CN106845713A - 一种无人机快递自动充电桩的设置规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人机快递自动充电桩的设置规划方法。在区域内所有的快递站点中，基于旅行推销商问题的解决方法，采用遗传算法规划出一条从快递集散中心出发、经过所有快递站点仅一次且最后返回到快递集散中心的最短路径，然后在这条路径中以不超过无人机的最大单次飞行距离L max 为界限，在相应的站点设置充电桩供无人机自主补充电量。本发明在一张城市快递站点分布图中，首先通过一种高效的路径算法将所有站点连接，使得总路径最短，再根据无人机的续航能力自动选择合适的快递站点设置充电桩，使得充电桩的数量最少且能保证无人机在完成所有快递投送任务后安全返回到起点。这样，无人机可以在一次任务中遍历该城市的每一个快递站点并返回到起点。

Description

一种无人机快递自动充电桩的设置规划方法
技术领域
本发明涉及无人直升机航迹规划领域，特别是一种无人机快递自动充电桩的设置规划方法。
背景技术
在社会经济的迅速发展中，物流行业扮演着极为重要而不可或缺的角色。而今互联网技术的发展，又引起电子商务的迅速崛起。电子商务的普及，使得购物方式更加多样、更加便捷。近几年来，快递产业的发展很大程度上受益于电子商务的发展，并且面临越来越多新的挑战。据统计，2015年全年，全国快递服务企业的业务量累计完成206.7亿件，同比增长48％，面临着巨大的快递投送任务。如何提高投送效率、节约人力成本，是当前快递行业发展面临的最严峻问题之一。
今天，伴随着无人机技术的兴起，越来越多的快递公司开始将目光投向采用无人机来投送包裹。相比传统的快递送货模式，无人机可以不受地面交通的限制，且路径几乎为直线，显著提高了投送效率；尤其对于偏远郊区的快递投送，采用无人机可以大大降低人力成本。另外，当今充电技术的发展，有助于解决无人机的续航问题，从而显著加大无人机的活动范围。为了使无人机能够准确高效地投送快递，合理的路径规划及充电桩设置必不可少。
本发明中用到的名词解释如下：
快递无人机：能够投递快件并可通过充电桩自主充电的无人机。本发明中提到的无人机都指这种类型的无人机。
路径规划：飞行器能够满足飞行任务约束条件的飞行轨迹。
快递集散中心：快递公司的快件集中地，快件在这个地点进行集中处理、分捡、分类、派件。
快递站点：指区域内设置的所有快递投送点，设置有快递柜、能自动接收无人机快递的站点。
无人机自动充电桩：可自动对无人机进行充电的设备。
最大单次飞行距离Lmax：无人机在满负载情况下，充满电后考虑安全裕量的最大飞行路程长度，根据无人机的性能参数进行设置。在本发明的实施例中取Lmax＝10km。
旅行推销商问题：又称为TSP问题(Traveling Salesman Problem，TSP)，它是计算机领域一个非常经典的问题，该问题可以简单地表述为：假设有n座城市，要求找出一条最短且封闭的旅行路线，使推销商访问其中每座城市仅一次。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种无人机快递自动充电桩的设置规划方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种无人机快递自动充电桩的设置规划方法，包括以下步骤：
1)假设区域内共有n个快递站点，对区域内的所有n个快递站点(包括快递集散中心)进行路径规划，使得无人机从快递集散中心出发、经过每个快递站点仅一次且最后返回到快递集散中心的总飞行路程最短；这一步具体的求解方法与采用遗传算法求解TSP问题完全相同，很多相关文献都有详细介绍，这里不再赘述；
2)在步骤1)规划出的最优路径上，将快递集散中心命名为第1号站点，并按顺时针或者逆时针方向依次给其余的各个快递站点命名，最后一个快递站点命名为第n号站点；然后，计算出相邻站点与站点之间的距离，设从第1号快递站点(快递集散中心)到第2号快递站点的距离为S1、第2号快递站点到第3号快递站点的距离为S2、…、第n号快递站点返回到快递集散中心的距离为Sn，假设Si∣i∈(1，2，…，n)≤无人机最大单次飞行距离Lmax；
3)以m号站点为起点，首先令m＝1；
4)找出满足Sm+Sm+1+…+Si≤Lmax且Sm+Sm+1+…+Si+Si+1>Lmax的i值，在第i+1号快递站点设置一个无人机自动充电桩；
5)以第i+1号快递站点为起点，令m＝i+1，继续按照步骤4)的规则，选择下一个合适的快递站点设置充电桩；
6)以此类推，直至找出所有需要加设充电桩的快递站点。
与现有技术相比，本发明的优点为：本发明在一张城市快递站点分布图中，首先通过一种高效的路径算法将所有站点连接起来，且使得总路径最短；再根据无人机的续航能力自动选择合适的快递站点设置充电桩，使得充电桩的数量最少且能保证无人机在完成所有快递投送任务后仍可安全地返回到快递集散中心。这样，无人机可以在一次任务中遍历该城市的全部快递站点并安全返回到起点。
附图说明
图1为本发明实施例总的路径规划及充电桩的设置站点选择示意图。在图中所示的一个30km×30km矩形区域内总共设置有15个快递站点，它们的(横坐标x，纵坐标y)分别为：站点1(9，3)，站点2(16，4.5)，站点3(20.5，6.5)，站点4(23，2.5)，站点5(30，5)，站点6(25，10)，站点7(18，13)，站点8(24，19)，站点9(21，23)，站点10(12，20)，站点11(8，23)，站点12(8，28)，站点13(1.5，25)，站点14(4，18)，站点15(3，9)，其中，站点1为快递集散中心，各坐标的单位为km。
图2为本发明具体实现过程流程图。
具体实施方式
本发明的主要任务是确定一种无人机快递自动投送的最短路径规划以及无人机充电桩设置方法，该方案的具体实现方式可用示例演示如下：
(1)如图1所示，在规定的30km×30km城市区域内总共设置了15个快递站点，站点1设置为快递集散中心；取无人机最大单次飞行距离Lmax＝10km；
(2)基于旅行推销商问题的解决方法，采用遗传算法，从站点1出发遍历15个快递站点规划出一条经过所有站点仅一次且路程最短的封闭路径(这一步具体的求解方法与采用遗传算法求解TSP问题完全相同，很多相关文献都有详细介绍，这里不再赘述)；路径规划的结果如图1中标有箭头的封闭路线所示，在这条路径上我们设置无人机按逆时针方向飞行，各站点的命名如图上所示，第1号站点为快递集散中心；
(3)如图1所示，各相邻快递站点之间的距离都已经计算并标出(单位为km)，如图中各轨迹段中部旁边的数字所示。由图可知S1＝7.16km<10km，S1+S2＝12.08km>10km，因此，满足Sm+Sm+1+…+Si≤Lmax且Sm+Sm+1+…+Si+Si+1>Lmax的i的值为1，而i+1＝2，故需要在第2号快递站点处设置一个自动充电装置；
(4)接着，再以第2号快递站点为起点，即令m＝2，由图可知S2＝4.92km<10km，S2+S3＝9.64km<10km，S2+S3+S4＝17.07km>10km，因此，满足Sm+Sm+1+…+Si≤Lmax且Sm+Sm+1+…+Si+Si+1>Lmax的i值为3，而i+1＝4，故应在第4号快递站点处设置一个自动充电桩；
(5)以此类推，直至将所有需要设置充电桩的站点找出，如图1所示，标记有大圆环的快递站点即是应该安装充电桩的快递站点；
(6)在设置好的各个充电站点，无人机可以自主充电补充电量，以此便能飞经此区域内的所有快递站点安全地完成快递投送任务。

