Roteamento e localização de estações de recarga em tarefas de cobertura de área com múltiplos veículos aéreos não tripulados
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tese de doutorado
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Primeiro orientador
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Eduardo Gontijo Carrano
Armando Alves Neto
Adriano Chaves Lisboa
Luciana Pereira de Assis
Armando Alves Neto
Adriano Chaves Lisboa
Luciana Pereira de Assis
Resumo
Esta tese aborda o problema de cobertura de área usando um conjunto de veículos aéreos não tripulados (VANTs). A cobertura completa de área é fundamental no monitoramento ambiental, vigilância, busca e salvamento entre diversas outras aplicações que exigem a captura de informações de todos os espaços da área monitorada. Além disso, em muitos casos, a cobertura deve ser realizada com urgência no menor tempo possível, demandando o roteamento adequado dos veículos para a minimização do tempo total de cobertura frente às características dos VANTs utilizados. Os veículos comercialmente mais comuns possuem capacidade de voo bastante limitada e necessitam de recargas regulares de suas baterias, o que justifica uma abordagem que trate, em conjunto ao problema de cobertura, o problema da localização das estações de recarga. A minimização da quantidade de tais estações é um critério importante para muitas aplicações devido aos altos custos associados às suas implantações, porém é verificado que ambos os objetivos podem assumir comportamento conflitantes de forma que a redução do número das estações de recarga impacte negativamente no tempo de cobertura. Nesse sentido, a contribuição deste trabalho consiste no desenvolvimento de uma abordagem multiobjetivo para o problema de cobertura completa de área com múltiplos VANTs heterogêneos para a minimização do tempo total da operação de cobertura e localização do número mínimo de estações de recarga. Devido à complexidade computacional desse problema, são apresentadas heurísticas matemáticas caracterizadas por integrarem um método exato à metaheurística multiobjetivo de busca em vizinhança variável (MOVNS) com o intuito de explorar a sinergia entre os dois métodos para o encontro de boas soluções. Experimentos computacionais avaliaram as diferentes estratégias segundo as métricas tempo de execução, hipervolume para a resolução de diversas instâncias de teste. Os resultados mostraram que os métodos propostos são capazes de obter boas soluções em instâncias difíceis de serem resolvidas pela abordagem exata.
Abstract
This work addresses the area coverage problem using a group of unmanned aerial vehicles (UAVs). The complete area coverage is fundamental for some applications, such as environmental monitoring, surveillance, search, and rescue, among many others, which cannot leave any space uncovered. Some applications also need urgency to finish the coverage mission, requiring proper path planning to minimize the coverage time facing each UAV particularity. However, standard UAVs are limited in flight time and their frequent recharges can negatively impact the mission time. Thus, it is also relevant to plan their batteries recharges, setting the recharging moment, the most appropriate places for installing the recharging stations, and the number of adequate stations to minimize the number of these facilities. Minimizing the number of such stations is relevant due to the installation costs. However, both objectives can be conflicting, so that reducing the number of recharge stations can increase coverage time. In this sense, the present work proposes solutions for the multi-objective complete area coverage problem with multiple heterogeneous UAVs to minimize the total time of the coverage operation and locate the minimum number of recharging stations. Due to the computational complexity of this problem, matheuristics characterized by integrating the exact method with multi-objective variable neighborhood search (MOVNS) are designed to exploit the synergy between the two methods to find good solutions. Computational experiments evaluated the different strategies according to runtime and hypervolume, metrics for solving several instances. The results showed that the proposed methods could obtain good solutions for intractable instances by the exact method.
Assunto
Engenharia elétrica, Aeronave não tripulada, Otimização multiobjetivo, Programação heurística
Palavras-chave
Cobertura de área, Problema de roteamento de múltiplo VANTs, Otimização multiobjetivo, Heurísticas matemáticas, Localização de estações de recarga
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