本發(fā)明涉及無人機(jī)偵查技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種車輛搭載無人機(jī)偵查的雙層路徑構(gòu)建方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著無人機(jī)遠(yuǎn)程操控技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)及無人機(jī)小型化的發(fā)展，大量的小型無人機(jī)被應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。

基于此，使有人駕駛的車輛與無人機(jī)的配合變成可能，而這一新模式能夠提升送貨、測繪、邊境巡邏、目標(biāo)偵查等一系列任務(wù)的效率。

車輛行駛在公路網(wǎng)上，而無人機(jī)從車輛起飛后飛行至車輛無法到達(dá)的目標(biāo)點(diǎn)，完成相應(yīng)偵察任務(wù)后再返回車輛。與傳統(tǒng)雙層路徑規(guī)劃問題不同的是，受限于無人機(jī)續(xù)航能力，無人機(jī)在車輛行進(jìn)過程中需要不斷的返回車輛來更換電池或者充電，從而繼續(xù)完成偵察任務(wù)。

在該實(shí)現(xiàn)方案中，車輛作為一個(gè)移動(dòng)的基站，擴(kuò)展了無人機(jī)的服務(wù)范圍，使得原來無人機(jī)飛行半徑范圍外的目標(biāo)點(diǎn)當(dāng)前也可以被服務(wù)。地面有人駕駛車輛搭載無人機(jī)協(xié)同完成多目標(biāo)偵察的雙層路徑規(guī)劃問題比傳統(tǒng)的選址路由問題更加復(fù)雜：

空間上的協(xié)同：在傳統(tǒng)選址路由問題中，兩個(gè)階段的路由是相互獨(dú)立的。例如說，改變第二階段的路由過程，通常來說對第一階段的路由是不產(chǎn)生影響的。然而，由于本方案的第二階段的路由是一個(gè)特殊的漢密爾頓問題，它強(qiáng)調(diào)了從指定的點(diǎn)開始再結(jié)束在指定的點(diǎn)上的路由過程(這兩個(gè)點(diǎn)都必須是第一階段的路由過程中的點(diǎn))。因此兩個(gè)階段的路由必須在空間上配合，無論是車輛還是無人機(jī)，當(dāng)一方改變路由的時(shí)候另一方都必須做出相應(yīng)的調(diào)整。

時(shí)間上的協(xié)同：在傳統(tǒng)選址路由問題中，兩個(gè)階段的路由是相互獨(dú)立的。通常來說，第一階段的運(yùn)載任務(wù)是由一些大型運(yùn)輸車輛以較低的運(yùn)輸頻率(例如每周一次或者每月一次)完成的，而第二階段的運(yùn)輸任務(wù)則是由一些小型車輛以較高的運(yùn)輸頻率(例如每天一次或者每周一次)將貨物運(yùn)輸給顧客。但是在本文研究的問題中，地面車輛和無人機(jī)必須同時(shí)進(jìn)行路由。每一條車輛行進(jìn)的路徑都伴隨著受限于續(xù)航能力的無人機(jī)的一次起降。除此以外，無人機(jī)必須等待車輛到達(dá)(或者車輛等待無人機(jī))完成電池的更換或充電后才能進(jìn)行下一輪的任務(wù)。

從上述分析中，我們不難發(fā)現(xiàn)考慮地面車輛與無人機(jī)協(xié)作的問題是一個(gè)更加復(fù)雜和難以解決的問題，而目前并沒有很好的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例提供一種車輛搭載無人機(jī)偵查的雙層路徑構(gòu)建方法及系統(tǒng)，通過先構(gòu)建車輛路線，再將無人機(jī)目標(biāo)偵查點(diǎn)分組分配到車輛路由點(diǎn)上，分組規(guī)劃最優(yōu)路線再合并，以解決上述問題。

一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種車輛搭載無人機(jī)偵查的雙層路徑構(gòu)建方法，包括：

構(gòu)建車輛路線T’；

根據(jù)該車輛路線T’對無人機(jī)目標(biāo)偵查點(diǎn)進(jìn)行分組；該分組中的每個(gè)組對應(yīng)一段車輛行駛路徑；

分別對所述分組中的每個(gè)組構(gòu)建無人機(jī)路線T_c；所述每個(gè)組的無人機(jī)路線始于所述對應(yīng)車輛行駛路徑的起始路由點(diǎn)，終于所述對應(yīng)車輛行駛路徑的終止路由點(diǎn)；

根據(jù)無人機(jī)續(xù)航能力約束值優(yōu)化所述每個(gè)組的無人機(jī)路線T_c，得到無人機(jī)路線T。

優(yōu)選的，所述根據(jù)無人機(jī)續(xù)航能力約束值優(yōu)化所述每個(gè)組的無人機(jī)路線T_c，包括：

從車輛路線T’的起始點(diǎn)開始，遍歷當(dāng)前組與下一組的無人機(jī)路線合并是否超出所述無人機(jī)續(xù)航能力約束值，若否，則將所述當(dāng)前組與下一組的無人機(jī)路線合并。

