配送车的充电停机坪上，则在到达当前子路线终点位置附近后离开充电桩；否则无人机向调度中心发送未能按期执行配送方案消息，等待调度中心发送更新后的配送方案。

其中，子路线信息需要包括预计到达地理位置信息以及时间信息。

进一步的，无人机收到二次优化的经济配送方案的子路线为一组连续的子路线，子路线包括充电子路线和飞行子路线，充电子路线需指定充电配送车和预计到达时间区间以及子路线地址信息，无人机需在指定时间区间范围内到达该子路线起点附近，开启摄像头，扫描配送箱上的特定标识，在调度中心协助下降落在指定配送车的移动充电停机坪上充电，并在到达该子路线终点附近离开该配送车，开始下一段路线。

进一步的，调度中心检测到无人机到达充电子路线起点范围后，在指定时间区间内未能降落到停机坪进行充电，则计算附近是否存在正在行进中且路线接近的配送车，为该台无人机重新生成充电子路线；否则计算该无人机是否有足够电量独立飞行此段路线，如果有则修改该路线为飞行子路线，命令无人机飞行完成此段路线；如果电量不足完成本趟配送，则计算离其中最近的固定充电桩，并计算无人机剩余电量；如果无人机剩余电量可以飞往固定充电桩，则命令其前往充电，并更新后续配送方案；如果无人机剩余电量不足以飞往固定充电桩，则命令其原地等待救援。

本发明所述的有益效果为：本发明提供一种配送无人机移动充电方法，包含无人机和配送车配对优化调度流程和无人机配送流程，可在满足时间要求和无人机电量的前提下，对路线相似度较高的无人机和配送车进行匹配，使无人机在相同的路径上于计算好的汇合点降落在配送车上的充电停机坪上进行移动，从而尽可能地节省无人机的电量并补充电量而完成配送任务。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明一种无人机移动充电示意图；

图2是本发明一种配送无人机移动充电方法的调度中心调度流程示意图；

图3是本发明一种配送无人机移动充电方法的无人机配送流程示意图；

图4是本发明一种配送无人机移动充电方法的人机协作配送示例图；

图5是配送订单任务表T；

图6是无人机方案表；

图7是配送车方案表；

图8是优先级排序表；

图9是优化配送方案表。

其中，1-无人机，2-充电停机坪，3-配送车后座箱。

具体实施方式

本发明提供一种配送无人机移动充电方法，旨在节省无人机的耗电量并补充电量从而尽可能地延长无人机的续航时间，使无人机完成配送任务，以下进行详细说明。

配送车上安装有移动充电桩，即充电停机坪，连接配送车的能源供给，例如电动车电池。利用无线充电技术，无人机可停在充电停机坪上进行充电，如图1所示。

下面结合本发明实施例中的附图，以外卖配送为例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完善地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出劳动成果的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图2为本发明一种配送无人机移动充电方法的调度中心调度流程示意图，具体包括如下步骤：

S01：调度中心收到特定区域内的一批配送订单，将配送任务分配给一组带移动充电停机坪的配送车和一组配送无人机，并规划它们的初始配送方案，其中，用户要求使用无人机配送或用户要求的配送时间较短必须使用无人机配送，且满足无人机载重约束的订单分配给无人机，其余订单分配给配送车；配送方案包含取货送货路线，其中无人机的配送方案需满足无人机载重约束，将无人机配送方案存入待二次优化集合D；

调度中心接收到特定区域内的一批新的配送订单任务信息，一条配送订单任务信息应该包含取餐地址，送餐地址和时限。调度中心维护一个空闲的任务表T，将新到达的配送订单任务信息存入表T中；

例如，调度中心存储的新一批配送订单任务信息如图5所示，地点位置信息如图3所示。

调度中心根据时限要求、各无人机和配送车的当前位置及其已分配任务列表等因素将任务表T中的任务分别分配给无人机和带移动充电停机坪的配送车，生成初始配送方案，并生成一张无人机方案表和一张配送车方案表，从任务表T中删除已分配的订单任务。其中无人机方案表包含的信息包括无人机编号ID，取餐地址，送餐地址，时限，路线规划和预计飞行时间；配送车方案表包含的信息包括配送车编号ID，取餐地址，送餐地址，时限和路线规划；分别如图6和图7所示(为简化起见，路线规划描述简要标记为配送车1路线、配送车2路线、···、无人机1规划路线、···，具体路线见示例图3)。其中预计飞行时间按照路程/速度来计算，无人机飞行速度定为500m/min。

