[發明專利]城市低空環境下無人機多目標路徑規劃聯合搜索方法

有效

• 申請號: 201710255262.6
• 申請日: 2017-04-19
• 公開（公告）號: CN106970648B
• 公開（公告）日: 2019-05-14
• 發明（設計）人: 曹先彬;肖振宇;楊朋;尹超;席星;吳大鵬
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/12
• 分類號: G05D1/12
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 祗志潔

本發明提供了一種城市低空環境下無人機多目標路徑規劃聯合搜索方法，屬于無人機路徑規劃技術領域。本方法步首先以靜態已知障礙物為基礎構建靜態安全指數地圖，以無人機在飛行過程中主動探測到的沒有標記在地理地圖中的障礙物為基礎，在機載平臺上構建動態安全指數地圖；然后基于離線搜索與在線搜索聯合求解優化無人機飛行時間和飛行安全的多目標路徑規劃問題。使用本方法首先離線規劃一條從起點到終點的代價最小的路徑，然后在檢測到未知障礙物時，采用在線搜索為在線規劃一段變更的航跡，以避開動態障礙物。本發明的在線搜索具有較小的搜索空間，能夠為無人機快速地在線重新規劃一段安全的路徑，從而滿足無人機對路徑規劃實時性的要求。

技術領域

本發明屬于無人機路徑規劃技術領域，具體是指一種聯合離線和在線搜索的實現城市低空環境下無人機多目標路徑規劃的方法。

背景技術

自美國聯邦航空管理局(Federal Aviation Administration，FAA)發布了至2015年國內無人機(unmanned aerial vehicles，UAVs)起降規劃以來，無人機的使用受到了極大關注。可以想象，在未來的智慧城市(Smart Cities)中，無人機將會在物流、應急通信、消防、航拍、遙感、救援等事務中扮演重要角色。為了最大程度地利用無人機的優勢，首先需要考慮的是怎樣使無人機既快速又安全地到達指定區域，這就是所謂的路徑規劃問題(PathPlanning Problem)。

路徑規劃問題指的是：求解無人機當前位置和目的地之間一條或多條無障礙路徑的問題。近年來，研究人員一直致力于研究如何在障礙物環境中為車輛或飛行器找出一條無障礙的路徑，這一問題的解決對于無人駕駛技術的發展是至關重要的。至今，已有三種類型的路徑規劃方法被提出，它們是幾何法(Geometry Method)、速度空間法(VelocitySpace Method)和圖形搜索法(Graph Search Method)。幾何法將地圖中的障礙物的集合信息作為路徑搜索算法的輸入，典型的幾何法包括勢場法(Potential Field Method)、矢量場直方圖法(Vector Field Histogram Method)和Voronoi圖法(Voronoi DiagramMethod)。速度空間法是綜合考慮了車輛或飛行器的形狀以及運動學和動力學約束的避免碰撞的方法，包括曲率速度法(Curvature Velocity Method)和動態窗口法(DynamicWindow Method)。圖形搜索法旨在找到某個圖中兩個頂點之間的最短路徑，其中A*算法是一種已知的可以有效地找出從起點到目的地之間無障礙路徑的圖形搜索方法。

然而，上述路徑規劃方法不能直接用于在動態城市環境中執行低空飛行任務的無人機的路徑規劃，因為它們需要及時更新的全局地圖信息。在動態城市低空環境中，及時更新的全局地圖信息對于無人機來說往往是不可知的，因為無人機的帶寬是十分有限的。另外，在飛行過程中，無人機可能會遇到一些沒有在地圖中標記的意外的障礙物，在這種情況下，無人機將有可能與這些障礙物相撞。雖然可以利用重規劃(Replanning)來減少飛行期間這種不確定性帶來的影響，但仍然至少存在兩個顯著問題亟待解決：

1)利用有限的機載計算資源實時探測障礙物并更新路徑；

2)基于有限的探測范圍以及有限的定位精度，如利用全球定位系統(GlobalPositioning System，GPS)進行無人機定位，應對周圍環境的變化(與已知地圖信息的不匹配)。

實現無人機在城市低空環境下的路徑規劃，既要保證無人機在飛行期間的安全，又要保證無人機在盡量短的時間內到達目的地。該問題是一個多目標路徑規劃問題。