優(yōu)選的，所述無人機(jī)續(xù)航能力約束值C滿足如下條件：

t_ab×x_ab≤C≤θ；

其中，

其中，x_ab為0-1變量，當(dāng)車輛從a到b時(shí)為1，表示車輛的路由；

y_ij為0-1變量，當(dāng)無人機(jī)從i到j(luò)時(shí)為1，表示無人機(jī)的路由；

z_iab為0-1變量，當(dāng)i被分配到E(a，b)時(shí)為1，表示目標(biāo)偵查點(diǎn)的分配情況；

t_ab為車輛從a點(diǎn)到b點(diǎn)的時(shí)間；

θ為常數(shù)，表示電量可支撐的飛行時(shí)間；

V是所有頂點(diǎn)的集合：V＝{0}∪V_s∪V_t；

其中V_s＝{1，2，…，m}表示在車輛路線上可以等待并起降無人機(jī)的車輛可停靠點(diǎn)；

V_t＝{m+1，m+2，…，m+n}表示目標(biāo)偵查點(diǎn)；

對每一個(gè)目標(biāo)i∈V_t，有相應(yīng)服務(wù)時(shí)間s_i來供無人機(jī)完成指定的偵察任務(wù)。

優(yōu)選的，所述車輛路線T’滿足以下約束：

其中，x_jk為0-1變量，當(dāng)車輛從j到k時(shí)為1，表示車輛的路由；

y_ij為0-1變量，當(dāng)無人機(jī)從i到j(luò)時(shí)為1，表示無人機(jī)的路由；

z_ijk為0-1變量，當(dāng)i被分配到E(j，k)時(shí)為1，表示目標(biāo)偵查點(diǎn)的分配情況；

V是所有頂點(diǎn)的集合：V＝{0}∪V_s∪V_t；

其中V_s＝{1，2，…，m}表示在車輛路線上可以等待并起降無人機(jī)的車輛可?？奎c(diǎn)；

V_t＝{m+1，m+2，…，m+n}表示目標(biāo)偵查點(diǎn)；

S為任意數(shù)量的車輛可停靠點(diǎn)構(gòu)成的子集；優(yōu)選的，所述無人機(jī)路線T滿足以下約束：

其中，x_ij為0-1變量，當(dāng)車輛從i到j(luò)時(shí)為1，表示車輛的路由；

y_ij為0-1變量，當(dāng)無人機(jī)從i到j(luò)時(shí)為1，表示無人機(jī)的路由；

V是所有頂點(diǎn)的集合：V＝{0}∪V_s∪V_t；

其中V_s＝{1，2，…，m}表示在車輛路線上可以等待并起降無人機(jī)的車輛可?？奎c(diǎn)；

V_t＝{m+1，m+2，…，m+n}表示目標(biāo)偵查點(diǎn)；

S₁為任意數(shù)量的目標(biāo)偵查點(diǎn)構(gòu)成的子集。

另一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供一種車輛搭載無人機(jī)偵查的雙層路徑構(gòu)建系統(tǒng)，包括：

車輛路線構(gòu)建單元，用于構(gòu)建車輛路線T’；

目標(biāo)偵查點(diǎn)分組單元，用于根據(jù)該車輛路線T’對無人機(jī)目標(biāo)偵查點(diǎn)進(jìn)行分組；該分組中的每個(gè)組對應(yīng)一段車輛行駛路徑；

無人機(jī)路線構(gòu)建單元，用于分別對所述分組中的每個(gè)組構(gòu)建無人機(jī)路線T_c；所述每個(gè)組的無人機(jī)路線始于所述對應(yīng)車輛行駛路徑的起始路由點(diǎn)，終于所述對應(yīng)車輛行駛路徑的終止路由點(diǎn)；

無人機(jī)路線合并單元，用于根據(jù)無人機(jī)續(xù)航能力約束值優(yōu)化所述每個(gè)組的無人機(jī)路線T_c，得到無人機(jī)路線T。

優(yōu)選的，無人機(jī)路線合并單元包括：

遍歷子單元，用于從車輛路線T’的起始點(diǎn)開始，遍歷當(dāng)前組與下一組的無人機(jī)路線合并是否超出所述無人機(jī)續(xù)航能力約束值；

合并子單元，用于當(dāng)判定將當(dāng)前組的無人機(jī)路線與下一組的無人機(jī)路線合并不超出無人機(jī)續(xù)航能力約束值時(shí)，將所述當(dāng)前組與下一組的無人機(jī)路線合并。

