CN110348611A - 一种联网无人机预约5g基站充电坪的最优分配方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种联网无人机预约5G基站充电坪的最优分配方法及系统，通过无人机请求充电时的当前位置信息、剩余电量信息、任务航线信息、充电坪是否为空闲状态，考虑无人机低电能预警信息进行充电坪的最优分配，具有更高的预约稳定性；利用现有的移动通信基站，实现对无人机电量的补给有着良好的基础支持，减少了基础建设的资金投入；各个蜂窝基站的位置固定，便于进行无人机路径规划和充电坪寻址，此外，无人机与基站间和基站与基站之间很容易实现信息交互，可以为无人机提供更全面、更广泛的充电坪信息，有利于最优充电坪的选取。
Description
技术领域
本发明属于无人机智能充电调度技术领域，具体涉及一种联网无人机预约5G基站充电坪的最优分配方法，本发明还涉及实现上述方法的系统。
背景技术
无人机具有灵活性高，机动性能好，反应速度快，操作要求低等优点，已经广泛应用于物流、安防、航测、巡检和农业等多个领域。近年来随着国家对低空域开放、无人机管控等相关政策的出台，以及5G移动通信技术的逐步成熟进一步推动了无人机行业和市场的发展。无人机常常需要执行远距离范围内、耗时长的任务，但是现有的电动多旋翼无人机通常只能连续飞行约1小时，不能满足无人机全天候、不间断、自主作业的需求。虽然可以通过携带大容量电池来延长无人机自主工作周期，但是这样无疑增加了负荷，降低了无人机作业的效率，没有从根本上解决问题。无人机在自主作业过程中能就近获得能源供给，是解决其长期自主作业过程中能源不足问题的首选方法。现有的蜂窝移动通信基站密集分布并且可以提供电能，正好满足无人机充电坪布置的需求条件，因此可以借助基站来实现无人机的能源供给。
当无人机在需要充电时，可能会面临多个无人机竞争同一个充电坪或一个无人机有多个充电坪作为备选的情况，此时如何实现充电坪的合理分配和最优充电坪的选取是无人机充电所要解决的一个主要问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种联网无人机预约5G基站充电坪的最优分配方法，解决无人机在执行任务时能源补给的问题。
本发明的另一目的是提供上述一种联网无人机预约5G基站充电坪的最优分配方法的系统。
本发明所采用的技术方案是，一种联网无人机预约5G基站充电坪的最优分配方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、基站收集充电坪的当前状态，然后在等时间间隔内更新并广播相关信息；驶入基站通信半径内的无人机即可获取充电坪状况，根据自身电量及目的地距离等信息判定是否需要发起充电预约；
步骤2、当电池电量低于充电阀值时，无人机选出当前位置到目的地之间的可用充电坪；
步骤3、在获取可用充电坪后，计算无人机到各充电坪行驶所消耗的电量；综合考虑驶向充电坪的能耗、自身航向信息、剩余电量、任务紧急情况多个因素进行决策，实现最优的充电坪分配；
步骤4、无人机向所选充电坪发送预约申请，包括无人机距离充电坪的位置、当前电量和预计到达时间；
步骤5、在无人机驶向所选充电坪的过程中，利用新获取的信息决定是否更新其预约，如果需要更新，则重新预约新的充电坪，否则继续去原预约平台充电；
步骤6、当充电完成后，无人机继续执行其任务。
本发明的特征还在于：
步骤2中：无人机充电阀值根据剩余电量的多少分为3级，当无人机剩余电量为30％～40％时为一级低电能预警档；当剩余电量为20％～30％时为二级低电能预警档；当剩余电量为10％～20％时为三级低电能预警档；当多架无人机竞争同一个充电坪时，预警级数越高的无人机具有更高的优先权来进行充电。
步骤2中：根据无人机当前位置、目的地位置和无人机途中需要进行充电的次数，分为仅需一次充电和需要多次充电两种情况选择可用充电坪，具体过程为，S表示当前位置、D表示目的地，以S为圆心，以无人机剩余电量可达范围R_1为半径画圆，记为圆1；以D为圆心，以无人机充满电时的最大可达范围R_2为半径作圆，记为圆2；其中和式中Ec为无人机当前剩余电量，Rmax为电池充满时的总电量，αev为无人机飞行每米的能耗；两个圆之间重合区域的可用充电坪作为备选充电坪集合；当圆1和圆2之间没有重合区域，无人机需要进行多次充电才可以到达目的地；第一次充电所选的充电坪是圆1覆盖范围内的多个的备选充电坪中的一个，后续充电坪的选取在圆2的覆盖范围内进行选择。