Claims (2)

1.一种无人机快递自动充电桩的设置规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)假设区域内共有n个快递站点，对区域内的所有n个快递站点进行路径规划，使得无人机从快递集散中心出发、经过每个快递站点仅一次且最后返回到快递集散中心的总飞行路程最短；
2)在步骤1)规划出的路径上，将快递集散中心命名为第1号站点，并按顺时针或逆时针方向依次给其余的各个快递站点命名，最末尾的快递站点命名为第n号站点；然后计算出相邻站点与站点之间的距离，设从第1号快递站点快递集散中心到第2号快递站点的距离为S1、第2号快递站点到第3号快递站点的距离为S2、…、第n号快递站点返回到快递集散中心的距离为Sn，假设Si∣i∈(1，2，…，n)≤无人机最大单次飞行距离Lmax；
3)以m号站点为起点，首先令m＝1；
4)找出满足Sm+Sm+1+…+Si≤Lmax且Sm+Sm+1+…+Si+Si+1>Lmax的i值，在第i+1号快递站点设置一个无人机自动充电桩；
5)以第i+1号快递站点为起点，令m＝i+1，继续按照步骤4)的规则，选择下一个合适的快递站点设置充电桩；
6)以此类推，直至找出所有需要加设充电桩的快递站点。
2.根据权利要求1所述的无人机快递自动充电桩的设置规划方法，其特征在于，步骤1)中，基于旅行推销商问题的解决方法，采用遗传算法在区域内遍历所有n个快递站点进行无人机的最短飞行路径规划。
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