優(yōu)選的，所述無人機(jī)續(xù)航能力約束值C滿足如下條件：

t_ab×x_ab≤C≤θ；

其中，

其中，x_ab為0-1變量，當(dāng)車輛從a到b時(shí)為1，表示車輛的路由；

y_ij為0-1變量，當(dāng)無人機(jī)從i到j(luò)時(shí)為1，表示無人機(jī)的路由；

z_iab為0-1變量，當(dāng)i被分配到E(a，b)時(shí)為1，表示目標(biāo)偵查點(diǎn)的分配情況；

t_ab為車輛從a點(diǎn)到b點(diǎn)的時(shí)間；

θ為常數(shù)，表示電量可支撐的飛行時(shí)間；

V是所有頂點(diǎn)的集合：V＝{0}∪V_s∪V_t；

其中V_s＝{1，2，…，m}表示在車輛路線上可以等待并起降無人機(jī)的車輛可?？奎c(diǎn)；

V_t＝{m+1，m+2，…，m+n}表示目標(biāo)偵查點(diǎn)；

對每一個(gè)目標(biāo)i∈V_t，有相應(yīng)服務(wù)時(shí)間s_i來供無人機(jī)完成指定的偵察任務(wù)。

上述技術(shù)方案具有如下有益效果：本發(fā)明采用了以下方案：構(gòu)建車輛路線T’；根據(jù)該車輛路線T’對無人機(jī)目標(biāo)偵查點(diǎn)進(jìn)行分組；該分組中的每個(gè)組對應(yīng)一段車輛行駛路徑；分別對所述分組中的每個(gè)組構(gòu)建無人機(jī)路線T_c；所述每個(gè)組的無人機(jī)路線始于所述對應(yīng)車輛行駛路徑的起始路由點(diǎn)，終于所述對應(yīng)車輛行駛路徑的終止路由點(diǎn)；根據(jù)無人機(jī)續(xù)航能力約束值優(yōu)化所述每個(gè)組的無人機(jī)路線T_c，得到無人機(jī)路線T；通過該方案，通過先構(gòu)建車輛路線，再將無人機(jī)目標(biāo)偵查點(diǎn)分組分配到車輛路由點(diǎn)上，分組規(guī)劃最優(yōu)路線再合并，為車輛搭載無人機(jī)的雙層路徑規(guī)劃方法提供了一種可行高效的解決方案。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例一，一種車輛搭載無人機(jī)偵查的雙層路徑構(gòu)建方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例二，一種車輛搭載無人機(jī)偵查的雙層路徑構(gòu)建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例二中的無人機(jī)路線合并單元204的結(jié)構(gòu)圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例三，一種車輛搭載無人機(jī)偵查的雙層路徑構(gòu)建方法的流程圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例三構(gòu)建的基地、目標(biāo)偵查點(diǎn)與車輛可?？奎c(diǎn)的無向圖的示意圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例三中構(gòu)建的車輛路線示意圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例三中的目標(biāo)偵查點(diǎn)分組情況示意圖；

圖8是本發(fā)明實(shí)施例三構(gòu)建的最終路徑示意圖；

圖6-8中，實(shí)線表示無人機(jī)的飛行路徑，虛線表示車輛的行駛路徑。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

以下將通過具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行具體說明。需要說明的是，本發(fā)明所有實(shí)施例中出現(xiàn)的i，j，k，a，b，僅在同一計(jì)算式中表示同一指代，不同計(jì)算式中出現(xiàn)的i，j，k，a，b沒有關(guān)聯(lián)。

實(shí)施例一

如圖1所示，為本發(fā)明實(shí)施例一種車輛搭載無人機(jī)偵查的雙層路徑構(gòu)建方法的流程圖，包括：

步驟101，構(gòu)建車輛路線T’；

步驟102，根據(jù)該車輛路線T’對無人機(jī)目標(biāo)偵查點(diǎn)進(jìn)行分組；

該分組中的每個(gè)組對應(yīng)一段車輛行駛路徑；

步驟103，分別對所述分組中的每個(gè)組構(gòu)建無人機(jī)路線T_c；

所述每個(gè)組的無人機(jī)路線始于所述對應(yīng)車輛行駛路徑的起始路由點(diǎn)，終于所述對應(yīng)車輛行駛路徑的終止路由點(diǎn)；

步驟104，根據(jù)無人機(jī)續(xù)航能力約束值優(yōu)化所述每個(gè)組的無人機(jī)路線T_c，得到無人機(jī)路線T。

優(yōu)選的，所述根據(jù)無人機(jī)續(xù)航能力約束值優(yōu)化所述每個(gè)組的無人機(jī)路線T_c，包括：

從車輛路線T’的起始點(diǎn)開始，遍歷當(dāng)前組與下一組的無人機(jī)路線合并是否超出所述無人機(jī)續(xù)航能力約束值，若否，則將所述當(dāng)前組與下一組的無人機(jī)路線合并。

