[发明专利]一种多约束下的多移动机器人电源换电站设置规划方法

权利要求书

1.一种多约束下的多移动机器人电源换电站设置规划方法，包括r个移动机器人执行各自的任务，每个移动机器人的路径包括起始点——目标点——电源换电站——起始点，L₁，L₂，...，L_r表示r个移动机器人中每个移动机器人的路径，n个移动机器人电源换电站，其特征在于，C_j，q矩阵表示电源换电站信息矩阵，其中j取值从1至n，共n行，q取值从1至4，共4列，前三列表示电源换电站位置信息，第四列表示电源换电站使用次数信息，一种多约束下的多移动机器人电源换电站设置规划方法，具体流程步骤如下：

步骤1.1：移动机器人电源换电站信息矩阵标定，通过A*算法计算得r个移动机器人中每个移动机器人的路径，记为L₁，L₂，...，L_r；n个电源换电站满足r个移动机器人到达目标点完成任务后经电源换电站更换电池后再回到起始点，即每个移动机器人的路径包括起始点——目标点——电源换电站——起始点；

步骤1.2：移动机器人电源换电站使用约束标定，为了避免造成资源浪费，要求每个被设置的电源换电站必须被使用，电源换电站信息矩阵C_j，q矩阵中第四列表示电源换电站使用次数信息均是大于或等于1的自然数，不存在0次，即电源换电站信息矩阵Cj，q矩阵中第四列电源换电站使用次数乘积必须大于零，约束关系标定如下：

式中：C_j，4——电源换电站信息矩阵C中第j行，第4列；

步骤1.3：移动机器人实际行驶能量消耗约束标定，每个移动机器人i从起始点电池所具有的能量必须足够到达目标点完成任务后，且能行驶到规划的电源换电站，但不满足从起始点到达目标点，再返回起始点；在电源换电站更换电源后有足够电量返回起始点，具体约束要求标定如下：

且

式中：i＝1，2，...，r，——移动机器人i从起始点到达目标点消耗的能耗；——移动机器人i从目标点到达规划的电源换电站消耗的能耗；

E——移动机器人从起始点电源所具备的能量；——移动机器人i从规划的电源换电站返回起始点消耗的能耗；

计算移动机器人i实际行驶能量消耗惩罚为G_i，计算公式：

计算r个移动机器人总的实际行驶能量消耗惩罚为

移动机器人的路径中的能耗取决因素之一作业路径距离，其中基于欧几里得距离公式计算目标点和规划的电源换电站距离，其计算公式如下：

式中：D_(Ei，Cj)——移动机器人i目标点Ei到达规划的电源换电站Cj的水平欧几里得距离；Ei_x——移动机器人i目标点Ei位置横坐标；Ei_y——移动机器人i目标点Ei位置纵坐标；Cj_x——电源换电站Cj位置横坐标；Cj_y——电源换电站Cj位置纵坐标；

步骤1.4：移动机器人电源换电站之间距离约束标定，当设置不止一个电源换电站时，即n大于等于2，为防止堵塞造成不必要的能耗及等待时间代价，电源换电站设置时要保证每个电源换电站之间有一定的安全距离Ds，要求任意两个电源换电站之间必须不小于安全距离Ds，具体约束标定如下：

且n≥2

式中：d_p，q——电源换电站p与电源换电站q之间的距离，要求有1≤p≤n，1≤q≤n，p≠q；

步骤1.5：移动机器人电源换电站位置布置约束标定，电源换电站必须设置在平地位置，且并处于栅格点上，要求电源换电站信息矩阵Cj，q矩阵中第1列C_j，1和2列C_j，2电源换电站水平位置信息为自然数N，第3列C_j，3电源换电站高度位置信息为0，具体约束标定如下：

步骤1.6：移动机器人电源换电站配置成本代价约束标定，电源换电站配置成本代价惩罚G_C计算如下：

G_C＝n×ΔG_c

式中ΔG_C——每个电源换电站设置的配置成本代价惩罚；

步骤1.7：移动机器人电源换电站更换电源等待成本代价约束标定，电源换电站更换电源等待成本代价惩罚G_w计算如下：

G_w＝t_w×ΔG_w

式中t_w——整个作业过程中，移动机器人换电源排队等待总时间；ΔG_C——单位时间等待代价惩罚；

步骤1.8：建立移动机器人电源换电站设置规划目标函数模型，以r个移动机器人总的实际行驶能量消耗惩罚移动机器人电源换电站配置成本代价惩罚G_C、移动机器人电源换电站更换电源等待成本代价惩罚G_w的总惩罚G最小为目标，即min(G)，移动机器人电源换电站设置规划目标函数模型如下：

式中α、β、γ分别为r个移动机器人总的实际行驶能量消耗惩罚移动机器人电源换电站配置成本代价惩罚G_C、移动机器人电源换电站更换电源等待成本代价惩罚G_w调整因子系数；

步骤1.9：执行改进遗传算法模块，其步骤如下：

步骤2.1：初始种群以及参数设置；

步骤2.2：计算适应度函数值，并分析个体的优劣；

步骤2.3：调用步骤1.3中r个移动机器人总的实际行驶能量消耗惩罚调用步骤1.6中电源换电站配置成本代价惩罚G_C，调用步骤1.7中电源换电站更换电源等待成本代价惩罚G_w，调用步骤1.8中移动机器人电源换电站设置规划目标函数模型，计算迭代一次移动机器人电源换电站设置规划目标函数；

步骤2.4：在当前群体中选择较优个体遗传到下一代；通过交叉和变异操作产生新个体构成下一代种群，继续进行迭代；

步骤2.5：是否达到算法终止条件判断，如果没有达到算法终止条件，跳至步骤2.2；否则达到算法终止条件，输出电源换电站信息矩阵；

步骤1.10：方法流程结束。

2.根据权利要求1所述的一种多约束下的多移动机器人电源换电站设置规划方法，其特征在于，所述r个移动机器人总的实际行驶能量消耗惩罚移动机器人电源换电站配置成本代价惩罚G_C、移动机器人电源换电站更换电源等待成本代价惩罚G_w调整因子系数的α、β、γ分别根据G_C、G_w的权重进行设置。