面向离散区域的多无人机区域覆盖路径规划技术研究与实现

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多无人机覆盖规划是智能无人机集群任务规划及控制中的一个典型问题。多无人机覆盖规划技术可以广泛应用于目标搜索、灾后救援、农业生产等应用当中,能够为这些应用任务的高效完成提供有效支持。多无人机覆盖规划问题最主要的挑战是:如何在一定约束条件下,为无人机集群合理分配覆盖任务,规划出所有无人机的覆盖路径,使得无人机能够在最短的时间内完成覆盖任务。为此,本文针对多无人机对多块离散区域的覆盖路径规划问题展开研究,提出了一种基于均衡有效任务比和变型蚁群算法的覆盖路径规划方法以及一种基于实时预留划分算法的均衡区域覆盖路径规划方法,构建了一个基于均衡有效覆盖策略的多无人机区域覆盖规划原型系统,在此基础上,对本文的研究成果进行了实验验证。本文的贡献包括以下三点。(1)针对现有方法难以较好地解决多架无人机在最短的时间内完成对目标分散区域的均衡覆盖问题,提出了基于均衡有效任务比和变型蚁群算法的覆盖路径规划方法。该方法将多无人机对多块分散区域的覆盖问题分解为任务分配和路径规划两个子问题,并针对性地提出两阶段启发式求解方法。在第一阶段,将覆盖任务均衡地分配给执行任务的无人机,保证无人机所分配任务的均衡性和有效性;在第二阶段,进一步优化无人机的覆盖路径,提高覆盖效率。(2)针对覆盖场景中存在超大区域导致的任务规划不均衡、无人机执行覆盖任务时损耗大的问题,提出了一种基于实时预留划分的均衡覆盖路径规划方法。该方法采用“截长补短”的思想,利用实时预留划分方法对超大区域进行划分,并将新划分出的区域预分配给执行任务时间较短的无人机,缩短执行覆盖任务时损耗最大的无人机的任务时间,提升了覆盖效率,而且该算法既适合存在超大区域的场景也适合一般的区域分布场景,具有良好的普适性和可扩展性。(3)基于上述研究成果,设计并实现了一个基于均衡有效覆盖的多无人机覆盖规划原型系统,构建实验场景,对本文的研究成果进行了实验验证。结果表明,相比于现有的方法,本文所提出的覆盖路径规划方法在性能、鲁棒性等方面均有明显的提升,并且具有一定的可扩展性。
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