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龍圖騰網(wǎng)恭喜南京航空航天大學(xué)申請(qǐng)的專利一種充電無人機(jī)為任務(wù)無人機(jī)空中充電的調(diào)度方法獲國家發(fā)明授權(quán)專利權(quán)，本發(fā)明授權(quán)專利權(quán)由國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授予，授權(quán)公告號(hào)為：CN114548663B 。

龍圖騰網(wǎng)通過國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局官網(wǎng)在2025-03-21發(fā)布的發(fā)明授權(quán)授權(quán)公告中獲悉：該發(fā)明授權(quán)的專利申請(qǐng)?zhí)?專利號(hào)為：202210019884.X，技術(shù)領(lǐng)域涉及：G06Q10/0631；該發(fā)明授權(quán)一種充電無人機(jī)為任務(wù)無人機(jī)空中充電的調(diào)度方法是由朱琨;楊佳設(shè)計(jì)研發(fā)完成，并于2022-01-10向國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交的專利申請(qǐng)。

本一種充電無人機(jī)為任務(wù)無人機(jī)空中充電的調(diào)度方法在說明書摘要公布了：本發(fā)明公開了一種充電無人機(jī)為任務(wù)無人機(jī)空中充電的調(diào)度方法，用于調(diào)度充電無人機(jī)為正在空中執(zhí)行任務(wù)的任務(wù)無人機(jī)進(jìn)行充電。該方法根據(jù)任務(wù)無人機(jī)的充電需求確定遠(yuǎn)程充電或近場充電方式，然后根據(jù)充電無人機(jī)的參與數(shù)量進(jìn)行分類建模計(jì)算，包括建立單個(gè)充電無人機(jī)進(jìn)行充電調(diào)度問題的模型和建立多個(gè)充電無人機(jī)進(jìn)行充電調(diào)度問題的模型進(jìn)行求解；最后基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)或多智能體強(qiáng)化學(xué)習(xí)的算法優(yōu)化充電無人機(jī)的充電調(diào)度策略，充電無人機(jī)根據(jù)優(yōu)化的策略和當(dāng)前環(huán)境的狀態(tài)以進(jìn)行決策，根據(jù)充電調(diào)度指令完成任務(wù)無人機(jī)的充電。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了任務(wù)無人機(jī)任務(wù)完成時(shí)間最短，對(duì)任務(wù)無人機(jī)的公平充電和充電無人機(jī)的充電調(diào)度策略優(yōu)化。

本發(fā)明授權(quán)一種充電無人機(jī)為任務(wù)無人機(jī)空中充電的調(diào)度方法在權(quán)利要求書中公布了：1.一種充電無人機(jī)為任務(wù)無人機(jī)空中充電的調(diào)度方法，該方法用于調(diào)度充電無人機(jī)為執(zhí)行任務(wù)中的任務(wù)無人機(jī)進(jìn)行充電，其特征在于：所述調(diào)度方法包括如下步驟：1根據(jù)任務(wù)無人機(jī)的充電需求信息確定充電方式，充電需求信息包括充電無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的環(huán)境障礙、地點(diǎn)、動(dòng)作及飛行數(shù)據(jù)，充電方式包括近場充電和遠(yuǎn)場充電，近場充電中充電無人機(jī)基于任務(wù)無人機(jī)搭載的無線充電平臺(tái)進(jìn)行電感耦合或磁共振耦合無線充電，遠(yuǎn)場充電是由充電無人機(jī)通過RF射頻或激光實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化充電；該步驟對(duì)于存在有n個(gè)任務(wù)無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，則表示為M＝{Mi|t＝1，2，...，n}，任務(wù)無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的環(huán)境中障礙物表示為B＝{Bi|i＝1，2，...，n}，無人機(jī)的執(zhí)行任務(wù)的地點(diǎn)表示為P＝{Pi|i＝1，2，...，n}，任務(wù)無人機(jī)Mi在t時(shí)刻的動(dòng)作為動(dòng)作包括懸停狀態(tài)或飛行狀態(tài)，其飛行過程中飛行方向?yàn)轱w行速度為v；執(zhí)行充電任務(wù)的充電無人機(jī)表示為C＝{Ci|i＝1，2，...