تشکیل دسته های هواپیماهای بدون سرنشین مبتنی بر محدودیت

شیجینگ لیو1, کوین لام2, بلسان الکوز3, بابر شهزاد4, و اتمان بوگوتایا5 دانشکده علوم کامپیوتر, دانشگاه سیدنی استرالیا ایمیل: 1xliu4593@uni. sydney. edu. au, 2lamkevin042@gmail. com, 3balsam. alkouz@sydney. edu. au, 4babar. shahzaad@sydney. edu. au, 5athman. bouguettaya@sydney. edu. au

چکیده

ازدحام هواپیماهای بدون سرنشین برای تحویل همزمان چندین بسته مورد نیاز است. ما یک تحویل مبتنی بر ازدحام هواپیماهای بدون سرنشین چند مرحله ای را در یک شهر هوشمند نشان می دهیم. ما از شکل گیری پرواز برای صرفه جویی در انرژی و افزایش برد پرواز ازدحام هواپیماهای بدون سرنشین استفاده می کنیم. یک سازند تطبیقی نشان داده می شود که یک دسته با محدودیت های خارجی سازگار می شود و الگوی شکل گیری را در پرواز تغییر می دهد. ما از پشت بام های ساختمان موجود در یک شهر استفاده می کنیم و یک شبکه پل هوایی از دید ایجاد می کنیم تا با خیال راحت دسته ها را اداره کنیم. ما با استفاده از یک الگوریتم* مبتنی بر اکتشافی به مسیر ازدحام هواپیماهای بدون سرنشین در یک شبکه پل هوایی.

اصطلاحات شاخص:

من مقدمه

ازدحام هواپیماهای بدون سرنشین در طیف گسترده ای از کاربردها استفاده می شود که یک پهپاد ناکافی باشد [1] . ازدحام هواپیماهای بدون سرنشین می تواند به طور جمعی کارهای پیچیده را با کارایی بیشتر و کاهش هزینه انجام دهد [2] . به طور معمول در جستجو و نجات استفاده می شود, نمایش های اسکای, نظارت, و تحویل [3] [4]. تمرکز این مقاله بر استفاده از انبوه هواپیماهای بدون سرنشین برای تحویل چندین بسته به طور همزمان به یک مقصد است. از یک دسته تحویل برای دور زدن محدودیت های اعمال شده توسط مقررات فعلی پرواز استفاده می شود که فقط اجازه بهره برداری از هواپیماهای بدون سرنشین کوچک در شهرها را می دهد 1 1 1 https://www. faa. gov/uas/advanced_operations/package_delivery_drone . از این رو, تحویل بسته های چندگانه/سنگین تر به طور همزمان مستلزم استفاده از انبوه هواپیماهای بدون سرنشین, به عنوان هواپیماهای بدون سرنشین بزرگتر نمی توان مستقر. ازدحام در تحویل به عنوان گروهی از هواپیماهای بدون سرنشین تعریف می شود که با هم از یک منبع به مقصد حرکت می کنند تا به یک هدف مشترک یعنی تحویل بسته ها برسند [5] . عملیات تحویل ازدحام هواپیماهای بدون سرنشین توسط تعدادی از عوامل محدود می شود [6] . به عنوان مثال محدودیت های بار و باتری پهپادها به عنوان محدودیت های ذاتی در نظر گرفته می شود. شرایط جوی و در دسترس بودن پدهای شارژ در ایستگاه های شارژ محدودیت های خارجی است [7] . علاوه بر این, هر هواپیمای بدون سرنشین در ازدحام ممکن است یک محموله های مختلف و در نتیجه تغییر در نرخ مصرف باتری حمل. مسیریابی بهینه ازدحام هواپیماهای بدون سرنشین در یک شبکه پل هوایی باید تمام محدودیت های فوق را تامین کند.

