一种无人机物流集群配送规划系统及其规划方法

本发明涉及物流配送，尤其涉及一种无人机物流集群配送规划系统及其规划方法。

背景技术：

1、早在2013年，电商巨头亚马逊宣布了使用无人机来完成派送订单的想法，随后dhl、federal express和ups等物流巨头纷纷展开无人机配送实验，国内如顺丰和京东也在无人机配送领域积极开拓，取得了业界的广泛认同。但现有的无人机配送通常只用来进行单点配送，且其优势最终还是受到负载能力小、续航差的约束。

2、如cn115271175a现有技术公开了一种无人机与卡车物流配送路径优化方法及系统，不同于传统车辆路径问题，无人机与卡车的联合配送路径优化需要考虑无人机运行的特点，如起飞点、降落点、更换电池和补货等，这些条件使得问题的求解更为复杂，此外，现有的车辆搭载无人机配送的相关研究中，无人机的单次起飞只负责一个客户点的配送服务，并且卡车需要在原地等待无人机返航，这无疑拉低了无人机运力的利用率和总体配送效率。

3、另一种典型的如cn115018412a的现有技术公开的一种集群式无人机协同配送方案的优化方法及系统，现有技术中，已经出现了通过卡车运输多个无人机，并在卡车行进过程中无人机实时飞出完成配送任务，并根据卡车行进的速度在预定的地点返回卡车的技术方案。但是，这种方案存在以下技术缺陷：一是无人机的电池续航相对较差，在实际调度的过程中难以实现精准地速度规划；二是无人机配送无法保证接收快递的人员的响应积极性，从而无法预测无人机的等待时间，因此很难确定无人机的返回时间；三是一旦无人机出现故障，由于路径本身是动态的，在无人机回收的过程中也会出现较大的难度。

4、为了解决本领域普遍存在路径规划不精准、无法协同配合、无法进行集群工作、配送效率低和智能程度低等等问题，作出了本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对目前所存在的不足，提出了一种基于大数据的无人机物流集群配送规划系统及其方法。

2、为了克服现有技术的不足，本发明采用如下技术方案：

3、一种无人机物流集群配送规划系统，所述无人机物流集群配送规划系统包括服务器、物流包裹、以及至少一架无人机，所述无人机物流集群配送规划系统还包括路径规划模块、无人机控制模块、集群协调模块，所述服务器分别与所述路径规划模块、所述无人机控制模块、所述集群协调模块连接；

4、所述路径规划模块获取配送任务的数据，并对配送任务进行路线规划，所述无人机控制模块根据所述路径规划模块输出配送的规划路径，控制无人机执行配送任务，并监控无人机的实时状态，所述集群协调模块根据所述无人机控制模块采集得到的无人的实时状态，对至少一架无人机进行协调，以将配送任务进行切换和任务分配；

5、所述路径规划模块包括飞行数据获取单元和路径规划单元，所述飞行数据获取单元获取所述配送任务相关联的目标配送地点，并调用所述目标配送地点相关联区域的飞行地图数据，将所述地图数据划分为至少一个网格，每个网格都有一个安全级别，级别高的网格对应更危险的区域，其中，将网格的安全级别作为权重；

6、所述路径规划单元获取飞行数据获取单元的数据，并根据下式计算配送任务相关联的所述目标配送地点的所有所述无人机飞行路线的路线规划指数fitness：

7、

8、式中，max_duratio为所述无人机的最大飞行续航能力，n为配送点的总数，d[i][j]为所述无人机从配送点i到配送点j的飞行距离，w[i][j]为所述无人机从配送点i飞往配送点j的路线上的气候条件权重，a[i][j]为所述无人机从配送点i飞往配送点j的路线上的安全级别权重，v为所述无人机在所述网格中允许飞行的速度；

9、将配送任务相关联的所述目标配送地点的所有所述无人机飞行路线的路线规划指数fitness进行排序，并将规划指数fitness排名高对应的路线作为配送任务的配送飞行路线。

10、可选的，所述无人机控制模块包括电量监控单元、速度监测单元和位置定位单元，所述电量监控单元对所述无人机的电量进行监控，所述速度监测单元对所述无人机飞行速度进行监测，所述位置定位单元采集所述无人机的实时位置；

11、所述位置定位单元包括gps传感器和数据传输器，所述gps传感器采集所述无人机的实时位置数据，所述数据传输器将所述gps传感器采集得到的定位数据传输至所述服务器的数据库中进行存储。

12、可选的，所述集群协同模块包括交互单元和任务流转单元，所述交互单元用于对相邻近的所述无人机进行交互，所述任务流转单元对经过交互的所述无人机之间进行任务的流转；

13、所述交互单元包括身份核验器和交互传输器，所述交互传输器用于对相邻近的所述无人机之间进行交互，并接收相邻近的所述无人机发出的交互请求，所述身份核验器根据所述交互传输器传输的交互请求进行核验，若核验通过则建立配对关系；

