本發(fā)明涉及電動多旋翼無人機自主飛行領(lǐng)域,特別是一種電動多旋翼無人機超遠(yuǎn)距離飛行的電池更換基站布局方法。

背景技術(shù)：

隨著社會發(fā)展和科技的進步，電動多旋翼無人機近幾年得到了極大的發(fā)展。相對于發(fā)展初期的遙控操作，如今大多數(shù)多旋翼無人機都能自主飛行完成任務(wù)。同時，在日常生活中，多旋翼無人機正發(fā)揮了越來越大的作用，如航拍，安保追蹤，運送物品，農(nóng)業(yè)植保等。

但是單個多旋翼無人機由于受重量制約，無法攜帶大量電池或燃料，導(dǎo)致有效飛行范圍較小。對一些大范圍的應(yīng)用場景就顯得捉襟見肘。通常，它們只能在有效飛行半徑內(nèi)執(zhí)行任務(wù)，一旦電池即將耗盡，則必須就近降落或返回到操作者附近更換或補充電量，不能持續(xù)執(zhí)行任務(wù)，從而導(dǎo)致任務(wù)執(zhí)行的效率較低。并且，如果目標(biāo)點在無人機有效飛行半徑之外，任務(wù)便無法進行。

本發(fā)明中用到的名詞解釋如下：

電動多旋翼無人機：采用電能作為驅(qū)動的多個旋翼作為飛行動力源的無人駕駛飛行器，可垂直起降。

路徑規(guī)劃：規(guī)劃能夠滿足任務(wù)需求并滿足約束條件的飛行軌跡。

電池更換基站：能自動更換多旋翼無人機的電池，并自動給電池充電的裝置。

有效飛行半徑：以起飛地為圓心，能夠到達(dá)的最遠(yuǎn)飛行距離的一半。

超遠(yuǎn)距離：任務(wù)起點與終點距離大于有效飛行半徑。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種電動多旋翼無人機超遠(yuǎn)距離飛行的電池更換基站布局方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種電動多旋翼無人機超遠(yuǎn)距離飛行的電池更換基站布局方法，包括以下步驟：

1)給任務(wù)的區(qū)域按等距正方形排列形式設(shè)置若干個無人機電池更換基站(基站數(shù)量與面積成正比)；

2)確定任務(wù)目標(biāo)起點和終點位置；

3)規(guī)劃出無人機途經(jīng)電池更換基站的順序；

4)無人機按照順序途經(jīng)各個電池更換基站，在每個基站降落更換電池后起飛并繼續(xù)任務(wù)；

5)無人機到達(dá)目標(biāo)點并執(zhí)行任務(wù)。

步驟1)中，相鄰電池更換基站之間的距離相等，每四個基站分布呈正方形，相鄰電池更換基站之間距離＜無人機有效飛行半徑*100％。

步驟3)中，途經(jīng)電池更換基站的順序根據(jù)任務(wù)起點到終點的最優(yōu)路徑?jīng)Q定，即飛行距離最短且途經(jīng)電池更換基站個數(shù)最少；在每到達(dá)一個電池更換基站時，對有效飛行半徑內(nèi)的所有電池更換基站經(jīng)行評估，選出距離任務(wù)終點最近的電池更換基站作為下一個飛行目標(biāo)；以此類推，最終形成一條最優(yōu)飛行路徑。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：本發(fā)明可以延長電動多旋翼無人機的飛行距離，使其在更大區(qū)域內(nèi)執(zhí)行多種任務(wù)成為可能，有效降低執(zhí)行任務(wù)時對人的依賴，提高工作效率。

附圖說明

圖1電池更換基站示意圖；

圖2覆蓋區(qū)域示意圖；

圖3建立坐標(biāo)系示意圖；

圖4最優(yōu)飛行路徑示例圖。

具體實施方式

本實例中電動多旋翼無人機關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如下：

最大水平飛行速度：22米/秒(海平面附近無風(fēng)環(huán)境)；

飛行時間：約18分鐘；

電池容量：5700mAh；

最大充電功率：100W；

最大充電時間：約80分鐘；

有效飛行半徑：約11880m(22*18*60÷2)。

以下計算均基于此數(shù)據(jù)，不相關(guān)數(shù)據(jù)未列出。

具體實施步驟如下：

1)給任務(wù)的區(qū)域按等距正方形排列形式設(shè)置若干個無人機電池更換基站(基站數(shù)量與面積成正比)，電池更換基站可自動將能量耗盡的電池更換為充滿電能的電池，并對更換下來的電池充電；每個基站可循環(huán)使用多塊電池，以保證每一臺無人機降落時都能更換電量充足的電池。

