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基于动态载重的无人机任务分配与路径规划模型

王莉莉,  马梓杨

王莉莉, 马梓杨. 基于动态载重的无人机任务分配与路径规划模型[J]. 交通信息与安全, 2026, 44(4): 116-126. doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2026.04.011
引用本文: 王莉莉, 马梓杨. 基于动态载重的无人机任务分配与路径规划模型[J]. 交通信息与安全, 2026, 44(4): 116-126. doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2026.04.011
WANG Lili, MA Ziyang. Research on a UAV Task Allocation and Path Planning Model Based on Dynamic Payload[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2026, 44(4): 116-126. doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2026.04.011
Citation: WANG Lili, MA Ziyang. Research on a UAV Task Allocation and Path Planning Model Based on Dynamic Payload[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2026, 44(4): 116-126. doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2026.04.011

基于动态载重的无人机任务分配与路径规划模型

doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2026.04.011
基金项目: 

国家自然科学基金项目 52672450

详细信息
    通讯作者:

    王莉莉(1973—),博士,教授. 研究方向: 空域规划、空中交通管理等.E-mail:llwang317@163.com

  • 中图分类号: V279

Research on a UAV Task Allocation and Path Planning Model Based on Dynamic Payload

  • 摘要: 城市末端物流无人机配送受载重与电池容量限制,现有研究多采用固定载重与续航距离约束,难以反映多站点配送中载重递减对能耗计算与回路可行性的影响。针对单配送中心场景,将动态载重能耗计算嵌入任务分配与路径规划,构建以无人机固定使用成本、航程成本、能耗成本和时间窗违反成本之和最小为目标的模型。将该问题抽象为带软时间窗的容量车辆路径问题(capacitated vehicle routing problem with time windows,CVRPTW),按照站点访问顺序逐航段更新无人机剩余载重;将运行过程划分为垂直起飞、水平飞行和垂直降落3个阶段,考虑空气密度随高度变化和起降次数累积,建立动态载重分阶段能耗模型,将回路能耗成本纳入总经济成本。设计两阶段算法求解: 第一阶段设计改进A*算法搜索站点间最短避障路径,设计定向搜索和双向同步扩展策略减少无效搜索,经贪心剪枝形成距离矩阵;第二阶段基于该矩阵,设计改进C-WSA算法合并初始回路,将距离节约值扩展为4项成本的综合经济节约值,构造任务回路。仿真结果表明,模型形成7条可行配送回路,起降能耗占各回路总能耗的22.53%~30.20%。无能耗约束下航程缩短10.92%,但造成回路实际能耗超限不可行;在相同配送回路下,采用等效恒定载重与逐航段动态载重方式计算的总能耗相差16.38%,动态载重计算不可忽略。改进A*算法的搜索时间缩短了73.57%,改进C-WSA算法的总经济成本降低了26.38%~36.64%。

     

  • 图  1  末端物流配送示意图

    Figure  1.  Terminal logistics distribution diagram

    图  2  包裹投递示意图

    Figure  2.  Package delivery diagram

    图  3  A*算法原始搜索策略

    Figure  3.  Original search strategy of the A* algorithm

    图  4  A*算法改进搜索策略

    Figure  4.  Improved search strategy of the A* algorithm

    图  5  配送中心和配送站点分布

    Figure  5.  Distribution of the delivery center and delivery stations

    图  6  无人机任务分配与路径规划结果(平滑前)

    Figure  6.  UAV task allocation and path planning results (before smoothing)

    图  7  无人机任务分配与路径规划结果(平滑后)

    Figure  7.  UAV task allocation and path planning results (after smoothing)

    图  8  电池容量对相关参数的影响

    Figure  8.  The influence of battery capacity on related parameters

    图  9  栅格分辨率对相关指标的影响

    Figure  9.  The influence of grid resolution on related parameters

    图  10  障碍物栅格占比对相关指标的影响

    Figure  10.  The influence of obstacle grid ratio on related parameters

    图  11  站点规模对相关指标的影响

    Figure  11.  The influence of site size on related parameters

    表  1  无人机相关参数

    Table  1.   UAV related parameters

    参数 取值
    无人机空载质量Mu/kg 35
    最大载重$ W^{\max} $/kg 15
    最大电池容量$ B^{\max} $/(kW·h) 2.5
    平飞速度uc/(m/s) 10
    垂直起飞速度ut/(m/s) 4
    垂直降落速度ul/(m/s) 4
    单位架次无人机固定使用费用c1/(元/架次) 2
    单位距离无人机维护费用c2/(元/km) 0.5
    单位能耗无人机维护费用c3/(元/(kW·h)) 0.2
    提前时间惩罚因子γ1/(元/min) 1
    延迟时间惩罚因子γ2/(元/min) 1.5
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    表  2  无人机任务分配与路径规划结果