，m}，充電無人機(jī)Ci在t時(shí)刻的動(dòng)作為動(dòng)作包括懸停狀態(tài)或飛行狀態(tài)，其飛行過程中飛行方向?yàn)轱w行速度為v；2根據(jù)任務(wù)無人機(jī)的充電需求和任務(wù)類型建立單個(gè)充電無人機(jī)進(jìn)行充電調(diào)度間題的模型，并基于DDPG算法優(yōu)化單個(gè)充電無人機(jī)的充電調(diào)度策略；單個(gè)充電無人機(jī)給任務(wù)無人機(jī)的充電決策過程可建模成馬爾可夫決策過程，其模型表述為M＝S，A，P，R，γ，其表達(dá)式與參數(shù)含義如下：S表示環(huán)境的狀態(tài)空間，所述狀態(tài)空間為充電無人機(jī)根據(jù)觀察到的狀態(tài)采取行動(dòng)集合，為無限集，包括充電任務(wù)過程中所有可能的狀態(tài)，時(shí)刻t的狀態(tài)空間表示為St，每個(gè)狀態(tài)由充電無人機(jī)當(dāng)前的位置坐標(biāo)、任務(wù)無人機(jī)的剩余能量、充電無人機(jī)累積被能量以及任務(wù)無人機(jī)的工作狀態(tài)組成，包括充電狀態(tài)和移動(dòng)狀態(tài)；A表示任務(wù)無人機(jī)的動(dòng)作空間，包含充電無人機(jī)在執(zhí)行充電任務(wù)過程中可能采取的所有動(dòng)作，充電無人機(jī)在時(shí)刻t采取的行動(dòng)由表示，充電無人機(jī)的每個(gè)動(dòng)作都包含移動(dòng)方向和充電目標(biāo)，移動(dòng)方向的動(dòng)作空間是連續(xù)的，充電目標(biāo)是充電無人機(jī)正在或者將來提供充電的對(duì)象；P表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，所述的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率定義為在時(shí)刻t，給定充電無人機(jī)在當(dāng)前狀態(tài)St采取特定動(dòng)作At，充電無人機(jī)到達(dá)下一個(gè)可能狀態(tài)St+1的概率，P：St×At→St+1，且充電無人機(jī)做出的不同動(dòng)作會(huì)以不同方式改變充電無人機(jī)的狀態(tài)；R表示獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)，獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)St×At→Rt+1，計(jì)算的是充電執(zhí)行動(dòng)作At后它的狀態(tài)從St轉(zhuǎn)換為St+1所獲得的獎(jiǎng)勵(lì)值；γ表示折扣因子，γ∈[0，1]，決定未來獎(jiǎng)勵(lì)對(duì)當(dāng)前即時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)的影響程度；該步驟中，對(duì)于單個(gè)充電無人機(jī)進(jìn)行充電調(diào)度問題的模型，當(dāng)任務(wù)無人機(jī)完成任務(wù)并返回出發(fā)點(diǎn)時(shí)表示任務(wù)完成，任務(wù)無人機(jī)Mi的任務(wù)完成時(shí)間為Ti，Ti＝Tmi+Tci+Twi，其中Tmi表示移動(dòng)所花費(fèi)的總時(shí)間，Tci是執(zhí)行任務(wù)所花費(fèi)的時(shí)間，Twi表示任務(wù)無人機(jī)等待充電無人機(jī)充電所花費(fèi)的總時(shí)間；充電無人機(jī)采取行動(dòng)At后它的狀態(tài)從St轉(zhuǎn)換為St+1所獲得的獎(jiǎng)勵(lì)值的計(jì)算方式包括如下過程：根據(jù)任務(wù)無人機(jī)預(yù)先規(guī)劃的行進(jìn)路徑和任務(wù)，設(shè)定任務(wù)無人機(jī)可以被充電無人機(jī)按時(shí)充電則持續(xù)保持工作，定義獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)使充電無人機(jī)選擇合理的充電目標(biāo)和移動(dòng)方向；充電無人機(jī)在t時(shí)刻的執(zhí)行動(dòng)作獲得的獎(jiǎng)勵(lì)值設(shè)計(jì)如下：rt＝Rct+Rmt-Pl-PbRct表示在t時(shí)段內(nèi)成功給任務(wù)無人機(jī)充電所獲得的獎(jiǎng)勵(lì)，定義如下： 如果充電無人機(jī)未給任務(wù)無人機(jī)充電，則獎(jiǎng)勵(lì)為零，若進(jìn)行了充電，將產(chǎn)生正獎(jiǎng)勵(lì)；如果充電無人機(jī)在大于Emi的情況下給任務(wù)無人機(jī)Mi充電，則獎(jiǎng)勵(lì)Rct為零；Rct中的Et是表示t時(shí)刻的充電量，Rc是一個(gè)正偏移量，用于鼓勵(lì)充電無人機(jī)花費(fèi)更多時(shí)間用于充電，ft表示充電無人機(jī)對(duì)每個(gè)任務(wù)無人機(jī)充電的公平性； 