CN112068592A - 一种基于可充电无人机实现栅栏覆盖的调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可充电无人机实现栅栏覆盖的调度方法，首先，确定所需覆盖的区域范围，并根据无人机的监控范围对其进行分割，得到若干个监控子区域，并在每个监控子区域内设置一个监控点；其次，根据无人机性能确定无人机飞行速度，计算无人机到达各个子区域监控点所需时间；然后，在充电桩附近设置周期性定时器，规划无人机对每个子区域的无盲区监控；最后，如无人机数量不足，优化无人机调度策略，定时器响应时间重新调整，根据现有无人机数量重新规划监控方案，最大限度对选定的区域进行长时间监控。本发明操作简单，除摄像头外无人机无需额外设备，适用于对地面某区域进行长时间监控。

Description

一种基于可充电无人机实现栅栏覆盖的调度方法

技术领域

本发明属于无人机监控领域。

背景技术

栅栏覆盖即监测一片区域并将其封锁住，任何试图通过栅栏的物体都将被检测出来并发出警报，类似于隔离墙。栅栏覆盖应用很多也很广泛，比如对一片区域进行封锁以监测入侵者。栅栏覆盖较传统区域封锁方法优点是成本较低，部署方便简易。对一片区域进行暂时的封锁，势必要消耗大量人力物力，而通过栅栏覆盖，只需有限的硬件需求即可完成。

栅栏覆盖有多种实现方式，比如在地面静态部署一系列传感器，由一连串传感器组成一道封锁线以达到栅栏覆盖的效果，成本较低，但这一方案有以下缺点：一、传感器有些情况会有监控漏洞，为了弥补这一漏洞，有些方案对此进行了优化，布置一系列传感器组成封锁线，并用单个无人机来填补盲区解决监控漏洞问题。二、则是传感器部署受地形影响，有一定局限性，在某些地区部署困难。

另一种方案则是部署配备有摄像头的无人机来实现栅栏覆盖，这种实现方式灵活性高，机动性强，部署起来简易方便，并且无人机不受地形制约，可以适应各种地形条件。但是该方式也有如下缺点：一、无人机能量十分有限，极大限制栅栏覆盖时间。二、为了保证将栅栏完全覆盖，有时需要的无人机数量过多，造成严重资源浪费，成本反而较高。

发明内容

发明目的：为解决背景技术中存在问题，本发明提供了一种基于可充电无人机实现栅栏覆盖的调度方法。

技术方案：本发明提供了一种基于可充电无人机实现栅栏覆盖的调度方法，包括以下步骤：

步骤1：以需要被覆盖的栅栏区域的一端为原点，在原点上设置充电桩，以栅栏区域为x轴，充电桩为y轴建立直角坐标系；根据无人机的监控角度θ和无人机的飞行高度h确定无人机的水平监控长度D；根据无人机的电池总能量C和输出功率P0，确定无人机在满电状态下的最大工作时长；根据充电桩充电功率P1确定无人机充满电所需时长；

步骤2：根据无人机的水平监控长度将栅栏区域分割成M个子区域，根据第i个子区域的长度，在第i个子区域中设置第i个监控点A_i，使得无人机悬停在该监控点时，能够完全监控该第i个子区域，i＝1,2，…M；根据无人机以速度v飞行至第i个监控点所需的时间Ti，无人机的电池总能量C，无人机的输出功率P0和充电桩充电功率P1确定监控第i个子区域所需最小无人机数量S_i，从而得到最小无人机总数量S；

步骤3：判断用户目前所拥有无人机数量N是否大于等于S,若是，则为第i个子区域分配一组无人机，且该组无人机的数量大于等于S_i；设置M个定时器，并根据A_i的位置设置第i个定时器的响应周期，第i个定时器根据该响应周期对监控第i个子区域的无人机进行调度；否则转步骤4；

步骤4：根据用户目前所拥有无人机的数量N和子区域的个数，为第i个子区域分配m个无人机，1≤m＜N；设置M个定时器，并根据A_i的位置以及飞往A_i的无人机的电量，设置第i个定时器的响应周期，第i个定时器根据该响应周期对m个无人机进行调度。