    Table  2.   UAV task allocation and path planning results

    序号 访问序列 初始载重/kg 时间窗违反成本/元 航程成本/元 能耗成本/元 起降能耗占比/% 总经济成本/元
    1 wh-n1-n3-n4-n6-n8-wh 14.3 8.95 4.10 0.50 26.63 15.55
    2 wh-n18-n27-n2-n5-n7-wh 14.0 5.04 3.62 0.43 29.17 11.08
    3 wh-n13-n14-n12-n11-n9-wh 14.4 0.86 4.24 0.48 26.00 7.58
    4 wh-n10-n26-n23-n21-wh 10.1 12.16 2.81 0.35 30.20 18.01
    5 wh-n28-n19-n17-wh 12.7 0.00 2.81 0.29 27.22 5.01
    6 wh-n16-n15-n30-n20-wh 10.1 2.22 4.33 0.46 22.57 8.90
    7 wh-n25-n24-n29-n22-wh 13.4 0.00 4.25 0.47 22.53 6.22
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    表  3  是否考虑能耗约束的任务分配与路径规划结果

    Table  3.   UAV task allocation and path planning results with and without the energy constrain

    序号 含能耗约束 无能耗约束
    访问次序 航程/km 总能耗/(kW·h) 访问次序 航程/km 总能耗/(kW·h)
    1 wh-n1-n3-n4-n6-n8-wh 8.19 2.48 wh-n1-n3-n4-n6-n8-n7-wh 8.58 2.77
    2 wh-n18-n27-n2-n5-n7-wh 7.23 2.15 wh-n13-n14-n12-n11-n9-n10-wh 8.59 2.69
    3 wh-n13-n14-n12-n11-n9-wh 8.47 2.42 wh-n5-n2-n27-n18-wh 6.02 1.78
    4 wh-n10-n26-n23-n21-wh 5.63 1.73 wh-n17-n16-n15-n30-n20-wh 9.87 2.82
    5 wh-n28-n19-n17-wh 5.61 1.44 wh-n28-n21-n23-n19-wh 4.86 1.49
    6 wh-n16-n15-n30-n20-wh 8.66 2.32 wh-n26-n25-n24-n29-n22-wh 8.66 2.59
    7 wh-n25-n24-n29-n22-wh 8.50 2.35
    合计 52.29 14.88 46.58 14.14
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    表  4  不同载重下能耗计算结果

    Table  4.   Energy consumption estimates from average-payload and dynamic-payload calculations

    序号 等效恒定载重 逐航段动态载重 能耗估算差距/%
    平飞能耗/(kW·h) 起降能耗/(kW·h) 总能耗/(kW·h) 平飞能耗/(kW·h) 起降能耗/(kW·h) 总能耗/(kW·h)
    1 2.20 0.71 2.91 1.82 0.66 2.48 14.82
    2 1.92 0.70 2.62 1.52 0.63 2.15 18.12
    3 2.12 0.70 2.82 1.79 0.63 2.42 14.34
    4 1.41 0.66 2.07 1.21 0.52 1.73 16.36
    5 1.31 0.43 1.74 1.05 0.39 1.44 17.28
    6 2.20 0.57 2.77 1.79 0.52 2.32 16.45
    7 2.22 0.64 2.86 1.82 0.53 2.35 17.74
    合计 17.80 14.88 16.38
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    表  5  寻路算法对比

    Table  5.   Algorithm comparison

    算法 算法性能
    路径节点数 生成节点数 扩展节点数 搜索时间/s
    改进A* 107 10 925 5 709 2.297 3
    A* 140 13 605 10 451 8.693 5
    GA 381 252 682 5 601 002 521.993 7
    RRT 121 12 936 13 421 2.373 1
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    表  6  任务分配算法对比

    Table  6.   Comparison of task allocation algorithms

    算法 任务架次 总航程/km 总能耗/(kW·h) 时间窗违反成本/元 总经济成本/元 运行时间/s
    改进C-WSA 7 52.29 14.88 29.23 72.35 4.24
    GA 8 58.34 15.97 49.92 98.28 9.24
    ACO 7 50.48 14.56 72.03 114.18 21.07
    PSO 8 59.43 16.26 63.09 112.06 13.66
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    表  7  栅格分辨率对算法性能的影响

    Table  7.   The effect of grid resolution on the quality of the solution

    栅格分辨率/m 算法性能
    路径节点数 生成节点数 扩展节点数 搜索时间/s
    50 138 13 816 7 438 4.440 8
    100 107 10 925 5 709 2.297 3
    200 104 7 793 3 764 1.164 9
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    表  8  障碍物栅格占比对算法性能的影响

    Table  8.   The influence of obstacle grid ratio on the quality of the solution

    障碍物栅格占比/% 算法性能
    路径节点数 生成节点数 扩展节点数 搜索时间/s
    5 107 10 925 5 709 2.297 3
    10 124 13 056 6 282 2.421 9
    15 136 15 010 7 346 3.892 1
    20 154 19 688 9 327 5.396 8
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    表  9  站点规模对算法性能的影响

    Table  9.   The influence of site size on the quality of the solution

    站点规模/个 算法性能
    路径节点数 生成节点数 扩展节点数 搜索时间/s
    30 107 10 925 5 709 2.297 3
    60 204 44 579 12 180 10.794 4
    90 338 79 080 22 630 31.129 7
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  • 收稿日期:  2026-01-07
  • 网络出版日期:  2026-11-06

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