شکل. در شکل 1 محیط عملیاتی معمولی ازدحام غرق در یک شبکه پل هوایی را به تصویر می کشد. پشت بام های ساختمان گره هایی را در شبکه پل هوایی نشان می دهند [8] . همچنین می توانند به عنوان پد شارژ عمل کنند. هر گره می تواند یک منبع, مقصد, و یا ایستگاه شارژ متوسط. بخشهای پل هوایی مسیرهای خط دید هستند که مستقیما دو گره را در دید یکدیگر به هم متصل می کنند [9] . ما در حال حاضر یک تعریف جدید از یک سرویس ازدحام هواپیماهای بدون سرنشین به عنوان تحویل بسته بین دو گره در امتداد یک بخش پل هوایی. ما فرض می کنیم که ازدحام ممکن است تشکل های مختلف برای بهینه سازی تحویل خدمات را.

شکل 1: زیرساخت شبکه پل هوایی

شکل گیری پرواز از رفتار طبیعی پرندگان و حشرات الهام گرفته شده است [10]. جنبه های مختلف شکل گیری پرواز مانند ایرودینامیک, کنترل, و حفاظت از انرژی, بر اساس پرندگان مهاجر مورد مطالعه قرار گرفته است [11] . با توجه به مطالعات متعدد, مهاجرت غازها صرفه جویی در انرژی با پرواز در شکل گیری پنجم شکل [11] . در این راستا اثر ایرودینامیکی پرواز سازند در انبوه پهپادها مورد بررسی قرار گرفته است. ازدحام هواپیماهای بدون سرنشین که در شکل گیری پرواز می کنند باعث صرفه جویی در انرژی ناشی از نیروهای درگ و بالابر ترجمه ای می شوند که توسط نیروهای شستشوی بالا/پایین شستشو از هواپیماهای بدون سرنشین همسایه فراهم می شود [10] . یک سازند مطلوب بیشترین انرژی را در شرایط خاص باد حفظ می کند و از این رو دامنه پرواز ازدحام را بهبود می بخشد. ما نشان می دهد ازدحام تطبیقی است که شکل گیری خود را تغییر می دهد بر اساس شرایط باد 2 2 2 نسخه ی نمایشی: https://youtu. be/NYv31r6zC_Y . هواپیماهای بدون سرنشین در یک سازند به دلیل دو عامل مقادیر مختلفی انرژی مصرف می کنند: محموله حمل شده و موقعیت در سازند [2] . هنگام برنامه ریزی مسیر نرخ های مختلف مصرف انرژی هواپیماهای بدون سرنشین را در یک دسته در نظر می گیریم.

سیستم تظاهرات دوم

دوم-اجزای سخت افزاری و راه اندازی لابراتوار

ما در حال حاضر یک محیط تست سرپوشیده برای استقرار تحویل هواپیماهای بدون سرنشین مبتنی بر ازدحام. تست در فضای باز ازدحام هواپیماهای بدون سرنشین مملو از خطر است. علاوه بر این, مقررات حمل و نقل هوایی محدود کردن استفاده از هواپیماهای بدون سرنشین در مناطق پرجمعیت [12] . از این رو, یک هواپیمای بدون سرنشین تست شده است به عنوان بخشی از تظاهرات ساخته شده (شکل. 2 ). این مجموعه شامل ساختمانهای چاپی 3 بعدی یک شهر است سی بی دی. فرض بر این است که هر پشت بام یک گره شارژ یا یک نقطه تحویل در یک شبکه پل هوایی است. ما از پنج هواپیمای بدون سرنشین دی جی ادو تلو استفاده می کنیم که به دلیل اندازه کوچک برای کار در داخل خانه ایمن هستند (شکل. 3 ). هواپیماهای بدون سرنشین تیو با یک سیستم موقعیت یابی چشم انداز مجهز (سرور مجازی). یک سرور مجازی به پهپاد اجازه می دهد تا زمین را در حین پرواز ترسیم کند و به او اجازه می دهد موقعیت خود را نسبت به زمین بداند. برای قرار دادن موقعیت یک هواپیمای بدون سرنشین سرور مجازی استخدام ترکیبی از امواج بصری و مافوق صوت است که منعکس کردن زمین. برای راه اندازی ازدحام, یک روتر/نقطه دسترسی مورد نیاز است برای برقراری ارتباط با تمام هواپیماهای بدون سرنشین در هنگام پرواز در ازدحام. دستورات ازدحام از طریق یک کد پایتون صادر می شود که از طریق روتر به هر یک از هواپیماهای بدون سرنشین تلو می رود. ابتدا هر پهپاد موجود در دسته را به صورت جداگانه پیکربندی کرده و روی حالت ایستگاه قرار می دهیم. ما از فرستنده بسته 3 3 3 استفاده می کنیم https://packetsender. com / نرم افزاری برای اتصال به وای فای تلو و قرار دادن تلو در حالت اس دی کی برای ارسال دستورات ازدحام.