进一步的，所述步骤1中无人机的水平监控长度D＝2htan(θ/2)；无人机充满电所需时长为C/P1；无人机在满电状态下的最大工作时长为C/P0。

进一步的，所述步骤2中将栅栏区域分割成若干子区域具体为：基于子区域的水平长度与无人机的水平监控长度一致，对栅栏区域进行分割，则子区域的总数

为向上取整，L为栅栏区域的长度；所述A_i的位置为(i*D-D/2，h)。

进一步的，所述步骤2中根据子区域的个数确定最小无人机总数量S具体为：

其中，

为向上取整，

为第i个子区域所需无人机的最小数量。

进一步的，所述步骤3中第i个子区域的定时器的响应周期为C/P0-2Ti；步骤3中的具体调度方法为：初始选择一架满电量的无人机，该无人机以速度v飞行至第i个监控点；该无人机在第i个监控点悬停C/P0-2Ti时间后定时器响应，该架无人机以速度v返回充电桩充电，同时再选择另外一架满电状态下的无人机以速度v飞行第i个监控点；从而通过循环调度实现对第i个子区域的长时监控。

进一步的，所述步骤4具体为：第i个子区域中定时器的响应周期为C′/P0-2Ti,C′为飞往第i个监控点的无人机发出时刻的电量；

根据响应周期对监控第i个子区域的m个无人机进行调度，具体为：

步骤4.1：初始选择一架满电量的无人机，此时C′＝C，该无人机以速度v飞行至第i个监控点；该无人机在第i个监控点悬停C′/P0-2Ti时间后定时器响应，该架无人机以速度v返回充电桩充电；

步骤4.2：在定时器响应时，判断此时正在充电的无人机中是否存在电量满足C′/P0＞2Ti的无人机，若是，则转步骤4.3；若否，则结束监控，并转步骤4.4计算监控第i个子区域的总时长；

步骤4.3：在满足条件的无人机中选择电量C′最多的无人机，该无人机以速度v飞行至第i个监控点，该无人机在第i个监控点悬停C′/P0-2Ti时间后定时器再次响应，该架无人机以速度v返回充电桩充电，并转步骤4.2；

步骤4.4：根据如下公式对第j架无人机第k次发出的时刻

进行递归计算：

当k＝1时

其中

为第j架无人机第一次发出时的总电量，j＝1,2,…,m，m为能够分配给该监控该区域的无人机的总个数；

当k≥2时

其中，

为第j架无人机第k次发出时的总电量：

其中，

为：

将

时对应的

的值作为总监控时长。

有益效果：本发明的无人机相比于静态节点机动性强，易于部署，不受地形因素制约，灵活性高，能适用于各种地形。本发明对无人机进行了复用，减少了所需无人机数量，并且延长了栅栏覆盖时间，对无人机进行了合理地调度，降低了成本。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明中单个无人机监控范围图；

图3是本发明栅栏覆盖系统示意图；

图4是本发明各子区域所需无人机数量图；

图5是本发明监控更远区域不同无人机数量情况下监控时长图。

具体实施方式

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

如图1所示，本实施例提供了一种基于可充电无人机实现栅栏覆盖的调度方法，具体包括如下步骤：

步骤1：用户在地图上选出需要被覆盖的栅栏区域，栅栏长度为L。用户输入无人机数量N，无人机最大飞行速度v，无人机飞行高度h，监控角度θ以及无人机输出功率P0和电池总能量C，明确单个无人机的监控范围。计算出无人机满电情况下可运行时间以及充满电所需时长；在用户所选栅栏区域的一端设置充电桩，并以充电桩所在位置为原点建立平面直角坐标系，覆盖区域为x轴，充电桩方向(或无人机飞行高度)为y轴；

步骤2：根据无人机的水平监控长度将栅栏区域分割成M个子区域，根据第i个子区域的长度，在第i个子区域中设置一个监控点A_i，使得无人机悬停在该监控点时，能够完全监控该第i个子区域，i＝1,2，…M；根据无人机以速度v飞行至第i个监控点所需的时间Ti，无人机的电池总能量C，输出功率P0和充电桩充电功率P1确定监控第i个子区域所需最小无人机数量S_i，从而得到最小无人机总数量S；