调度中心将无人机方案表中配送方案存入待二次优化集合D，此时D中至少存在无人机001和无人机002配送方案待优化。

S02：调度中心根据集合D中所涉及的所有无人机当前剩余电量，估计订单预计完成时间，该时间包含无人机电量不足时需要去最近固定充电桩进行充电的时间；根据订单预计的完成时间计算用户满意度，按照满意度从低到高对D中无人机配送方案进行优先级排序，满意度越低则优先级越高。

将计算无人机当前剩余电量转化为计算无人机剩余飞行时间，调度中心获取无人机001和无人机002当前剩余飞行时间，估计订单预计完成时间，该时间包含无人机电量不足时需要去最近固定充电桩进行充电的时间；根据订单预计的完成时间计算用户满意度，按照满意度从低到高对D中无人机配送方案进行优先级排序，满意度计算方法可为引入满意度运算公式，即超出的时间越长，满意度越低。满足程度越低则优先级越高(优先级越高排序序号越小)。假设无人机满电量的飞行时间为30分钟；无人机在固定充电桩充电时间仅为足以满足当前任务所需电量的充电时间；预计充电时间为无人机飞到固定充电桩的时间与充电时间之和；预计完成时间为预计飞行时间与预计充电时间之和；用户满意度最高为100。

优先级排序表需要包含优先级、无人机编号ID、剩余飞行时间、预计飞行时间、预计充电时间、预计完成时间、时限和用户满意度。此例中得到优先级排序表如图8所示。

S03：调度中心按照D中无人机配送方案的优先级次序，依次在所有配送车规划的配送路线上找到能最大程度覆盖无人机配送路线且配送时间区间接近的配送车路线，为无人机生成可以移动充电的经济配送路线，且生产二次优化的配送方案表。

调度中心根据优先级排序表中优先级顺序，根据各个配送车配送路线和无人机配送路线挑选出具有相近配送时间的最大路线覆盖度的配送车与无人机匹配。相近配送时间的意思是无人机可以与配送车汇合且彼此等待时间相差不大。假设配送车匀速行驶，无人机可以变速飞行，调度中心在进行路线规划以后，配送车到达规划路线上任何一点的时间都是可以计算出来的，只有当覆盖子路线的起首时间是晚于无人机接收到方案飞往该配送车的时间且覆盖子路线的结束时间早于无人机送达外卖的时间时，此覆盖子路线才有意义。

根据匹配结果为无人机生成可以移动充电的经济配送路线并生成优化配送方案表，包含无人机编号ID、配送车编号ID、配送路线、预计飞行时间、配送时间等信息。二次优化配送方案表中无人机的配送路线由一组连续的子路线组成，子路线分为充电子路线和飞行子路线两类，充电子路线需指定充电配送车和预计到达地理位置信息以及时间信息；预计飞行时间为无人机独立飞行的时间；优化方案的配送时间是所有子路线时间的总和；当无配送车可匹配的情况下，优化配送方案配送时间为原来方案配送时间。此例的优化配送方案表如图9所示(为简化起见，子路线简要标记为子路线1、子路线2、···，具体配送路线见示例图3；假设无人机001在飞往配送车001、配送车002和送餐地址的过程中没有高楼、高压线、机场及禁飞区等需要绕行的限制，无人机在子路线1、子路线3和子路线5直线飞行)。

S04：调度中心检查该配送方案是否可以满足无人机的电量约束和用户满意度约束；

调度中心检查二次优化配送方案是否可以满足无人机的电量约束和用户满意度约束，若不能，转S05；否则转S06。

无人机在配送车的移动充电坪上可进行电量补充，因此剩余飞行时间会有所增加。此例中无人机002不满足无人机的电量约束，即无人机002的剩余飞行时间小于预计飞行时间，转S05；无人机001满足无人机的电量约束和用户满意度约束，即无人机001的剩余飞行时间大于预计飞行时间，且订单预计完成时间小于时限要求，用户满意度为100，转S06。