優(yōu)選的，所述無人機(jī)續(xù)航能力約束值C滿足如下條件：

t_ab×x_ab≤C≤θ；

其中，

其中，x_ab為0-1變量，當(dāng)車輛從a到b時(shí)為1，表示車輛的路由；

y_ij為0-1變量，當(dāng)無人機(jī)從i到j(luò)時(shí)為1，表示無人機(jī)的路由；

z_iab為0-1變量，當(dāng)i被分配到E(a，b)時(shí)為1，表示目標(biāo)偵查點(diǎn)的分配情況；

t_ab為車輛從a點(diǎn)到b點(diǎn)的時(shí)間；

θ為常數(shù)，表示電量可支撐的飛行時(shí)間；

V是所有頂點(diǎn)的集合：V＝{0}∪V_s∪V_t；

其中V_s＝{1，2，…，m}表示在車輛路線上可以等待并起降無人機(jī)的車輛可?？奎c(diǎn)；

V_t＝{m+1，m+2，…，m+n}表示目標(biāo)偵查點(diǎn)；

對每一個(gè)目標(biāo)i∈V_t，有相應(yīng)服務(wù)時(shí)間s_i來供無人機(jī)完成指定的偵察任務(wù)。

優(yōu)選的，所述車輛路線T’滿足以下約束：

對于車輛路線來說，任意一個(gè)車輛路由點(diǎn)的入度和出度相等，且都小于等于1。如果某個(gè)點(diǎn)被選中?？浚敲聪率阶筮叺扔?，否則為0：

車輛起始點(diǎn)的入度和出度為1：

優(yōu)選的，終點(diǎn)和起始點(diǎn)為一個(gè)點(diǎn)。

為了使得任務(wù)盡可能快的完成，約束車輛路線為一個(gè)閉環(huán)回路，因此車輛路線上不能出現(xiàn)“圈”：

其中，x_ij為0-1變量，當(dāng)車輛從i到j(luò)時(shí)為1，表示車輛的路由；

y_ij為0-1變量，當(dāng)無人機(jī)從i到j(luò)時(shí)為1，表示無人機(jī)的路由；

V是所有頂點(diǎn)的集合：V＝{0}∪V_s∪V_t；

其中V_s＝{1，2，…，m}表示在車輛路線上可以等待并起降無人機(jī)的車輛可停靠點(diǎn)；

V_t＝{m+1，m+2，…，m+n}表示目標(biāo)偵查點(diǎn)；

S為：任意數(shù)量的車輛可停靠點(diǎn)構(gòu)成的子集。

優(yōu)選的，所述無人機(jī)路線T滿足以下約束：

如果要把第i個(gè)目標(biāo)點(diǎn)分配到E(j，k)中，那么E(j，k)應(yīng)該為是車輛路線中的一部分，即目標(biāo)點(diǎn)只能分配到已存在的車輛路徑中：

需要說明的是，所有的目標(biāo)偵查點(diǎn)都分配在了無人機(jī)的一段路徑中，而每一段無人機(jī)的路徑都有一段車輛的行進(jìn)路徑相對應(yīng)，基于此，這里的分配只表示一種所屬關(guān)系，即某一個(gè)目標(biāo)偵查點(diǎn)被無人機(jī)訪問時(shí)，車輛正在這段路徑上。而不代表車輛會行經(jīng)這個(gè)目標(biāo)偵查點(diǎn)，也不代表這個(gè)目標(biāo)偵查點(diǎn)在車輛路徑上。

每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)都被分配到了一條車輛路線上，且只被分配一次：

每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)都被訪問了一次，但是這次訪問的上一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能是某次的出發(fā)點(diǎn)也可能是一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，因此在所有點(diǎn)的集合內(nèi)，目標(biāo)點(diǎn)的入度和出度都為1：

無人機(jī)在車行路徑上的點(diǎn)的路由滿足入度等于出度，如果某一個(gè)車輛路徑上的?？奎c(diǎn)是一次無人機(jī)飛行任務(wù)的起始點(diǎn)，那么這一點(diǎn)也必定是上一次任務(wù)的終點(diǎn)：

在理想情況下，從?？奎c(diǎn)出發(fā)的次數(shù)等于回到?？奎c(diǎn)的次數(shù)等于停靠點(diǎn)的個(gè)數(shù)，即每一個(gè)車輛的停靠點(diǎn)既是無人機(jī)起飛的點(diǎn)，又是無人機(jī)降落的點(diǎn)：

如果第i個(gè)停靠點(diǎn)的車輛路由出度為1，那么在無人機(jī)的路徑中該點(diǎn)的出度也應(yīng)該為1。同理，如果第j個(gè)停靠點(diǎn)的車輛路由入度為1，那么在無人機(jī)的路徑中該點(diǎn)的入度也應(yīng)該為1：

只有當(dāng)j是分配在第i個(gè)起始點(diǎn)出發(fā)的任務(wù)的時(shí)候，才可能出現(xiàn)從j到i的路由：

i是分配在第j個(gè)起始點(diǎn)出發(fā)的任務(wù)且k是這次任務(wù)的終點(diǎn)的時(shí)候，才可能出現(xiàn)從i到k的路由：

