一種無人機搜索救援任務(wù)的路徑規(guī)劃方法

有關(guān)研究人員將通信納入多無人機搜索救援任務(wù)的路徑規(guī)劃問題中，通過信息傳播實現(xiàn)任務(wù)的動態(tài)分配。溝通不是一種約束，而是一項任務(wù)目標(biāo)。在實現(xiàn)這一目標(biāo)的同時，研究者的目標(biāo)是避免損害地區(qū)覆蓋目標(biāo)和整個任務(wù)時間。研究者將任務(wù)定義為：搜索、通知和監(jiān)控盡可能好的鏈接質(zhì)量。本文以“Multi-objective drone path planning for search and rescue with quality-of-service requirements”為題于2020年7月29日在《Autonomous Robots》雜志中發(fā)布。

在集中式同時通知和連接路徑規(guī)劃策略的基礎(chǔ)上，研究人員提出了兩種自適應(yīng)策略：（1）SIC與 SICQ：同時優(yōu)化搜索、通知和監(jiān)視任務(wù)；（2）SIC跟蹤SIC+：首先優(yōu)化搜索和通知任務(wù)，然后找到最優(yōu)的監(jiān)視位置。這兩種策略一旦獲得信息就會利用信息來確定無人機的任務(wù)。這些策略可以根據(jù)其他任務(wù)的優(yōu)先順序進行調(diào)整。

無人機背景

無人駕駛飛行器（UAV），俗稱無人機無人駕駛飛機，用于搜索和救援（SAR）、監(jiān)測和監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)和其他應(yīng)用。在許多情況下，空中傳感器覆蓋和無線連接的結(jié)合是可取的。例如，在SAR和監(jiān)視方面-在覆蓋范圍允許目標(biāo)或事件檢測的情況下-連通性確保向有關(guān)當(dāng)局傳播信息，以便迅速做出反應(yīng)和了解情況相應(yīng)地，無人機飛行路徑應(yīng)允許所需的連通性以及完整和成功的覆蓋。這樣的路徑規(guī)劃和優(yōu)化解決方案稱為連接受限覆蓋和連通性感知覆蓋。

實驗背景以及方法

研究者工作的動機是，不同的無人機應(yīng)用程序需要不同的連接優(yōu)先級（例如，總是周期性的、可延遲的）?？烧{(diào)整到連接需求的路徑規(guī)劃算法還沒有在文獻中得到研究。在研究人員之前的工作中，研究人員研究了無人機應(yīng)用的覆蓋和連接需求并利用知識設(shè)計了一種可調(diào)多目標(biāo)路徑規(guī)劃算法。單參數(shù)λ∈［0，1］用于在覆蓋和連接之間進行調(diào)優(yōu)；它提供了覆蓋優(yōu)化路徑之間的全部范圍（λ=1）和連接優(yōu)化路徑（λ=0）。圖中顯示不同應(yīng)用程序的需求。重點討論特例λ=0.5，在這方面，覆蓋面和連通性同樣重要。

在公共路徑規(guī)劃中忽略的另一個問題是，不同的多無人機應(yīng)用程序有不同的數(shù)據(jù)流量需求（例如，在吞吐量、延遲、抖動方面）。相應(yīng)的優(yōu)化路徑差異很大。

考慮到連通性和通信的重要性，特別關(guān)注SAR任務(wù)。SAR任務(wù)的目標(biāo)是目標(biāo)定位的區(qū)域覆蓋，然后是目標(biāo)位置的交付，然后是實時狀態(tài)信息給第一響應(yīng)者。

使用搜索任務(wù)，其中多重旅行銷售人員問題用于設(shè)計覆蓋路徑。這些路徑允許無人機覆蓋給定的區(qū)域，并在盡可能短的時間內(nèi)定位目標(biāo)。第二階段是在第一階段確定目標(biāo)之后發(fā)生的，第二階段（連接）的目的是在網(wǎng)絡(luò)中傳播信息。它由兩個任務(wù)組成：通知任務(wù)將目標(biāo)位置信息傳送到地面基站（BS）。這個監(jiān)控任務(wù)在目標(biāo)位置和基站之間建立最佳的服務(wù)質(zhì)量鏈路。這種鏈路建立是連續(xù)目標(biāo)狀態(tài)監(jiān)視所必需的，直到幫助到達目標(biāo)位置為止。采用遺傳算法（GA）對基于“最短時間”覆蓋路徑的種群進行評估，得到最優(yōu)路徑，從而使第二階段任務(wù)的完成速度最快。因此，GA優(yōu)化了任務(wù)完成時間，包括執(zhí)行搜索、通知和監(jiān)視任務(wù)的時間。得到的GA-最優(yōu)路徑是任務(wù)飛行路徑。最初的任務(wù)路徑是預(yù)先設(shè)計的，但能適應(yīng)新的信息。一旦目標(biāo)被定位，無人機就會通過響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中有關(guān)目標(biāo)和其他無人機的信息來重新規(guī)劃各自的路徑。重新規(guī)劃有助于快速傳播受害者信息并有效地分配任務(wù)。特別是，一旦遇到更合適的無人機（導(dǎo)致任務(wù)時間更短），無人機就會移交任務(wù)并返回基站。

提出了一種任務(wù)路徑規(guī)劃算法，在無人機網(wǎng)絡(luò)中對覆蓋和連接相關(guān)的任務(wù)進行動態(tài)和因果分配。由于這種因果關(guān)系，經(jīng)典的任務(wù)分配策略不適用。任務(wù)的因果關(guān)系的目的是研究多機器人系統(tǒng)中的容錯問題。由于在所提出的體系結(jié)構(gòu)中，及時完成任務(wù)并不重要，因此不能應(yīng)用于諸如SAR之類的時間緊迫的應(yīng)用。

兩種路徑規(guī)劃方法分別是基本路徑規(guī)劃和探索路徑規(guī)劃，以優(yōu)化搜索救援任務(wù)的覆蓋范圍和連通性。這兩種策略都可以調(diào)整為優(yōu)先覆蓋范圍而不是連接，反之亦然。對于由三項任務(wù)組成的任務(wù)--搜索、通知和監(jiān)視--SICQ策略聯(lián)合優(yōu)化所有任務(wù)，而SIC+首先優(yōu)化搜索和通知，然后是監(jiān)視任務(wù)。

實驗結(jié)論

說明了聯(lián)合優(yōu)化比順序優(yōu)化有更好的結(jié)果，而不會顯著地影響任何任務(wù)。對于少數(shù)無人機，研究者觀察到任務(wù)完成時間的改善，當(dāng)更多的重量被分配給與連接相關(guān)的任務(wù)時。對于大量的無人機來說，對覆蓋相關(guān)的搜索任務(wù)給予更多的重視是更有利的。
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