[發明專利]無人機三維場景路徑導航平臺及其三維改進路徑規劃方法

有效

• 申請號: 201611186956.0
• 申請日: 2016-12-20
• 公開（公告）號: CN108204814B
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發明（設計）人: 白宏陽;梁華駒;蘇文杰;李成美;郭宏偉;胡福東;孫瑞勝;傅健
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 薛云燕

本發明公開了一種無人機三維場景路徑導航平臺及其三維改進路徑規劃方法，該平臺基于Unity3d加載DEM地圖數據，進行三維場景的顯示；通過VS2010C++編程，實現了基于DEM的三維改進路徑規劃算法，獲取無人機可飛行安全路徑，并通過Matlab2012a繪制規劃得到的路徑檢測規劃效果；導入無人機模型，結合miniAHRS姿態傳感器，獲取當前無人機導航信息；融合路徑規劃算法到三維場景中，對無人機飛行狀態和避障過程進行實時三維顯示。所述三維改進路徑規劃方法，通過基于DEM的改進A*算法獲取初始路徑；結合Bresenham直線生成算法對所得到的初步規劃路徑進行直線化；再對直線化后的路徑進行Bézier曲線平滑優化。本發明路徑規劃耗時短，能夠實時顯示飛行狀態，動態三維顯示路徑規劃和避障過程。

技術領域

本發明涉及導航技術領域，特別是一種無人機三維場景路徑導航平臺及其三維改進路徑規劃方法。

背景技術

數字高程圖(Digital Elevation Map),簡稱DEM。它是將地面高程用一組有序數值陣列形式表示的一種實體地面模型，是一定范圍內規則網格點的平面坐標及其高程或經緯度及其海拔的數據集。隨著衛星技術，傳感器技術等一系列高新技術的快速發展，DEM數字高程數據的分辨率越來越高，這就為DEM數據的應用奠定了良好的基礎。DEM在測繪、水文、氣象、地貌、地質、土壤、工程建設、通訊、軍事等國民經濟和國防建設以及人文和自然科學領域有著廣泛的應用。

無人機是通過無線電遙控操縱或由自身程序操縱控制的一種無人駕駛飛機。由于無人駕駛，所以無人機機型的尺寸可以做到很小、重量較輕、做高機動動作、雷達反射面積小、可以適應各種環境和地形等特點。目前無人機在作戰，救生，森林火險監測，救災和天氣預報方面的廣泛應用。并且隨著無人機自性的提高,它在未來實際應用中的角色將越來越重要。

路徑規劃作為無人機導航至關重要的一部分，是無人機完成預定任務不可缺少的前提條件。所謂路徑規劃就是為無人機設計出一條安全可飛行的航線。隨著路徑規劃的發展，目前無人機的路徑規劃開始考慮無人機機自身的物理約束。根據已知的地圖數據和測量信息在無人機自身物理約束、安全約束以及其它一些不確定因素的條件下，得到一條起始位置點到終止位置點的最優可飛行安全路徑。

但由于目前對于無人機的路徑規劃考慮無人機自身物理約束并不充分，得到的路徑看似可以避開障礙物，實際上無人機根本無法沿此路徑飛行。尤其是對于自身物理約束很強的固定翼無人機。算法耗時也相對較長，得到的路徑也只是一條空間曲線，并不包含無人機的姿態信息，無法動態顯示無人機避障過程。

發明內容

本發明的目在于提供一種三維改進路徑規劃方法，得到滿足各種約束條件下的無人機可飛行三維安全路徑；并構建一種無人機三維場景路徑導航平臺，有效地展示無人機三維空間導航和避障過程。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種無人機三維場景路徑導航平臺，該平臺基于Unity3d加載DEM地圖數據，進行三維場景的顯示；通過VS2010C++編程，實現了基于DEM的三維改進路徑規劃算法，獲取無人機可飛行安全路徑，并通過Matlab2012a繪制規劃得到的路徑并檢測規劃效果；導入無人機模型，并結合miniAHRS姿態傳感器，獲取當前無人機導航信息；融合路徑規劃算法到三維場景中，對無人機飛行狀態和避障過程進行實時三維顯示。

一種基于所述無人機三維場景路徑導航平臺的三維改進路徑規劃方法，步驟如下：首先通過基于DEM的改進A*算法獲取初始路徑，在此基礎上考慮無人機的安全性和動力學約束；結合Bresenham直線生成算法對所得到的初步規劃路徑進行直線化；再對直線化后的路徑進行Bézier曲線平滑優化，最終得到滿足約束條件的無人機可飛行三維安全路徑。