電池儲備數(shù)量≧(單塊電池充電時間÷系統(tǒng)中無人機平均降落間隔時間)。

設(shè)單塊電池充電時間為80分鐘，如果基站網(wǎng)絡(luò)中某一基站平均每20分鐘就有一架無人機降落更換電池，則此基站至少需備4塊電池。

相鄰基站之間距離相等，每四個基站分布成正方形，如圖1所示。根據(jù)需要覆蓋區(qū)域的形狀，電池更換基站布局采用均勻分布的矩形布局，如圖2所示，相鄰電池更換基站之間的距離等于無人機有效飛行半徑*90％。對于本實施例，基站之間的距離為11880m*90％＝10692m。此處是為了保證安全飛行的冗余設(shè)計，可根據(jù)實際情況將90％替換為其他值(小于100％)。為方便計算，本實例中將基站之間的間距設(shè)定為10000m。需覆蓋飛行區(qū)域如圖2所示。

2)確定任務(wù)目標(biāo)起點和終點位置。以電池更換基站為節(jié)點建立網(wǎng)格坐標(biāo)系如圖3所示。根據(jù)任務(wù)需求確定任務(wù)起點和終點的GPS坐標(biāo)，根據(jù)GPS坐標(biāo)確定無人機起點和終點在網(wǎng)格中的位置，分別找出距離任務(wù)起點和終點最近的電池更換基站，將這兩個電池更換基站設(shè)為起始基站和終點基站。

3)根據(jù)上一步驟的結(jié)果規(guī)劃無人機途經(jīng)電池更換基站的順序，電池更換基站的順序根據(jù)任務(wù)起點到終點的最優(yōu)路徑?jīng)Q定，該最優(yōu)路徑應(yīng)滿足飛行距離最短且途經(jīng)電池更換基站個數(shù)最少。在每到達(dá)一個電池更換基站時，無人機對有效飛行半徑內(nèi)的所有電池更換基站經(jīng)行評估，優(yōu)選出距離任務(wù)終點最近的基站，作為下一個飛行目標(biāo)。以此類推，最終形成一條最優(yōu)路徑。如圖4黑色實線所示。飛行路徑的計算方法如下：

第一步：設(shè)在覆蓋區(qū)域內(nèi)有n個電池更換基站，它們的坐標(biāo)依次為(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃),…,(x_n,y_n)；根據(jù)以上步驟3中求得的起始基站坐標(biāo)設(shè)為A(x_a,y_a)，終點基站坐標(biāo)設(shè)為B(x_b,y_b)，下一經(jīng)?；咀鴺?biāo)設(shè)為C(x_c,y_c)，為保證安全飛行將最遠(yuǎn)飛行距離設(shè)為r＝20000m。

第二步：以無人機此刻停留的基站坐標(biāo)為圓心，r為半徑，畫一個圓。如無人機在起始基站A，則圓心坐標(biāo)為A(x_a,y_a)。假設(shè)有m個可正常工作基站落在圓內(nèi)，則所有m個基站記為集合P，P內(nèi)元素為這些基站的坐標(biāo)。

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

第三步：將P中坐標(biāo)代入下式：

$l_i=\sqrt{{(x_b-x_i^{\′})}^2+{(y_b-y_i^{\′})}^2},i=1,2,3,\mathrm{...},m---\left(2\right)$

l_i為集合P中某點到終點的距離，設(shè)集合Q包含P中所有點到終點B的距離。

Q＝{l₁,l₂,...,l_m} (3)

選出集合Q中最小值對應(yīng)的基站，如有兩個或兩個以上基站到終點B的距離相等，則優(yōu)先選擇到某點飛行路徑不與坐標(biāo)軸平行或垂直的作為下一經(jīng)?；綜點，這樣可使飛行距離最短。

第四步：無人機向C點飛行，到達(dá)C點后。繼續(xù)重復(fù)以上步驟二和步驟三，直到C點與終點B重合，即x_c≡x_b，y_c≡y_b。路徑規(guī)劃完成。

圖4為按照以上規(guī)則規(guī)劃的飛行路徑示意圖，黑色實線為最優(yōu)路徑，虛線為可選路徑。

4)無人機按照上一步驟規(guī)劃出的路徑飛行，順次途經(jīng)各個電池更換基站，并在每個基站降落，更換電池后起飛并繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。降落時，按照地面導(dǎo)航信標(biāo)自動降落到指定區(qū)域，使用一種自動機械裝置將電能耗盡的電池卸下并換上充滿電能的電池，然后對換下的電池進行充電，為下次更換電池做準(zhǔn)備。電池更換完畢的無人機自動起飛，飛往下一個規(guī)劃設(shè)定好的電池更換基站或目標(biāo)終點。

5)無人機到達(dá)目標(biāo)點上空并執(zhí)行任務(wù)(如投遞物品，拍照攝像，目標(biāo)追蹤等)，如對電池電量檢測后發(fā)現(xiàn)電量不足以保證完成任務(wù)時，則飛向最近的一個電池更換基站，更換電池后繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。完成任務(wù)后，返回最近的電池更換基站待命。