S05：调度中心标记该配送方案为不可行配送方案；

当配送方案不能满足无人机的电量约束时，指定无人机在电量低于阈值时前飞往固定充电桩充电，并再次估计此订单完成时间和相应的用户满意度；若无人机在电量在到达阈值前无法飞到充电桩，且未接收货品，标记该配送方案为不可行配送方案；若无人机已接收货品，调度中心向无人机发送原地等待命令并向其提供救援；调度中心检查二次优化的配送方案中每个订单的完成时间是否可以令用户满意度不低于指定阈值，如果否，则标记该配送方案为不可行配送方案。不可行配送方案转回S01重新分配给其他无人机或配送车。

此例中假设无人机002无法在电量低于阈值前到达固定充电桩且未接收外卖商品，该配送方案标记为不可行配送方案，转S01。

S06：调度中心向配送车和无人机发送优化过且可行的配送方案并将这些方案从D中移出；

调度中心将图9中无人机001的优化配送方案发送给配送车001、配送车002和无人机001，并将D中无人机001待优化方案移出。

S07：调度中心监控配送车和无人机执行移动充电的经济配送方案的执行情况，并协助无人机定位充电桩位置；

无人机到达之后，开启摄像头，扫描配送车上的特定标识并降落在配送车上充电停机坪上，在调度中心协助下定位充电桩位置。此过程中无人机与调度中心持续进行信息交互，调度中心监控配送车和无人机移动充电经济配送方案的执行情况。

S08：调度中心监控所有移动充电配送方案是否按期执行；

调度中心监控所有移动充电配送方案是否按期执行，若是，转回S01；若不是，转S09。

假设调度中心监控到所有移动充电配送方案均按期执行，即此时待优化集合D为空，则本批配对优化结束，转回S01接收新的配送订单任务；假设调度中心监控到无人机001未能成功降落在配送车002的移动充电停机坪上，转S09。

S09：将该无人机的配送方案存入待优化集合D；

调度中心将此配送方案再次存入待优化集合D中，回到S02重新优化配送方案。

调度中心将无人机001的配送方案存入D中再次优化，发现无人机独立飞行到地点4可满足无人机电量约束和用户满意度约束，于是更新无人机001的优化配送方案并发送给无人机001，并监控其配送方案执行情况直至按期结束。

以上所述仅为本发明的优选方案，并非作为对本发明的进一步限定，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的各种等效变化均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种配送无人机移动充电方法，其步骤为：

S01、调度中心收到特定区域内的一批配送订单，将配送任务分别分配给一组带移动充电停机坪的配送车和一组配送无人机，并规划它们的初始配送方案，其中无人机的配送方案需满足无人机载重约束，将无人机配送方案存入待二次优化集合D；

S02、调度中心根据二次优化集合D中所涉及的所有无人机当前剩余电量，估计订单预计完成时间；根据订单预计的完成时间计算用户满意度，按照满意度从低到高对二次优化集合D中无人机配送方案进行优先级排序；

S03、调度中心按照二次优化集合D中无人机配送方案的优先级次序，依次在所有配送车规划的配送路线上找到能最大程度覆盖无人机配送路线且配送时间区间接近的配送车路线，为无人机生成可以移动充电的经济配送路线，且生成二次优化的配送方案表；

S04、调度中心检查S03中的二次优化配送方案是否可以满足无人机的电量约束和用户满意度约束，如可满足电量约束和用户满意度约束，执行S06，如不能满足电量约束和用户，则执行S05；