شکل 2: مدل 3 بعدی شهر سی بی دی شکل 3: پهپاد تلو روی یک پد ماموریت

اجزای نرم افزار دوم-ب

چهار مولفه اصلی در برنامه نویسی یک گروه برای پرواز در شکل گیری در یک شبکه پل هوایی دخیل هستند. این مولفه ها (1) شبکه پل هوایی خط دید, (2) الگوریتم برنامه ریزی مسیر بهینه, (3) ساز و پرواز سازند, و (4) رابط نظارت بر ازدحام در زمان واقعی. هر یک از این اجزا در زیر شرح داده شده است.

دوم-ب 1 خط از دید پل هوایی شبکه

روش خط دید تقاطع ها با سایر ساختمانهای منطقه را بر اساس بررسی می کند ایکس,بله,ز مختصات ساختمانها. بالاترین نقطه ساختمان, جایی که ازدحام به طور کلی شناور و یا زمین برای شارژ, به عنوان نشان داده شده است ز مختصات. برای بررسی اینکه یک گره به طور مستقیم از گره فعلی قابل دسترسی است یا خیر, الگوریتم مبتنی بر اکتشافی چندین مرحله را اجرا می کند. ابتدا الگوریتم یک چند ضلعی مستطیلی برای عرض ازدحام داده شده ایجاد می کند که نمادی از مسیری است که ازدحام بین گره فعلی و گره هدف دنبال می کند. دوم اینکه تمام گره های ناحیه ای را که با این چند ضلعی تلاقی می کنند شناسایی می کند. این مرحله فقط صفحه خی گره را در نظر می گیرد. دو مرحله اول برای کاهش زمان پردازش تنها با در نظر گرفتن گره های بالقوه طراحی شده اند. سوم, یک چند ضلعی مثلثی با زاویه راست با استفاده از ارتفاع ایجاد می شود (الف مختصات) گره فعلی و گره هدف. با در نظر گرفتن تمام گره های بالقوه از مرحله دوم متوجه می شویم که این گره ها مسیر بین گره فعلی و گره هدف را مسدود می کنند یا خیر. اگر یک گره در بالای چند ضلعی مثلثی محاسبه شده در مرحله سه قرار دارد, سپس این گره مسیر را مسدود می کند. بنابراین هیچ مسیر خط دید بین گره های فعلی و هدف ایجاد نمی شود. در غیر این صورت, اگر گره نهفته در داخل یا زیر چند ضلعی, یک مسیر خط از دید ایجاد شده است. شکل. در شکل 4 شبکه پل هوایی خط دید محاسبه شده از پشت بام های ساختمان تست شده داخلی را نشان می دهد.