如果存在i到j(luò)的邊，那么這兩點(diǎn)肯定分配在同一個(gè)邊對應(yīng)的任務(wù)中：

防止無人機(jī)的路由中生成子圈，即運(yùn)籌學(xué)中的“防止子巡回約束”。

車輛路由點(diǎn)不允許自己連接自己：

目標(biāo)偵查點(diǎn)不允許自己連接自己：

無人機(jī)不會在路網(wǎng)上走：

其中，x_jk為0-1變量，當(dāng)車輛從j到k時(shí)為1，表示車輛的路由；

y_ij為0-1變量，當(dāng)無人機(jī)從i到j(luò)時(shí)為1，表示無人機(jī)的路由；

z_ijk為0-1變量，當(dāng)i被分配到E(j，k)時(shí)為1，表示目標(biāo)偵查點(diǎn)的分配情況；

V是所有頂點(diǎn)的集合：V＝{0}∪V_s∪V_t；

其中V_s＝{1，2，…，m}表示在車輛路線上可以等待并起降無人機(jī)的車輛可?？奎c(diǎn)；

V_t＝{m+1，m+2，…，m+n}表示目標(biāo)偵查點(diǎn)；

S₁為：任意數(shù)量的目標(biāo)偵查點(diǎn)構(gòu)成的子集。

實(shí)施例二

如圖2所示，為本發(fā)明實(shí)施例一種車輛搭載無人機(jī)偵查的雙層路徑構(gòu)建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，包括：

車輛路線構(gòu)建單元201，用于構(gòu)建車輛路線T’；

目標(biāo)偵查點(diǎn)分組單元202，用于根據(jù)該車輛路線T’對無人機(jī)目標(biāo)偵查點(diǎn)進(jìn)行分組；

該分組中的每個(gè)組對應(yīng)一段車輛行駛路徑；

無人機(jī)路線構(gòu)建單元203，用于分別對所述分組中的每個(gè)組構(gòu)建無人機(jī)路線T_c；

所述每個(gè)組的無人機(jī)路線始于所述對應(yīng)車輛行駛路徑的起始路由點(diǎn)，終于所述對應(yīng)車輛行駛路徑的終止路由點(diǎn)；

無人機(jī)路線合并單元204，用于根據(jù)無人機(jī)續(xù)航能力約束值優(yōu)化所述每個(gè)組的無人機(jī)路線T_c，得到無人機(jī)路線T。

優(yōu)選的，如圖3所示，為本實(shí)施例無人機(jī)路線合并單元204的結(jié)構(gòu)圖，包括：

遍歷子單元2041，用于從車輛路線T’的起始點(diǎn)開始，遍歷當(dāng)前組與下一組的無人機(jī)路線合并是否超出所述無人機(jī)續(xù)航能力約束值；

合并子單元2042，用于當(dāng)判定將當(dāng)前組的無人機(jī)路線與下一組的無人機(jī)路線合并不超出無人機(jī)續(xù)航能力約束值時(shí)，將所述當(dāng)前組與下一組的無人機(jī)路線合并。

優(yōu)選的，所述無人機(jī)續(xù)航能力約束值C滿足如下條件：

t_ab×x_ab≤C≤θ；

其中，

其中，x_ab為0-1變量，當(dāng)車輛從a到b時(shí)為1，表示車輛的路由；

y_ij為0-1變量，當(dāng)無人機(jī)從i到j(luò)時(shí)為1，表示無人機(jī)的路由；

z_iab為0-1變量，當(dāng)i被分配到E(a，b)時(shí)為1，表示目標(biāo)偵查點(diǎn)的分配情況；

t_ab為車輛從a點(diǎn)到b點(diǎn)的時(shí)間；

θ為常數(shù)，表示電量可支撐的飛行時(shí)間；

V是所有頂點(diǎn)的集合：V＝{0}∪V_s∪V_t；

其中V_s＝{1，2，…，m}表示在車輛路線上可以等待并起降無人機(jī)的車輛可?？奎c(diǎn)；

V_t＝{m+1，m+2，…，m+n}表示目標(biāo)偵查點(diǎn)；

對每一個(gè)目標(biāo)i∈V_t，有相應(yīng)服務(wù)時(shí)間s_i來供無人機(jī)完成指定的偵察任務(wù)。

實(shí)施例三

如圖4所示，為本實(shí)施例一種車輛搭載無人機(jī)偵查的雙層路徑構(gòu)建方法的流程圖，如圖所示，包括：

步驟301：根據(jù)初始數(shù)據(jù)建立模型

初始數(shù)據(jù)包括起始點(diǎn)、終點(diǎn)、無人機(jī)續(xù)航能力以及行駛?cè)蝿?wù)區(qū)域的地圖，該地圖中包括公路網(wǎng)以及公路網(wǎng)中可接收和放飛無人機(jī)的車輛路由點(diǎn)。