步骤3：判断用户目前所拥有无人机数量是否大于等于S,若是，则根据S_i为第i个子区域分配足够数量的无人机，且在第i个子区域中设置一个定时器，并根据A_i的位置设置该定时器的响应周期，根据该响应周期对监控该区域的若干个无人机进行调度；否则转步骤4；

步骤4：根据用户目前所拥有无人机的数量N和子区域的个数，为第i个子区域分配m个无人机，1＜m＜N；在第i个子区域中设置一个定时器，并根据A_i的位置以及飞往A_i的无人机的电量，设置该定时器的响应周期；根据该响应周期对m个无人机进行调度。

优选的，如图2所示，所述步骤1中，无人机的水平监控长度D＝2htan(θ/2)，tan为正切函数。本实施例中无人机飞行高度为h＝60m，无人机携带的摄像头监控角度θ＝90°，则无人机的监控范围为2htan(θ/2)＝2*60*1＝120m。无人机满电工作时长为C/P0，充满电所需时长为C/P1。本实施例中无人机电池容量2500mAh,额定电压10v，输出功率P0＝50W,充电桩充电功率为P1＝20W,电池总能量为C。则无人机满电可工作时长为C/P0＝2500*10^-3*10/50＝(0.5小时)30分钟，则无人机充满电所需时长为2500*10^-3*10/20＝75分钟。

优选的，所述步骤2具体为：对用户选取的监控区域进行分割。将栅栏区域分割成若干子区域，子区域长度与无人机监控范围一致，则划分的子区域个数为

为向上取整符号。本实施例中，无人机的监控范围确定为120m，则被划分的子区域的长度也为120m,划分的子区域的个数为

第i个子区域监控点A_i的位置为(i*D-D/2，h)，无人机悬停在监控点A_i可以将第i个子区完全覆盖，

本实施例中A1,A2,A3,A4,A5。五个监控点的位置分别为(60,60),(180,60)，(300,60),(420,60),(540,60)，每个无人机将被分配前往各个监控点监控一个子区域。整个栅栏覆盖系统如图3所示。

优选的，所述步骤2中根据子区域的个数确定最小无人机总数量S具体为：

其中，Ti为人机到达A_i所花时间Ti＝(i*D-D/2)/v。本实施例中用户输入的无人机飞行速度v＝2m/s，无人机到达五个子区域监控点所花时间分别为T1＝0.5分钟,T2＝1.5分钟,T3＝2.5分钟,T4＝3.5分钟,T5＝4.5分钟。

为第i个子区域所需无人机的数量，本实施例中A1-A5需要的无人机数量分别为4架，4架，5架，5架，5架，一共需要23架无人机，如图4所示。

优选的，所述步骤3具体为：

3.1设置多个周期性定时器，方便准时发送无人机至子区域监控点。每个定时器负责一个子区域的无人机发送，定时器响应的时间周期由其所负责的子区域来决定，第i个子区域的定时器的响应周期为C/P0-2Ti。从监控第i个子区域的无人机组里选择一架备用无人机，以速度v飞到监控点