14、其中，建立起配对关系的两个无人机进行配送任务的流转。可选的，所述无人机的最大飞行续航能力max_duratio根据下式进行计算：

15、

16、式中，mload0为所述无人机无负载时的最大飞行续航能力，agratio为电池老化的折扣系数，其值根据经验取得，teratio为温度系数，其值根据经验取得，load为无人机实际的负载，max_load为无人机的最大负载能力,loaddr为满载时的飞行续航能力与无负载时的飞行续航能力的比例。可选的，所述身份核验器对所述交互请求的核验步骤包括：

17、s1、从其他无人机接收到交互请求，其中，所述交互请求包含请求发送者的身份信息；

18、s2、所述无人机需要检查交互请求中的身份信息，以验证所述身份信息的格式是否正确，若所述身份信息的格式不正确，则表明不是集群无人机；

19、s3、所述无人机需要验证身份信息的准确性，其中，所述无人机向服务器发送一个验证请求，所述验证请求中包含从所述交互请求中获取的身份信息，所述服务器会返回一个响应，以告诉所述无人机的身份信息是否有效；

20、s4、如果身份信息被确认为有效，那么身份核验就通过了，所述无人机继续与请求发送的无人机进行通信；

21、如果所述无人机的身份信息被确认为无效，所述无人机的身份核验就失败了，所述无人机拒绝与请求发送的无人机进行进一步的通信。

22、可选的，所述任务流转单元获取所述无人机的状态向量su和流转任务的需求向量rv，并根据下式计算交互的所述无人机执行流转任务的成本指数cost(su，rv)：

23、

24、式中，d(s_u,r_v)是交互的无人机u从当前位置飞到流转任务v的目的地的距离，r_v为所述流转任务v的货物重量，e_u是交互的无人机u的当前电量，risk(s_u,r_v)是交互的无人机u执行任务v的风险，k为转换系数，其值由系统设定，k×e_u为交互的所述无人机的剩余运载能力，max_distance为交互的所述无人机的最大有效飞行距离，其值基于无人机的设计规格和实际飞行经验来确定，max_load为交互的无人机的最大有效载荷，其值基于无人机的设计规格和实际飞行经验来确定，max_risk为预先设定的风险上限，其值由系统根据流转任务对应的区域设定，η为运载能力权重因子，λ为风险权重因子；

25、若交互的所述无人机执行流转任务的成本指数cost(su，rv)低于设定的监控阈值range，则不允许所述无人机接受流转的任务，更换新的且满足成本指数cost(su，rv)高于设定的监控阈值range的无人机执行流转的任务。

26、另外，本发明提供一种无人机物流集群配送规划方法，所述无人机物流集群配送规划方法包括以下步骤：

27、s11、接收无人机集群的配送任务，将每个配送任务解析为一个或多个配送点，每个配送点包括配送的目标地点和货物信息；

28、s12、根据配送任务，考虑无人机的飞行续航能力、飞行安全限制和气候条件，对所有与目标配送地点的配送路径计算路线规划指数fitness，并根据路线规划指数fitness对配送路线进行排序，并选择排序高的配送飞行路线；

29、s13、所述无人机控制模块对所述无人机的状态进行采集，若执行任务的无人机无法完成任务时，则进行交互和身份验证，验证通过后触发集群协调模块进行协调操作，以将配送任务进行流转；

30、s14、对建立配对关系的所述无人机进行成本指数cost(su，rv)的计算，若交互的所述无人机执行流转任务的成本指数cost(su，rv)低于设定的监控阈值range，则不允许所述无人机接受流转的任务，更换新的无人机，并跳至步骤s13-s14

31、其中，接受流转任务的所述无人机需要满足成本指数cost(su，rv)高于设定的监控阈值range。

32、可选的，所述无人机物流集群配送规划方法还包括；接受流转任务的所述无人机需要将自身的状态数据向所述服务器进行传输，若自身的状态无法满足配送要求，则触发配送任务的再次流转。

33、可选的，所述无人机物流集群配送规划方法还包括；在配送区域中的无人机设置至少一辆航母车，以承担至少一架无人机的停放。

34、可选的，所述无人机物流集群配送规划方法还包括；至少一辆航母车中设有配送物流包裹的存放区域，以使得所述无人机将欲要配送的所述物流包裹进行抓取后，将所述物流包裹配送至目标配送地点。

35、本发明所取得的有益效果是：

36、1.通过无人机控制模块和集群协同模块的配合，使得无人机根据自身的位置和续航能力确定是否符合执行流转任务的条件，保证物流配送的可靠性和安全性；

37、2.通过交互单元对无人机的身份进行验证，使得无人机之间交互的安全，防止物流配送出现错漏，提升整个物流配送的安全性和可靠性；

38、3.通过交互单元和任务流转单元的配合，使得无人机集群之间的配送任务能够接替完成，保证无人机之间具有高的交互性，也使得整个系统能够准确且高效的将物流包裹派送的可靠性和便捷性；

39、4.通过航母车与无人机集群的配合使用，能够缩短了无人机配送的距离，也兼顾对无人机物流配送效率。