S05、调度中心标记该配送方案为不可行配送方案，将该配送订单发回调度中心，并返回S01；

S06、调度中心向配送车和无人机发送优化过且可行的配送方案并将这些方案从二次优化集合D中移出；

S07、调度中心监控配送车和无人机执行移动充电的经济配送方案的执行情况，并协助无人机定位充电桩位置；

S08、调度中心监控所有移动充电配送方案是否按期执行，如已全部按期执行，返回S01，如检测到的未按照计划实施的配送方案，则执行S09；

S09、将该无人机的配送方案存入待优化集合D，并返回S02。

2.根据权利要求1所述的一种配送无人机移动充电方法，其特征在于，S01中，配送订单任务信息至少包括配送取货地址、送货地址、时限；调度中心根据时限要求、各无人机和配送车的当前位置及其已分配任务列表，将任务表中任务分别分配给无人机和配送车，生成初始配送方案及一张无人机方案表和一张配送车方案表，并从任务表中删除已分配的订单任务；其中无人机方案表包含的信息包括无人机编号ID，取货地址，送货地址，时限，路线规划和预计飞行时间；配送车方案表包含的信息包括配送车编号ID，取货地址，送货地址，时限和路线规划。

3.根据权利要求1所述的一种配送无人机移动充电方法，其特征在于，S02中，调度中心根据完成订单所经过路线长度信息计算订单截止时间，订单截止日期是调度中心设置的订单预计完成时刻，根据预计的配送时间超过截止时间的长度计算用户满意度，超出的时间越长则用户满意度越低。

4.根据权利要求1所述的一种配送无人机移动充电方法，其特征在于，步骤S04中，调度中心检查优化后的配送方案是否可以满足无人机的电量约束，如果可以则标记该配送方案为可行方案，并执行S06，；若不能，则在配送方案中指定无人机在电量低于阈值时前往固定充电桩充电，并再次估计此订单完成时间和相应的用户满意度；若无人机在电量到达阈值前无法飞到充电桩，且未接收货品，标记该配送方案为不可行配送方案，执行S05，重新分配给其他无人机或配送车，；若无人机已接收货品，调度中心向无人机发送原地等待命令并向其提供救援。

5.根据权利要求1所述的一种配送无人机移动充电方法，其特征在于，步骤S04中，调度中心检查所有二次优化的可行配送方案对应的用户满意度是否不低于指定阈值；将低于指定阈值的配送方案标记为不可行配送方案，执行S05。

6.根据权利要求1所述的一种配送无人机移动充电方法，其特征在于，无人机配送流程为：

无人机检测是否收到调度中心发送的原地等待命令，如果是，则于合适的地点降落并等待救援；

无人机收到二次优化的经济配送方案，该方案包含配送路线规划，路线包含若干个子路线,其中部分子路线指定了移动充电目标配送车；

无人机按照配送方案中子路线次序依次执行飞行任务；

无人机若检测到当前子路线为其指定了移动充电目标配送车，则按照子路线规定航线进行飞行，向调度中心持续发送位置信息并在调度中心协助下按照计算好的汇合位置和时间尝试沿途发现指定配送车；

无人机若在一定时间限制内停靠在指定配送车的充电停机坪上，则在到达当前子路线终点位置附近后离开充电桩；否则无人机向调度中心发送未能按期执行配送方案消息，等待调度中心发送更新后的配送方案。

7.根据权利要求6所述的一种配送无人机移动充电方法，其特征在于，

无人机收到二次优化的经济配送方案的子路线为一组连续的子路线，子路线包括充电子路线和飞行子路线，充电子路线需指定充电配送车和预计到达时间区间以及充电子路线地址信息，无人机需在指定时间区间范围内到达该充电子路线起点附近，开启摄像头，扫描配送箱上的特定标识，在调度中心协助下降落在指定配送车的移动充电停机坪上充电，并在到达该充电子路线终点附近离开该配送车，开始下一段路线。

8.根据权利要求6所述的一种配送无人机移动充电方法，其特征在于，调度中心检测到无人机到达充电子路线起点范围后，在指定时间区间内未能降落到停机坪进行充电，则计算附近是否存在正在行进中且路线接近的配送车，为该台无人机重新生成充电子路线；否则计算该无人机是否有足够电量独立飞行此段路线，如果有则修改该路线为飞行子路线，命令无人机飞行完成此段路线；如果电量不足完成本趟配送，则计算离其中最近的固定充电桩，并计算无人机剩余电量；如果无人机剩余电量可以飞往固定充电桩，则命令其前往充电，并更新后续配送方案；如果无人机剩余电量不足以飞往固定充电桩，则命令其原地等待救援。