شکل 4: خط مسیرهای دید در یک شبکه هوایی با مناطق بدون پرواز

دوم-ب 2 الگوریتم برنامه ریزی مسیر بهینه

برنامه ریزی مسیر موثر تضمین می کند که ازدحام عبور شبکه در حداقل زمان بین منبع و مقصد. برای سادگی فرض می کنیم که محیط قطعی است یعنی در دسترس بودن لنت های شارژ و شرایط باد مشخص است. ما یک الگوریتم* مبتنی بر اکتشافی را برای بهینه سازی مسیر بین مبدا و مقصد پیاده سازی می کنیم. الگوریتم همچنین بهترین شکل گیری را در یک زمان خاص بر اساس شرایط باد و نتایج گزارش شده در [2] انتخاب می کند . ما فرض می کنیم که ازدحام ممکن است در پنج تشکل های مختلف شکل, به عنوان مثال, ستون, جلو, پله, وی, و الماس (شکل. 5 ). این ماژول یک مسیر بهینه فراهم می کند, که شامل شارژ گره, پرواز بیش از گره, و تغییرات شکل گیری در فواصل زمانی خاص.

شکل 5: تشکیلات مختلف پرواز ازدحام

سازوکار پرواز سازند دوم-ب 3

ما پیاده سازی پروازهای تشکیل مستقل با استفاده از هواپیماهای بدون سرنشین تیو با کمک پد ماموریت (شکل. 3 ). هواپیماهای بدون سرنشین خود را با استفاده از سیستم سرور مجازی است که بار خوانده شده پد ماموریت توزیع شده در محیط قرار دهید. هر پد ماموریت دارای یک الگوی منحصر به فرد و از این رو یک مختصات منحصر به فرد است. همانطور که ازدحام پدهای ماموریت را می خواند, زاویه چرخش خود را به سمت گره بعدی هدایت می کند. سپس ازدحام در یک مسیر مستقیم از دید پرواز می کند. هنگامی که یک دستورالعمل تغییر سازند دریافت, هواپیماهای بدون سرنشین مربوطه در ازدحام تنظیم مواضع خود را در رابطه با دیگر هواپیماهای بدون سرنشین به منظور تغییر شکل گیری.

دوم-ب 4 زمان واقعی ازدحام رابط مانیتورینگ

ما یک رابط کاربری ساده برای ردیابی ازدحام در طول عملیات تحویل ایجاد می کنیم. هنگامی که یک مسیر تعیین شده است با استفاده از الگوریتم برنامه ریزی مسیر بهینه, رابط نمایش گره از جمله گره شارژ. وضعیت باتری هر پهپاد برای ردیابی نیازهای شارژ مجدد هر پهپاد در ازدحام نشان داده شده است. تغییرات موقعیت و شکل گیری در زمان واقعی گزارش می شود. شکل. در شکل 6 رابط کاربری گرافیکی را در طول پرواز ازدحام هواپیماهای بدون سرنشین نشان می دهد.

شکل 6: رابط کاربری گرافیکی نظارت بر ازدحام در زمان واقعی

نتیجه گیری سوم

ما در حال حاضر یک نمونه اولیه را قادر می سازد تحویل هواپیماهای بدون سرنشین مبتنی بر ازدحام در یک محیط شهرستان متراکم. ما یک شبکه پل هوایی خط دید ایجاد می کنیم که عملیات تحویل مبتنی بر ازدحام هواپیماهای بدون سرنشین را امکان پذیر می کند. ما مناطق بدون پرواز را در نظر می گیریم که می تواند توسط دولت ها مشخص شود. الگوریتم ترکیب* مسیر مبتنی بر اکتشافی برای محاسبه مسیر بهینه از مبدا به مقصد از نظر زمان تحویل استفاده می شود. گروهی با بهره گیری از نشانه به کردهاید و موقعیت خود را در محیط تست سرپوشیده ساخته شده از یک سی بی دی شهرستان. ما نشان می دهیم که چگونه یک دسته هواپیمای بدون سرنشین شکل گیری خود را در پاسخ به تغییر شرایط باد برای کاهش مصرف انرژی و افزایش زمان پرواز تنظیم می کند. در نهایت یک رابط کاربری برای ردیابی ازدحام در حین عملیات تحویل طراحی شده است. ما قصد داریم الگوریتم های اجتناب از موانع را برای تامین موثر خدمات تحویل هواپیماهای بدون سرنشین در نظر بگیریم.