悬停C/P0-2Ti时间后，以速度v返回充电桩。

3.2当定时器响应，选择一架充满电的无人机，让其以速度v飞到监控点

悬停C/P0-2Ti时间后，以速度v返回充电桩。

3.3当无人机返回至充电桩，开始充电。

本实施例中v＝2m/s,无人机满电可工作30分钟，充满电需75分钟。负责五个子区域的定时器响应时间周期分别为29分钟，27分钟，25分钟，23分钟，21分钟。

在初始时刻派出满电无人机飞到各监控点，当对应子区域定时器响起，派出备用无人机去接替监控任务。而能量即将消耗殆尽的工作无人机返回充电桩充电直至充满，以准备接替之后的无人机监控任务。如监控A1区域，无人机U1耗时0.5分钟到达监控点(60，60)，悬停监控29分钟，在29.5分钟时返程充电，A1对应定时器29分钟响起，备用无人机U2出发，耗时0.5分钟在29.5分钟是到达监控点，此时正好工作无人机U1返程充电，备用无人机U2接替任务。29分钟后即58分钟时定时器第二次响起，需要无人机出发接替U2工作，U1充电28分钟，未充满。故U3出发接替U2。87分钟时定时器第三次响起，需要无人机接替U3工作，U1充电57分钟，未充满。U4出发接替工作。116分钟时定时器响起，U1充满电飞去执行任务。整个A1监控任务需4架无人机轮换就可永远覆盖住。

优选的，所述步骤4具体为：

4.1设置多个定时器，方便准时发送无人机至子区域监控点。每个定时器负责一个子区域的无人机发送，定时器响应的时间周期由其所负责的子区域和发出的无人机电量来决定。从监控Ai的无人机组里选择一架备用无人机，以速度v飞到监控点(i*D-D/2，h)，悬停C′/P0-2Ti时间后，C′为该无人机发出时的电量，初始第一次发出时C′＝C，该无人机以速度v返回充电桩。

4.2当定时器响应，选择电量最多的备用无人机，其电量为C′，如果C′/P0＞2Ti，将其对应定时器下一次响应时间设置为C′/P0-2Ti后。让其以速度v飞到监控点

悬停C′/P0-2Ti时间后，以速度v返回充电桩，开始充电。如果

则没有无人机发出，则调度结束。

本实施例中，U1满电发出飞往监控区域A1,耗时0.5分钟，定时器将在29分钟时响应，定时器响应后，U2满电发出接替U1工作，下一次响应时间是29分钟后，即58分钟时。但58分钟时U1并未充满电，若已没有无人机，则根据现方案二，U1直接飞出接替任务，充电时间为28分钟，则相应工作时间11.2分钟，下一次定时器响应时间为11.2-1＝10.2分钟后，即68.2分钟时响应。当定时器再次响应需要U2接替U1任务时，U2才充电9.2分钟，相应工作时间3.68分钟，飞出接替U1工作，监控2.68分钟，然后飞回，此时两个无人机都不足以飞出监控，监控结束。

4.3根据公式计算出监控时间。方案二对Ai进行监控，通过计算得到监控时长，计算公式如下：

当k＝1时

其中

为第j架无人机第一次发出时的总电量，j＝1,2,…,m，m为能够分配给该监控该区域的无人机的总个数；则第1架无人机第一次发出时的时刻为0；

当k≥2时

其中，

为第j架无人机第k次发出时的总电量：

表示第j个无人机第k次发出的时刻。所有无人机第一次发出时均为满电，即

只要

那么递归运算一直运行，该递归公式出口即是

该条件成立，运算结束，最新的

的值即为监控时长。

例如，当监控A1的无人机数量m＝2，通过上述公式计算可以得到对A1进行长达1.3349小时的无盲区监控。监控更远区域所需时长如图5所示。

本发明的效果可以用以下仿真实验进一步说明。

在仿真中，无人机的飞行速度设定为2m/s，飞行高度定位60m，监控角度定位90°。附图2给出了监控范围与飞行高度和监控角度的变化图。当飞行高度和监控角度确定后，即可找到合适的无人机监控范围和子区域长度。应当指出，高度越高，监控角度越大，无人机监控范围越广，整个监控任务所需无人机总数也会越小。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种基于可充电无人机实现栅栏覆盖的调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：以需要被覆盖的栅栏区域的一端为原点，在原点上设置充电桩，以栅栏区域为x轴，充电桩为y轴建立直角坐标系；根据无人机的监控角度θ和无人机的飞行高度h确定无人机的水平监控长度D；根据无人机的电池总能量C和输出功率P0，确定无人机在满电状态下的最大工作时长；根据充电桩充电功率P1确定无人机充满电所需时长；

