Unmanned aerial vehicles (UAVs), commonly known as drones, are being increasingly deployed throughout the globe as a means to streamline logistic and monitoring routines. When dispatched on autonomous missions, drones require an intelligent decision-making system for trajectory planning and tour optimization. Given the limited capacity of their onboard batteries, a key design challenge is ensuring the underlying algorithms can efficiently optimize the mission objectives along with recharging operations during long-haul flights. Against this backdrop, the present work undertakes a comprehensive study on automated management systems for battery-constrained drones: (1) We construct a machine learning model to estimate the energy expenditure of drones, considering diverse real-world factors and flight scenarios. (2) Leveraging this model, the joint problem of flight mission planning and recharging optimization is formulated as a multi-criteria combinatorial program aimed at completing a tour mission for a set of target sites in the shortest time while minimizing recharging duration. (3) We devise an efficient approximation algorithm, with provable near-optimal performance guarantees, and implement it in a drone management system, which supports real-time flight path tracking and re-computation in dynamic environments. (4) We validate the effectiveness and practicality of the proposed approach through extensive numerical simulations as well as real-world experiments.


翻译:无人驾驶飞行器(无人驾驶飞行器)通常称为无人驾驶飞机,正在全球各地越来越多地部署无人驾驶飞行器,作为精简后勤和监测常规的手段。无人驾驶飞机在自主特派团上部署时,需要有智能决策系统,以便进行轨迹规划和优化巡航。鉴于无人驾驶飞行器在机内电池的能力有限,一项关键的设计挑战是确保基本算法能够有效地优化飞行任务目标,同时在长途飞行期间进行补给作业。(3)在此背景下,目前的工作对电池限制的无人驾驶飞机的自动管理系统进行了全面研究:(1) 我们考虑到各种现实因素和飞行情景,建立了一个机器学习模型,用以估计无人驾驶飞机的能源支出。 (2) 利用这一模型,将飞行飞行任务规划和再装订优化的联合问题作为一个多标准组合程序,目的是在最短的时间内完成对一组目标地点的巡航任务,同时尽量减少再充电时间。(3) 我们设计一种高效的近似比值算算法,提供近最佳的性性能保证,并在无人驾驶飞机管理系统中实施,该系统将支持实时飞行路径的跟踪和重新配置,在动态环境中进行广泛的实际模拟。(4) 我们验证在现实方法上的有效性和模拟。

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