每一個(gè)目標(biāo)偵查點(diǎn)必須被無人機(jī)訪問或服務(wù)一次，目標(biāo)點(diǎn)都處于不能被車輛直接訪問的區(qū)域。該問題可以描述如下：地面車輛和無人機(jī)從固定的某個(gè)起始點(diǎn)出發(fā)，地面車輛沿著公路網(wǎng)在一些地點(diǎn)停下放飛或收回?zé)o人機(jī)。無人機(jī)離開車輛后自動(dòng)訪問一系列的目標(biāo)點(diǎn)，然后在電量消耗完畢前返回到車輛上，充電或更換電池后繼續(xù)訪問其他的目標(biāo)點(diǎn)。因此，有人駕駛車輛搭載無人機(jī)協(xié)同完成多目標(biāo)偵察的雙層路徑規(guī)劃問題需要對以下三個(gè)過程進(jìn)行建模：車輛的行駛過程、無人機(jī)的飛行過程以及目標(biāo)點(diǎn)的分配情況(每次飛行訪問哪些目標(biāo)點(diǎn))。

構(gòu)建任務(wù)區(qū)示意圖G＝(V，E)。V是頂點(diǎn)的集合，其中{0}表示一個(gè)基地的位置(車輛的起始點(diǎn)和終點(diǎn))，V由以下獨(dú)立的集合構(gòu)成：V＝{0}∪V_s∪V_t，其中V_s＝{1，2，…，m}表示在公路網(wǎng)上可以等待并起降無人機(jī)的車輛可停靠點(diǎn)；V_t＝{m+1，m+2，…，m+n}表示具體需要偵查的目標(biāo)點(diǎn)。我們假定即所有需要無人機(jī)偵查的目標(biāo)點(diǎn)都分布在路網(wǎng)上之外的區(qū)域。對每一個(gè)目標(biāo)j∈V_t，有相應(yīng)服務(wù)時(shí)間s_j來供無人機(jī)完成指定的偵察任務(wù)。

如圖5所示，為本實(shí)施例構(gòu)建的基地、目標(biāo)偵查點(diǎn)與車輛可?？奎c(diǎn)的無向圖的示意圖。

作為本實(shí)施例的一個(gè)實(shí)例，包括基地的位置0(0，0)，5個(gè)車輛可?？奎c(diǎn)A(3，1)，B(2，2)，C(0，3)，D(-1，2)，E(-3，1)；同時(shí)7個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為：a(2，0)，b(3，2)，c(2，3)，d(1，4)，e(-1，3)，f(-3，2)，g(-2，0)。即，V_s＝{A，B，C，D，E}；V_t＝{a，b，c，d，e，f，g}。

路網(wǎng)中有兩類邊(弧)，當(dāng)i，j∈{0}∪V_s時(shí)，這一類弧表示車輛的行進(jìn)路線(如AB、CD)，僅允許車輛行進(jìn)，令這樣的邊(i，j)組成的集合為E₁。同時(shí)，還有一類邊是無人機(jī)可以飛行的，只要弧連接的兩點(diǎn)中有一點(diǎn)是需要無人機(jī)偵查的點(diǎn)，那么這段弧就是無人機(jī)飛行的邊(如ab、cd)，令這樣的邊(i，j)組成的集合為E₂。E₂:{i∈V_t，j∈V|(i，j)∪(j，i)}。由此，可知E＝E₁∪E₂。

為方便表示約束條件，定義如下變量：

x_ij：0-1變量，i，j∈{0}∪V_s當(dāng)車輛從i到j(luò)時(shí)為1，表示車輛的路由。

y_ij：0-1變量，i，j∈V當(dāng)無人機(jī)從i到j(luò)時(shí)為1，表示無人機(jī)的路由。

z_ijk:0-1變量，i∈V_t，j，k∈{0}∪V_s當(dāng)i被分配到E(j，k)時(shí)為1，表示目標(biāo)偵查點(diǎn)的分配情況。

構(gòu)建模型如下：

最小值：∑_i∈V∑_j∈V(y_ij×t_ij)；

約束條件：

(1)對于車輛路線來說，任意一個(gè)車輛路由點(diǎn)的入度和出度相等，且都小于等于1。如果某個(gè)點(diǎn)被選中?？浚敲聪率阶筮叺扔?，否則為0。

(2)車輛起始點(diǎn)的入度和出度為1。

(3)為了使得任務(wù)盡可能快的完成，約束車輛路線為一個(gè)閉環(huán)回路，因此車輛的行進(jìn)路線上不能出現(xiàn)“圈”。

(4)如果要把第i個(gè)目標(biāo)點(diǎn)分配到E(j，k)中，那么E(j，k)應(yīng)該為是車輛路線中的一部分，即目標(biāo)點(diǎn)只能分配到已存在的車輛路徑中。

需要說明的是，所有的目標(biāo)偵查點(diǎn)都分配在了無人機(jī)的一段路徑中，而每一段無人機(jī)的路徑都有一段車輛的行進(jìn)路徑相對應(yīng)，基于此，這里的分配只表示一種所屬關(guān)系，即某一個(gè)目標(biāo)偵查點(diǎn)被無人機(jī)訪問時(shí)，車輛正在這段路徑上。而不代表車輛會行經(jīng)這個(gè)目標(biāo)偵查點(diǎn)，也不代表這個(gè)目標(biāo)偵查點(diǎn)在車輛路徑上。

