[發(fā)明專利]一種三維環(huán)境下的無人機路徑規(guī)劃方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010579045.4
• 申請日: 2020-06-23
• 公開（公告）號: CN111707269B
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 程向紅;王彤;吳峻;馬自應(yīng);李丹若;常興國;梁平昊;麻寧杰;王森
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G05D1/10
• 代理公司: 南京眾聯(lián)專利代理有限公司 32206
• 代理人: 許小莉

本發(fā)明提供一種三維環(huán)境下的無人機路徑規(guī)劃方法，該方法包括步驟：環(huán)境建模：對無人機飛行的三維空間劃分柵格并使用唯一柵格索引標(biāo)識，對空間中的障礙物建立唯一索引標(biāo)識并計算每一障礙物的包圍盒作為確定受影響柵格的依據(jù)，將對應(yīng)的障礙索引保存至所有與包圍盒相交的柵格中；路徑搜索：將無人機當(dāng)前位置以及目標(biāo)位置分別設(shè)為起始點和目標(biāo)點，由起始點進行擴展建立一條由起始點到目標(biāo)點不與障礙物包圍盒相碰撞的生成路徑；對生成路徑進行簡化并使用樣條曲線對簡化后生成路徑進行平滑得到用于無人機控制的最終飛行軌跡。該方法考慮了無人機的實際飛行環(huán)境特點，能夠快速地提供滿足飛行條件且無誤差的路徑。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無人機控制相關(guān)領(lǐng)域，特別涉及三維環(huán)境下的無人機路徑規(guī)劃方法。

背景技術(shù)

無人機具有體積小，機動性強等特點，在設(shè)備巡檢，高空搜救，物流運輸，農(nóng)業(yè)植保等方面均有著廣泛的應(yīng)用。無人機路徑規(guī)劃是在已知環(huán)境信息中尋找滿足限制條件的飛行軌跡，優(yōu)質(zhì)的路徑規(guī)劃將減少飛行器任務(wù)執(zhí)行期間的能量消耗，提高任務(wù)完成率，有助于解決無人機長時間續(xù)航的難題。

路徑規(guī)劃包含環(huán)境建模，路徑搜索和軌跡平滑三個方面，現(xiàn)有的規(guī)劃方法大都基于柵格法和拓撲圖，采用傳統(tǒng)或啟發(fā)式算法進行路徑搜索(參考文獻：于靜楠，無人機路徑智能規(guī)劃算法研究，南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2019)。柵格法將空間劃分為若干相鄰網(wǎng)格，該方法實現(xiàn)簡單但建模精度取決于柵格尺寸，較細的柵格將占用較大的存儲空間，使得后續(xù)路徑搜索效率降低；拓撲圖建立空間中可行路徑的連通圖，占用空間較少但建模方式復(fù)雜，生成軌跡不穩(wěn)定。以上建模方式以及后續(xù)的路徑搜索算法缺少對無人機飛行環(huán)境特點的考慮，規(guī)劃時間較長且難以進行后續(xù)優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題：為了解決無人機路徑規(guī)劃中建模精度與算法效率的矛盾，提供高精度的無人機飛行軌跡。本發(fā)明提供了一種三維環(huán)境下的無人機路徑規(guī)劃方法，能夠較為快速地提供滿足飛行條件且無誤差的路徑規(guī)劃結(jié)果。

技術(shù)方案：本發(fā)明的具體方案如下：

一種三維環(huán)境下的無人機路徑規(guī)劃方法，該方法包含以下步驟：

(1)環(huán)境建模：對無人機飛行的三維空間劃分柵格并使用唯一柵格索引標(biāo)識，對空間中的障礙物建立唯一索引標(biāo)識，并計算每一障礙物的包圍盒作為確定受影響柵格的依據(jù)，將對應(yīng)的障礙索引保存至所有與包圍盒相交的柵格中；

(2)路徑搜索：分別將無人機當(dāng)前位置及目標(biāo)位置設(shè)為起始點和目標(biāo)點，建立一條由起始點到目標(biāo)點不與障礙物包圍盒相碰撞的生成路徑；

(3)對步驟(2)中生成路徑進行簡化并使用樣條曲線對簡化后生成路徑進行平滑即得到用于無人機控制的最終飛行軌跡。

進一步地，步驟(1)中所述環(huán)境建模具體包括如下步驟：

(11)對尺寸為(x，y，z)的三維空間進行柵格大小G的劃分，對每一柵格使用唯一柵格索引標(biāo)識；

(12)將空間中的障礙物抽象為由位姿，縮放向量和形狀信息表示的幾何物體并保存，每一障礙物使用唯一障礙索引標(biāo)識；

(13)增加每一障礙物的縮放向量使其尺寸擴大一定值L并計算其包圍盒，將對應(yīng)的障礙索引保存至所有與包圍盒相交的柵格中。

進一步地，步驟(11)中對于空間中的任意一點，將其坐標(biāo)除以設(shè)定的柵格尺寸G，取其整數(shù)部分得到柵格索引。

進一步地，步驟(12)中對于空間中的障礙物，將其分為由球心坐標(biāo)和半徑表示的球體或由中心點和三個方向上尺寸表示的立方體，對于球體省略姿態(tài)向量，對于立方體則增加四元數(shù)表示其旋轉(zhuǎn)方向。

進一步地，步驟(13)中對于球體障礙物利用球心坐標(biāo)加減半徑計算軸向包圍盒；對立方體障礙物，比較各個頂點在三個方向上的極值獲取軸向包圍盒，根據(jù)軸向包圍盒的坐標(biāo)范圍確定其影響的柵格范圍，將障礙物索引保存到對應(yīng)的柵格中。