2022 IEEE TII，基于改进混合差分进化算法的工业仓库无人机盘点任务规划-云帆数科

目录1.摘要2.研究背景与任务场景3.无人机盘点轨迹规划模型4.仿真与实验结果5.参考文献6.算法辅导·应用定制·读者交流1.摘要烟草企业需要频繁盘点成品、原辅材料高位货架和复杂堆放环境使人工操作低效且易出错。论文面向搭载 RFID 读写器的四旋翼无人机建立同时考虑三维运动受力、续航、升降速度、RFID 识别距离与角度以及盘点唯一性的轨迹规划模型以单位航程能耗效率与单位货物盘点时间的乘积为目标。2.研究背景与任务场景RFID 具有非接触、自动识别和安全性高等特点但成品烟仓库多采用高位立体货架原辅材料仓库又存在堆放杂乱、位置频繁变化等问题手持设备难以兼顾效率和覆盖率。无人机可携带便携式 RFID 读写器接近标签但载荷会缩短续航因此轨迹不能只追求几何距离最短还要反映不同飞行方向下推力、功率和盘点停留造成的能耗差异。论文研究单架轻型四旋翼无人机在室内仓库中的三维盘点任务。无人机沿规划轨迹飞行在满足 RFID 识别范围和天线方向约束时读取每件货物标签。原辅材料仓库环境不规则初始可行轨迹由 RRT 分段生成成品烟仓库货架排列规则轨迹点的平面坐标固定只优化高度。3.无人机盘点轨迹规划模型运动与能耗模型模型假设仓库封闭、空气密度和阻力系数恒定不考虑风扰无人机在每段轨迹内以恒定水平速度和恒定垂直速度飞行转弯能耗约占轨迹段能耗的 0.12%因此忽略为保证 RFID 标签响应无人机每飞行 1 m 悬停 0.3 s。实验依据表明在固定输出电压下四旋翼功率负载可近似为常数因而总升力F FF与总功率P PP满足F k P , f 1 2 c ρ S v 2 , FkP, f\frac{1}{2}c\rho Sv^2,FkP,f21cρSv2,其中k kk为比例常数f ff为空气阻力c cc、ρ \rhoρ、S SS和v vv分别为空气阻力系数、空气密度、迎风面积与飞行速度。水平、上升、下降和悬停所需总升力F L j f L j 2 G 2 , F R j f R j G , F D j G − f D j , F H G . F_{Lj}\sqrt{f_{Lj}^{2}G^{2}},\qquad F_{Rj}f_{Rj}G,\qquad F_{Dj}G-f_{Dj},\qquad F_HG.FLjfLj2G2,FRjfRjG,FDjG−fDj,FHG.飞行与 RFID 约束轨迹需满足最大上升速度v R max ⁡ v_{R\max}vRmax、最大下降速度v D max ⁡ v_{D\max}vDmax和最长飞行时间T max ⁡ T_{\max}Tmaxv R j ≤ v R max ⁡ , v D j ≤ v D max ⁡ , ∑ j t j ≤ T max ⁡ . v_{Rj}\leq v_{R\max},\qquad v_{Dj}\leq v_{D\max},\qquad \sum_j t_j\leq T_{\max}.vRj≤vRmax,vDj≤vDmax,j∑tj≤Tmax.若第i ii个 RFID 标签中心为C i ( x i , y i , z i ) C_i(x_i,y_i,z_i)Ci(xi,yi,zi)无人机盘点位置为U i ( x i ′ , y i ′ , z i ′ ) U_i(x_i,y_i,z_i)Ui(xi′,yi′,zi′)则识别距离和天线方向需满足( x i − x i ′ ) 2 ( y i − y i ′ ) 2 ( z i − z i ′ ) 2 ≤ R max ⁡ , \sqrt{(x_i-x_i)^2(y_i-y_i)^2(z_i-z_i)^2}\leq R_{\max},(xi−xi′)2(yi−yi′)2(zi−zi′)2≤Rmax,0 ≤ cos ⁡ ⁣ ( n ⃗ , C i U i → ) ≤ cos ⁡ φ max ⁡ . 0\leq \cos\!\left(\vec n,\overrightarrow{C_iU_i}\right)\leq \cos\varphi_{\max}.0≤cos(n,CiUi)≤cosφmax.优化目标单位轨迹长度的能耗效率比K KK同时计入各轨迹段升力产生的飞行能耗和每米 0.3 s 的悬停能耗K 1 k ⋅ ∑ j 1 n ( F L j F R j F D j ) t j F H ⋅ 0.3 ∑ j 1 n l j ∑ j 1 n l j . K\frac{1}{k}\cdot \frac{\sum_{j1}^{n}(F_{Lj}F_{Rj}F_{Dj})t_jF_H\cdot0.3\sum_{j1}^{n}l_j} {\sum_{j1}^{n}l_j}.Kk1⋅∑j1nlj∑j1n(FLjFRjFDj)tjFH⋅0.3∑j1nlj.单位货物盘点时间定义为T ∑ j 1 n t j ∑ i 1 N ψ i , T\frac{\sum_{j1}^{n}t_j}{\sum_{i1}^{N}\psi_i},T∑i1Nψi∑j1ntj,最终以二者乘积最小为目标min ⁡ f K T . \min fK\,T.minfKT.4.仿真与实验结果实验依据红云红河集团实际仓库建模。原辅材料仓库尺寸为60 × 60 × 8 60\times60\times860×60×8m面积 3600 m²成品烟仓库尺寸为100 × 100 × 15 100\times100\times15100×100×15m面积 10000 m²。成品场景选取 6 组长 20 m、宽 3 m、高 12 m 的货架货架间距 4 m。BRA-01SR 宽带圆极化定向 RFID 天线在两类环境中的实测最大扫描距离分别为 6.58 m 和 5.93 m模型统一采用R max ⁡ 5 R_{\max}5Rmax5m、φ max ⁡ 120 ∘ \varphi_{\max}120^\circφmax120∘。比较算法包括 DE、LSO、PSO、WOA 和 RRT。5.参考文献Liu, H., Chen, Q., Pan, N., Sun, Y., An, Y., Pan, D. “UAV Stocktaking Task-Planning for Industrial Warehouses Based on the Improved Hybrid Differential Evolution Algorithm.” IEEE Transactions on Industrial Informatics, 18(1), 582–591, 2022.6.算法辅导·应用定制·读者交流xx

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