[發明專利]一種服務于無人機自主導航的簡化環境建模方法

有效

• 申請號: 201910270583.2
• 申請日: 2019-04-04
• 公開（公告）號: CN109960269B
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 李德識;孟凱濤;陳健;宋衛濤;黃威
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 嚴彥

1.一種服務于無人機自主導航的簡化環境建模方法，包括以下步驟：

步驟1，獲取深度圖像并統計分析每列深度圖像數據的概率密度分布，根據峰值寬度分析障礙物粗糙程度，并計算深度圖像上每列障礙物的位置；

步驟2，將深度圖像上提取的障礙物映射到三維空間中，稱為障礙物垂直條帶，借助深度圖像的索引序號對障礙物垂直條帶進行快速空間聚類；

步驟3，搜索聚類內部障礙物垂直條帶之間的縫隙，若縫隙大于無人機可穿行尺寸，則根據縫隙位置分割聚類，反之將縫隙填充；

步驟4，根據步驟3中得到的聚類結果擬合障礙物輪廓平面，構建由多層多邊形棱柱面組成的簡化環境模型。

2.根據權利要求1所述服務于無人機自主導航的簡化環境建模方法，其特征在于：步驟1中，設深度圖像中第u列像素的概率密度分布為f_u(x)，x為核密度估計結果中的像素深度值，每列深度圖像中提取的障礙物的近似深度記為其中為障礙物的近似深度，i用于表示當前列從圖像頂部開始第i個障礙物，k為當前列障礙物數目；采用自適應大小的滑動窗口提取障礙物，

滑動窗口寬度Δx為

其中和分表為核密度估計結果的峰值寬度兩側的深度值，α為峰值寬度系數，下標表示x^±與峰值的值關系，x^±表示左右兩邊滿足條件的x值；

設定滑動窗口的高度為

其中，H_UAV為無人機高度，f_x為相機的焦距，β為誤差系數，ε_e為靜態誤差。

3.根據權利要求1所述服務于無人機自主導航的簡化環境建模方法，其特征在于：步驟2中，設障礙物垂直條帶為其中X_c,Y_c分別為障礙物垂直條帶X軸、Y軸的坐標值，為障礙物垂直條帶的Z軸下端和上端的坐標值，相機坐標系中X軸正方向朝右，Y軸正方向朝前，Z軸正方向超上，其中u表示深度圖像的列坐標，i用于標識深度圖像第u列從上計算第i個障礙物；

通過借助二維深度圖像的列索引序號，避免空間中鄰域搜索的復雜計算，包括從深度圖像第一列開始創建第一個類C₁，類采用隊列存儲結構，每一個聚類用隊列上標l表示當前隊列的存儲數量，下表qn表示隊列序號，將第一列第一個障礙物垂直條帶填入第一個隊列中，依次計算下一個障礙物垂直條帶與已有聚類的隊列末端的垂直條帶之間的歐幾里得距離D，若距離D小于無人機寬度W_UAV，將該列垂直條帶填入相應的聚類隊列末端，反之則創建新的聚類，從而實現障礙物垂直條帶的快速空間聚類。

4.根據權利要求1所述服務于無人機自主導航的簡化環境建模方法，其特征在于：步驟3中，根據每個障礙物垂直條帶上的縫隙是其相對整個墻面的高度范圍的補集，計算縫隙寬度，當縫隙寬度大于無人機寬度時，保留該縫隙，并從該縫隙處分割聚類，最終同一聚類內部障礙物垂直柱子高度相等，否則將縫隙填補；多個障礙物垂直條帶的縫隙有效高度為相鄰障礙物垂直條帶高度補集的交集。

5.根據權利要求4所述服務于無人機自主導航的簡化環境建模方法，其特征在于：采用二分法對聚類內部的障礙物條帶進行搜索，若該障礙物垂直條帶的補集高度小于無人機高度，則將該障礙物垂直條帶的高度縫隙填補，并從該處分割墻體為兩部分，對分割后的墻面重復上述搜索分割步驟，直到墻面寬度小于無人機寬度時停止搜索。