步骤3中：影响决策的因素及其权重计算具体过程为：(a)无人机行驶过程中每米的耗能为αev，根据无人机与基站之间的距离r计算无人机到达充电坪的能耗，耗能越大权重越小，记为w1＝ε·αev·r，其中ε为耗能权重系数；(b)根据无人机目的地与充电坪位置是否在同一方向，若两者方向一致则设定较大的权重，若两者不在同一方向，即无人机要花费更大的代价进行充电，则设定较小的权重，记为w2；(c)无人机剩余电量越少则权重越大，记为w3；(d)无人机执行任务的重要程度越高，权重越大，记为w4；(e)根据w＝w1+w2+w3+w4，w值越大具有更高的优先级来进行充电。
本发明所采用的另一技术方案是，一种联网无人机预约5G基站充电坪的最优分配系统，包括多个5G基站充电坪和无人机，每个5G基站充电坪设有一个或多个充电坪数据信息处理模块，无人机上设置有互相网络连接的定位导航系统、无人机数据信息处理模块以及充电引导信息发布模块，充电坪数据信息处理模块和无人机数据信息处理模块以及充电引导信息发布数据连接引导算法实现模块。
本发明的有益效果是：
本发明一种联网无人机预约5G基站充电坪的最优分配方法和系统，1.通过无人机请求充电时的当前位置信息、剩余电量信息、任务航线信息、充电坪是否为空闲状态，考虑无人机低电能预警信息进行充电坪的最优分配，具有更高的预约稳定性；2.利用现有的移动通信基站，实现对无人机电量的补给有着良好的基础支持，减少了基础建设的资金投入；3.各个蜂窝基站的位置固定，便于进行无人机路径规划和充电坪寻址，此外，无人机与基站间和基站与基站之间很容易实现信息交互，可以为无人机提供更全面、更广泛的充电坪信息，有利于最优充电坪的选取。
附图说明
图1为本发明一种联网无人机预约5G基站充电坪的最优分配系统中无人机与充电坪信息交互示意图；
图2为本发明一种联网无人机预约5G基站充电坪的最优分配方法流程示意图；
图3为本发明一种联网无人机预约5G基站充电坪的最优分配方法中无人机仅需要进行一次充电的示意图；
图4为本发明一种联网无人机预约5G基站充电坪的最优分配方法中无人机需要进行多次充电的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种联网无人机预约5G基站充电坪的最优分配方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：如图1所示基站收集充电坪的位置、系统容量状态及充电状态等信息，然后在等时间间隔内更新并广播相关信息。驶入基站通信半径内的无人机即可获取充电坪状况，根据自身电量及目的地距离等信息判定是否需要发起充电预约，如图2所示，如果需要充电则进行充电坪的选取及预约，如果不需要充电则继续沿当前路线继续飞行；
步骤2：当电池电量低于充电阀值时，无人机选出当前位置到目的地之间的可用充电坪；
根据无人机当前位置、目的地位置和无人机途中需要进行充电的次数，分为无人机仅需一次充电和需要多次充电两种情况，如图3、图4所示。
图3中S表示当前位置、D表示目的地，以S为圆心，以无人机剩余电量可达范围R_1为半径画圆，记为圆1；以D为圆心，以无人机充满电时的最大可达范围R_2为半径作圆，记为圆2。其中和式中Ec为无人机当前剩余电量，Rmax为电池充满时的总电量，αev为无人机飞行每米的能耗。两个圆之间重合区域的可用充电坪作为备选充电坪集合。
图4中L为当前位置与目的地之间的距离，圆1和圆2之间没有重合区域，即无人机需要进行多次充电才可以到达目的地。因此，第一次充电所选的充电坪是圆1覆盖范围内的多个的备选充电坪中的一个，后续充电坪的选取在圆2的覆盖范围内进行选择。
步骤3：在获取可用充电坪后，估计无人机到各充电坪行驶所消耗的电量。综合考虑驶向充电坪的能耗、自身航向信息、剩余电量、任务紧急情况等多个因素进行决策，实现最优的充电坪分配。其中，各个影响因素的权重如下；
(a)无人机行驶过程中每米的耗能为αev，根据无人机与基站之间的距离r计算无人机到达充电坪的能耗，耗能越大权重越小，记为w1＝ε·αev·r，其中ε为耗能权重系数；
(b)根据无人机目的地与充电坪位置是否在同一方向，若两者方向一致则设定较大的权重，若两者不在同一方向，即无人机要花费更大的代价进行充电，则设定较小的权重，记为w2；
(c)无人机剩余电量越少则权重越大，记为w3；
(d)无人机执行任务的重要程度越高，权重越大，记为w4；
(e)根据w＝w1+w2+w3+w4，w值越大具有更高的优先级来进行充电。
步骤4：无人机向所选充电坪发送预约申请，包括无人机距离充电坪的位置、当前电量和预计到达时间等；
步骤5：在无人机驶向所选充电坪的过程中，利用新获取的信息决定是否更新其预约，如果需要更新，则重新预约新的充电坪，否则继续去原预约平台充电；