(5)每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)都被分配到了一條車輛路線上，且只被分配一次。

(6)每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)都被訪問了一次，但是這次訪問的上一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能是某次的出發(fā)點(diǎn)也可能是一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，因此在所有點(diǎn)的集合內(nèi)，目標(biāo)點(diǎn)的入度和出度都為1。

(7)無人機(jī)在車行路徑上的點(diǎn)的路由滿足入度等于出度，如果某一個(gè)車輛路徑上的?？奎c(diǎn)是一次無人機(jī)飛行任務(wù)的起始點(diǎn)，那么這一點(diǎn)也必定是上一次任務(wù)的終點(diǎn)。

(8)在理想情況下，從?？奎c(diǎn)出發(fā)的次數(shù)等于回到?？奎c(diǎn)的次數(shù)等于?？奎c(diǎn)的個(gè)數(shù)，即每一個(gè)車輛的?？奎c(diǎn)既是無人機(jī)起飛的點(diǎn)，又是無人機(jī)降落的點(diǎn)。

(9)如果第i個(gè)停靠點(diǎn)的車輛路由出度為1，那么在無人機(jī)的路徑中該點(diǎn)的出度也應(yīng)該為1。同理，如果第j個(gè)?？奎c(diǎn)的車輛路由入度為1，那么在無人機(jī)的路徑中該點(diǎn)的入度也應(yīng)該為1。

(10)只有當(dāng)j是分配在第i個(gè)起始點(diǎn)出發(fā)的任務(wù)的時(shí)候，才可能出現(xiàn)從j到i的路由。

(11)i是分配在第j個(gè)起始點(diǎn)出發(fā)的任務(wù)且k是這次任務(wù)的終點(diǎn)的時(shí)候，才可能出現(xiàn)從i到k的路由。

(12)如果存在i到j(luò)的邊，那么這兩點(diǎn)肯定分配在同一個(gè)邊對應(yīng)的任務(wù)中.

(13)防止無人機(jī)的路由中生成子圈，即運(yùn)籌學(xué)中的“防止子巡回約束”。

(14)無人機(jī)的飛行時(shí)間大于車輛行駛的時(shí)間小于某個(gè)常數(shù)(電量限制)。

(15)、(16)節(jié)點(diǎn)不允許自己連接自己。

(17)無人機(jī)不會在路網(wǎng)上走。

步驟302，構(gòu)建車輛路線T’。

構(gòu)建該整體回路T時(shí)，令其滿足上式(1)(2)(3)的約束。

如圖6所示，為本實(shí)施例構(gòu)建的車輛路線示意圖；

T’＝{A，B，C，D，E，0}

步驟303，根據(jù)該車輛路線T’對無人機(jī)目標(biāo)偵查點(diǎn)進(jìn)行分組；

該分組中的每個(gè)組對應(yīng)一段車輛行駛路徑；

如圖7所示，為本實(shí)施例的分組情況示意圖；優(yōu)選的，將所有目標(biāo)偵查點(diǎn)就近分配給車輛行駛路徑：

分組為：a；b；cd；e；f；g；

分別對應(yīng)的車輛行駛路徑為0A；AB；BC；CD；DE；E0。

步驟304，分別對所述分組中的每個(gè)組構(gòu)建無人機(jī)路線T_c；

如圖7所示，所述每個(gè)組的無人機(jī)路線始于所述對應(yīng)車輛行駛路徑的起始路由點(diǎn)，終于所述對應(yīng)車輛行駛路徑的終止路由點(diǎn)；

構(gòu)建該無人機(jī)路線需要滿足以上(4)-(13)以及(15)-(17)的約束。

步驟305，根據(jù)無人機(jī)續(xù)航能力約束值優(yōu)化所述每個(gè)組的無人機(jī)路線T_c，得到無人機(jī)路線T。

優(yōu)選的，根據(jù)無人機(jī)續(xù)航能力約束值優(yōu)化所述每個(gè)組的無人機(jī)路線T_c，包括：

從車輛路線T’的起始點(diǎn)開始，遍歷當(dāng)前組與下一組的無人機(jī)路線合并是否超出所述無人機(jī)續(xù)航能力約束值，若否，則將所述當(dāng)前組與下一組的無人機(jī)路線合并。

優(yōu)選的，所述無人機(jī)續(xù)航能力約束值C可表示為：b∈0∪Vs；

無人機(jī)續(xù)航能力約束值C滿足以上式(14)的約束。

圖8為本實(shí)施例的最終路徑示意圖。

本實(shí)施例中，假定無人機(jī)的最大續(xù)航能力為6個(gè)單位時(shí)間，而飛行速度恒定為1單位距離每單位時(shí)間，如圖所示，根據(jù)續(xù)航能力約束值的限制，圖7中的OA、AB合并了，BC、CD合并了。

