[發明專利]應用于煤礦井下智能巡檢無人機的航跡規劃方法及裝置

在審

• 申請號: 202010692437.1
• 申請日: 2020-07-17
• 公開（公告）號: CN112015199A
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發明（設計）人: 李標;孟慶勇;楊曉輝;吳文臻;戴萬波;張立亞;孟杰;靳軍;王鑫;黃家鑫
• 申請（專利權）人: 煤炭科學技術研究院有限公司
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10;G01C21/20
• 代理公司: 蘇州知途知識產權代理事務所(普通合伙) 32299
• 代理人: 陳瑞瀧

本申請涉及一種應用于煤礦井下智能巡檢無人機的航跡規劃方法及裝置，包括構建八叉樹結構的三維柵格地圖；采用A^*算法規劃無人機在所述三維柵格地圖的候選路徑；建立二維二進制極坐標直方圖；在二維二進制直方圖中，從所述候選路徑中選擇可用路徑，并計算所述可用路徑的航跡總代價，選擇所述航跡總代價最小的可用路徑作為無人機的可通行路徑。本發明基于二維二進制極坐標直方圖和三維柵格地圖表示三維環境，從三維柵格地圖中生成一個二維二進制極坐標直方圖來指引無人機飛行，其核心是通過直方圖網格使用障礙物的統計表示，這種表示方法非常適合于不準確的傳感器數據，并適應多個傳感器讀數的融合。

技術領域

本申請屬于無人機自主避障技術領域，尤其是涉及一種應用于煤礦井下智能巡檢無人機的航跡規劃方法及裝置。

背景技術

煤礦安全生產是黨和政府高度重視的問題，它不僅關系到煤炭工業的健康發展，同時也是構建和諧社會的前提和保障。井下無人機可以實現對人難以達到的區域進行巡查、檢修等工作，無人機輕便靈活，可隨時隨地全方位、多角度巡檢井下情況，省去人工巡檢的環節和高空作業帶來的安全隱患，既節省時間，又安全可靠。避障算法是研究無人機自主避障飛行的重中之重，確保了無人機的安全飛行。

礦山井下和地表不同，井下沒有衛星信號，因而不能依賴衛星進行飛行設備的定位；空間比較狹小，飛行控制難度大；無線通信難以全面覆蓋容易造成通信故障。因而，為了克服以上問題，采用新型的不依賴衛星的定位技術和智能化飛行控制設備可以在礦山井下得以進行各類應用。

隨著無人機技術的發展，為當前的機載探測設備提供了廣闊的應用空間，由于井下沒有全球定位衛星信號，因而無法采用傳統的定位技術進行飛行控制和位置定位。

目前常用的航跡規劃算法有人工勢場法、粒子群優化算法、A^*算法等。人工勢場法可用于動態環境下的航跡規劃，實時性較好，但存在局部最優問題；粒子群優化算法原理簡單，實現方便，前期搜索速度快，但同樣存在局部最優問題；A^*算法是一種經典的啟發式搜索算法，理論上可保證全局最優，但存在搜索點多、耗時長的問題。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：為解決現有技術航跡規劃算法存在局部最優問題以及搜索點多、耗時長的問題。

為解決上述技術問題，本發明提供一種應用于煤礦井下智能巡檢無人機的航跡規劃方法及裝置。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

本發明第一方面提供一種應用于煤礦井下智能巡檢無人機的航跡規劃方法，包括：

獲取無人機所在的煤礦井下環境的三維點云地圖，并將所述三維點云地圖轉換成八叉樹結構的三維柵格地圖；

探索所述三維柵格地圖，確定無人機在煤礦井下飛行過程中的突發威脅和靜態威脅，在無人機飛行高度滿足H_minHH_max的情況下，采用A^*算法規劃無人機在所述三維柵格地圖的候選路徑，其中，H表示無人機當前的飛行高度，H_min表示設定的最低飛行高度，H_max表示設定的最大飛行高度；

在所述三維柵格地圖中，探索以無人機為中心的設定邊界范圍內的體素，并根據得到的體素信息制作二維初級極坐標坐標直方圖，同時計算各所述體素將插入到二維初級極坐標直方圖中的權重，根據所述權重值的大小建立二維二進制極坐標直方圖；

在二維二進制直方圖中選擇可用路徑，并計算所述可用路徑的航跡總代價，選擇航跡總代價最低的可用路徑作為無人機的可通行路徑。

本發明第二方面提供一種應用于煤礦井下智能巡檢無人機的航跡規劃裝置，包括：