為任務(wù)無人機(jī)在t時(shí)刻的剩余能量，Em＝{Em1，Em2...Emn}表示任務(wù)無人機(jī)完成任務(wù)所需的估計(jì)最小充電量的集合，表示任務(wù)無人機(jī)從時(shí)刻1到t的累積充電量，公平性因子ft由Jain公平指數(shù)計(jì)算，其計(jì)算表達(dá)式如下：ft＝wffct+1-wffrt wf為權(quán)重值，Rct中的Rmt用于鼓勵(lì)充電無人機(jī)朝向任務(wù)無人機(jī)的位置移動(dòng)；因Rmt與目標(biāo)任務(wù)無人機(jī)的剩余能量水平呈負(fù)相關(guān)，約定剩余電量較少的任務(wù)無人機(jī)具有高優(yōu)先級(jí)充電，wd和we為負(fù)值；充電無人機(jī)與任務(wù)無人機(jī)之間的相對(duì)距離變小時(shí)或者充電目標(biāo)的電量越小，Rmt越大，以此來引導(dǎo)充電無人機(jī)靠近任務(wù)無人機(jī)，其中Rmt的計(jì)算公式如下： 其中Dit是充電無人機(jī)和任務(wù)無人機(jī)之間的歐幾里得距離Mi，而是Mi在t時(shí)刻的剩余能量，當(dāng)充電無人機(jī)為任務(wù)無人機(jī)充電時(shí)，Rmt設(shè)置為零；Pl表示如果充電無人機(jī)未能將任何任務(wù)無人機(jī)的剩余能量保持在安全閾值Eth以上，則對(duì)充電無人機(jī)的懲罰，Eat為任務(wù)無人機(jī)平均剩余電量，p為固定正值，其表達(dá)式如下： Pb是充電無人機(jī)飛出邊界或撞到環(huán)境中的障礙時(shí)對(duì)充電無人機(jī)的懲罰；3根據(jù)任務(wù)無人機(jī)的充電需求和任務(wù)類型建立多個(gè)充電無人機(jī)進(jìn)行充電調(diào)度問題的模型，并基于MADDPG算法優(yōu)化多個(gè)充電無人機(jī)的充電調(diào)度策略；該步驟在建立多個(gè)充電無人機(jī)進(jìn)行充電調(diào)度問題的模型中，對(duì)于同時(shí)調(diào)度多個(gè)充電無人機(jī)的過程建模成一個(gè)馬爾可夫博弈M＝S，A，T，R，O，γ；S表示狀態(tài)空間，時(shí)刻t的狀態(tài)是St，包括了所有無人機(jī)在環(huán)境中的狀態(tài)；A表示動(dòng)作空間，多個(gè)充電無人機(jī)在時(shí)刻t采取的行動(dòng)由表示；T表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)T：環(huán)境中，所有的充電無人機(jī)同時(shí)采取動(dòng)作，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響；R表示獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)，獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)計(jì)算的是充電無人機(jī)Ci執(zhí)行動(dòng)作后它的狀態(tài)從轉(zhuǎn)換為所獲得的獎(jiǎng)勵(lì)值；O表示觀察集合：觀察是指充電無人機(jī)從自己的角度對(duì)環(huán)境的感知，充電無人機(jī)根據(jù)自己對(duì)環(huán)境的觀察進(jìn)行決策，表示所有充電無人機(jī)在時(shí)間t的觀測集合；γ為折扣因子，γ∈[0，1]，決定未來獎(jiǎng)勵(lì)對(duì)當(dāng)前即時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)的影響程度；該步驟中，對(duì)于多個(gè)充電無人機(jī)進(jìn)行充電調(diào)度問題的模型中，充電無人機(jī)Ci在t時(shí)刻的獎(jiǎng)勵(lì)設(shè)計(jì)如下： 定義如下： ft表示公平性因子； 的計(jì)算公式如下： 其中Di，jt是充電無人機(jī)Ci和任務(wù)無人機(jī)Mj之間的歐幾里得距離，是任務(wù)無人機(jī)Mj在時(shí)間t的剩余電量，wd和we是調(diào)整的負(fù)系數(shù)；Pl表示如果充電無人機(jī)未能將任何任務(wù)無人機(jī)的剩余能量保持在安全閾值Eth以上，則對(duì)充電無人機(jī)的懲罰；Pb是充電無人機(jī)飛出邊界或撞到環(huán)境中的障礙時(shí)的懲罰；4以任務(wù)無人機(jī)完成任務(wù)的時(shí)間最短為目標(biāo)，基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)或多智能體強(qiáng)化學(xué)習(xí)優(yōu)化充電無人機(jī)的充電調(diào)度策略，充電無人機(jī)向通過訓(xùn)練得到的actor網(wǎng)絡(luò)輸入當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行決策，根據(jù)actor網(wǎng)絡(luò)輸出的充電調(diào)度指令完成對(duì)任務(wù)無人機(jī)的充電。

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