以上三個(gè)實(shí)施例，采用了以下方案：構(gòu)建車輛路線T’；根據(jù)該車輛路線T’對無人機(jī)目標(biāo)偵查點(diǎn)進(jìn)行分組；該分組中的每個(gè)組對應(yīng)一段車輛行駛路徑；分別對所述分組中的每個(gè)組構(gòu)建無人機(jī)路線T_c；所述每個(gè)組的無人機(jī)路線始于所述對應(yīng)車輛行駛路徑的起始路由點(diǎn)，終于所述對應(yīng)車輛行駛路徑的終止路由點(diǎn)；根據(jù)無人機(jī)續(xù)航能力約束值優(yōu)化所述每個(gè)組的無人機(jī)路線T_c，得到無人機(jī)路線T；通過該方案，通過先構(gòu)建車輛路線，再將無人機(jī)目標(biāo)偵查點(diǎn)分組分配到車輛路由點(diǎn)上，分組規(guī)劃最優(yōu)路線再合并，為車輛搭載無人機(jī)的雙層路徑規(guī)劃方法提供了一種可行高效的解決方案。

本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以了解到本發(fā)明實(shí)施例列出的各種說明性邏輯塊(illustrative logical block)，單元，和步驟可以通過電子硬件、電腦軟件，或兩者的結(jié)合進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。為清楚展示硬件和軟件的可替換性(interchangeability)，上述的各種說明性部件(illustrative components)，單元和步驟已經(jīng)通用地描述了它們的功能。這樣的功能是通過硬件還是軟件來實(shí)現(xiàn)取決于特定的應(yīng)用和整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對于每種特定的應(yīng)用，可以使用各種方法實(shí)現(xiàn)所述的功能，但這種實(shí)現(xiàn)不應(yīng)被理解為超出本發(fā)明實(shí)施例保護(hù)的范圍。

本發(fā)明實(shí)施例中所描述的各種說明性的邏輯塊，或單元都可以通過通用處理器，數(shù)字信號處理器，專用集成電路(ASIC)，現(xiàn)場可編程門陣列或其它可編程邏輯裝置，離散門或晶體管邏輯，離散硬件部件，或上述任何組合的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)或操作所描述的功能。通用處理器可以為微處理器，可選地，該通用處理器也可以為任何傳統(tǒng)的處理器、控制器、微控制器或狀態(tài)機(jī)。處理器也可以通過計(jì)算裝置的組合來實(shí)現(xiàn)，例如數(shù)字信號處理器和微處理器，多個(gè)微處理器，一個(gè)或多個(gè)微處理器聯(lián)合一個(gè)數(shù)字信號處理器核，或任何其它類似的配置來實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明實(shí)施例中所描述的方法或算法的步驟可以直接嵌入硬件、處理器執(zhí)行的軟件模塊、或者這兩者的結(jié)合。軟件模塊可以存儲于RAM存儲器、閃存、ROM存儲器、EPROM存儲器、EEPROM存儲器、寄存器、硬盤、可移動(dòng)磁盤、CD-ROM或本領(lǐng)域中其它任意形式的存儲媒介中。示例性地，存儲媒介可以與處理器連接，以使得處理器可以從存儲媒介中讀取信息，并可以向存儲媒介存寫信息。可選地，存儲媒介還可以集成到處理器中。處理器和存儲媒介可以設(shè)置于ASIC中，ASIC可以設(shè)置于用戶終端中。可選地，處理器和存儲媒介也可以設(shè)置于用戶終端中的不同的部件中。

在一個(gè)或多個(gè)示例性的設(shè)計(jì)中，本發(fā)明實(shí)施例所描述的上述功能可以在硬件、軟件、固件或這三者的任意組合來實(shí)現(xiàn)。如果在軟件中實(shí)現(xiàn)，這些功能可以存儲與電腦可讀的媒介上，或以一個(gè)或多個(gè)指令或代碼形式傳輸于電腦可讀的媒介上。電腦可讀媒介包括電腦存儲媒介和便于使得讓電腦程序從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到其它地方的通信媒介。存儲媒介可以是任何通用或特殊電腦可以接入訪問的可用媒體。例如，這樣的電腦可讀媒體可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盤存儲、磁盤存儲或其它磁性存儲裝置，或其它任何可以用于承載或存儲以指令或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和其它可被通用或特殊電腦、或通用或特殊處理器讀取形式的程序代碼的媒介。此外，任何連接都可以被適當(dāng)?shù)囟x為電腦可讀媒介，例如，如果軟件是從一個(gè)網(wǎng)站站點(diǎn)、服務(wù)器或其它遠(yuǎn)程資源通過一個(gè)同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、數(shù)字用戶線(DSL)或以例如紅外、無線和微波等無線方式傳輸?shù)囊脖话谒x的電腦可讀媒介中。所述的碟片(disk)和磁盤(disc)包括壓縮磁盤、鐳射盤、光盤、DVD、軟盤和藍(lán)光光盤，磁盤通常以磁性復(fù)制數(shù)據(jù)，而碟片通常以激光進(jìn)行光學(xué)復(fù)制數(shù)據(jù)。上述的組合也可以包含在電腦可讀媒介中。

以上所述的具體實(shí)施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。