步骤2：根据无人机的水平监控长度将栅栏区域分割成M个子区域，根据第i个子区域的长度，在第i个子区域中设置第i个监控点A_i，使得无人机悬停在该监控点时，能够完全监控该第i个子区域，i＝1，2，…M；根据无人机以速度v飞行至第i个监控点所需的时间Ti，无人机的电池总能量C，无人机的输出功率P0和充电桩充电功率P1确定监控第i个子区域所需最小无人机数量S_i，从而得到最小无人机总数量S；

步骤3：判断用户目前所拥有无人机数量N是否大于等于S，若是，则为第i个子区域分配一组无人机，且该组无人机的数量大于等于S_i；设置M个定时器，一个定时器对应一个子区域，根据A_i的位置设置第i个定时器的响应周期，第i个定时器根据该响应周期对监控第i个子区域的无人机进行调度；否则转步骤4；

步骤4：根据用户目前所拥有无人机的数量N和子区域的个数，为第i个子区域分配m个无人机，1≤m＜N；设置M个定时器，一个定时器对应一个子区域，根据A_i的位置以及飞往A_i的无人机的电量，设置第i个定时器的响应周期，第i个定时器根据该响应周期对m个无人机进行调度。

2.根据权利要求1所述的一种基于可充电无人机实现栅栏覆盖的调度方法，其特征在于，所述步骤1中无人机的水平监控长度D＝2htan(θ/2)；无人机充满电所需时长为C/P1；无人机在满电状态下的最大工作时长为C/P0。

3.根据权利要求1所述的一种基于可充电无人机实现栅栏覆盖的调度方法，其特征在于，所述步骤2中将栅栏区域分割成若干子区域具体为：基于子区域的水平长度与无人机的水平监控长度一致，对栅栏区域进行分割，则子区域的总数

为向上取整，L为栅栏区域的长度；所述A_i的位置为(i*D-D/2，h)。

4.根据权利要求1所述的一种基于可充电无人机实现栅栏覆盖的调度方法，其特征在于，所述步骤2中根据子区域的个数确定最小无人机总数量S具体为：

其中，

为向上取整，

为第i个子区域所需无人机的最小数量。

5.根据权利要求1所述的一种基于可充电无人机实现栅栏覆盖的调度方法，其特征在于，所述步骤3中第i个子区域的定时器的响应周期为C/P0-2Ti；步骤3中的具体调度方法为：初始选择一架满电量的无人机，该无人机以速度v飞行至第i个监控点；该无人机在第i个监控点悬停C/P0-2Ti时间后定时器响应，该架无人机以速度v返回充电桩充电，同时再选择另外一架满电状态下的无人机以速度v飞行第i个监控点；从而通过循环调度实现对第i个子区域的长时监控。

6.根据权利要求1所述的一种基于可充电无人机实现栅栏覆盖的调度方法，其特征在于，所述步骤4具体为：第i个子区域中定时器的响应周期为C′/P0-2Ti，C′为飞往第i个监控点的无人机发出时刻的电量；

根据响应周期对监控第i个子区域的m个无人机进行调度，具体为：

步骤4.1：初始选择一架满电量的无人机，此时C′＝C，该无人机以速度v飞行至第i个监控点；该无人机在第i个监控点悬停C′/P0-2Ti时间后定时器响应，该架无人机以速度v返回充电桩充电；

步骤4.2：在定时器响应时，判断此时正在充电的无人机中是否存在电量满足C′/P0＞2Ti的无人机，若是，则转步骤4.3；若否，则结束监控，并转步骤4.4计算监控第i个子区域的总时长；

步骤4.3：在满足条件的无人机中选择电量C′最多的无人机，该无人机以速度v飞行至第i个监控点，该无人机在第i个监控点悬停C′/P0-2Ti时间后定时器再次响应，该架无人机以速度v返回充电桩充电，并转步骤4.2；

步骤4.4：根据如下公式对第j架无人机第k次发出的时刻

进行递归计算：

当k＝1时

其中

为第j架无人机第一次发出时的总电量，j＝1，2，…，m，m为能够分配给该监控该区域的无人机的总个数；

当k≥2时

其中，

为第j架无人机第k次发出时的总电量：

其中，

为：

将

时对应的

的值作为总监控时长。

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