步骤6：当充电完成后，无人机继续执行其任务。
实现上述联网无人机预约5G基站充电坪的最优分配方法的系统，包括多个5G基站充电坪和无人机，每个5G基站充电坪设有一个或多个充电坪数据信息处理模块，无人机上设置有互相网络连接的定位导航系统、无人机数据信息处理模块以及充电引导信息发布模块，充电坪数据信息处理模块和无人机数据信息处理模块以及充电引导信息发布数据连接引导算法实现模块。
本发明一种联网无人机预约5G基站充电坪的最优分配方法和系统，1.通过无人机请求充电时的当前位置信息、剩余电量信息、任务航线信息、充电坪是否为空闲状态，考虑无人机低电能预警信息进行充电坪的最优分配，具有更高的预约稳定性；2.利用现有的移动通信基站，实现对无人机电量的补给有着良好的基础支持，减少了基础建设的资金投入；3.各个蜂窝基站的位置固定，便于进行无人机路径规划和充电坪寻址，此外，无人机与基站间和基站与基站之间很容易实现信息交互，可以为无人机提供更全面、更广泛的充电坪信息，有利于最优充电坪的选取。
Claims (5)
1.一种联网无人机预约5G基站充电坪的最优分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、基站收集充电坪的当前状态，然后在等时间间隔内更新并广播相关信息；驶入基站通信半径内的无人机即可获取充电坪状况，根据自身电量及目的地距离等信息判定是否需要发起充电预约；
步骤2、当电池电量低于充电阀值时，无人机选出当前位置到目的地之间的可用充电坪；
步骤3、在获取可用充电坪后，计算无人机到各充电坪行驶所消耗的电量；综合考虑驶向充电坪的能耗、自身航向信息、剩余电量、任务紧急情况多个因素进行决策，实现最优的充电坪分配；
步骤4、无人机向所选充电坪发送预约申请，包括无人机距离充电坪的位置、当前电量和预计到达时间；
步骤5、在无人机驶向所选充电坪的过程中，利用新获取的信息决定是否更新其预约，如果需要更新，则重新预约新的充电坪，否则继续去原预约平台充电；
步骤6、当充电完成后，无人机继续执行其任务。
2.根据权利要求1所述的一种联网无人机预约5G基站充电坪的最优分配方法，其特征在于，所述步骤2中，无人机充电阀值根据剩余电量的多少分为3级，当无人机剩余电量为30％～40％时为一级低电能预警档；当剩余电量为20％～30％时为二级低电能预警档；当剩余电量为10％～20％时为三级低电能预警档；当多架无人机竞争同一个充电坪时，预警级数越高的无人机具有更高的优先权来进行充电。
3.根据权利要求1或2所述的一种联网无人机预约5G基站充电坪的最优分配方法，其特征在于，所述步骤2中，根据无人机当前位置、目的地位置和无人机途中需要进行充电的次数，分为仅需一次充电和需要多次充电两种情况选择可用充电坪，具体过程为，S表示当前位置、D表示目的地，以S为圆心，以无人机剩余电量可达范围R_1为半径画圆，记为圆1；以D为圆心，以无人机充满电时的最大可达范围R_2为半径作圆，记为圆2；其中和式中Ec为无人机当前剩余电量，Rmax为电池充满时的总电量，αev为无人机飞行每米的能耗；两个圆之间重合区域的可用充电坪作为备选充电坪集合；当圆1和圆2之间没有重合区域，无人机需要进行多次充电才可以到达目的地；第一次充电所选的充电坪是圆1覆盖范围内的多个的备选充电坪中的一个，后续充电坪的选取在圆2的覆盖范围内进行选择。
4.根据权利要求3所述的一种联网无人机预约5G基站充电坪的最优分配方法，其特征在于，所述步骤3中，影响决策的因素及其权重计算具体过程为：(a)无人机行驶过程中每米的耗能为αev，根据无人机与基站之间的距离r计算无人机到达充电坪的能耗，耗能越大权重越小，记为w1＝ε·αev·r，其中ε为耗能权重系数；(b)根据无人机目的地与充电坪位置是否在同一方向，若两者方向一致则设定较大的权重，若两者不在同一方向，即无人机要花费更大的代价进行充电，则设定较小的权重，记为w2；(c)无人机剩余电量越少则权重越大，记为w3；(d)无人机执行任务的重要程度越高，权重越大，记为w4；(e)根据w＝w1+w2+w3+w4，w值越大具有更高的优先级来进行充电。
5.一种联网无人机预约5G基站充电坪的最优分配系统，其特征在于，包括多个5G基站充电坪和无人机，每个5G基站充电坪设有一个或多个充电坪数据信息处理模块，无人机上设置有互相网络连接的定位导航系统、无人机数据信息处理模块以及充电引导信息发布模块，充电坪数据信息处理模块和无人机数据信息处理模块以及充电引导信息发布数据连接引导算法实现模块。
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