[發(fā)明專利]一種基于離散點密度與全局規(guī)劃的無人機巡檢路徑規(guī)劃方法

在審

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• 申請日: 2022-01-14
• 公開（公告）號: CN114578848A
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發(fā)明（設計）人: 孟煥;李響
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 上海藍迪專利商標事務所(普通合伙) 31215
• 代理人: 徐筱梅;張翔

本發(fā)明公開了一種基于離散點密度與全局規(guī)劃的無人機巡檢路徑規(guī)劃方法，包括步驟：(1)巡檢范圍劃分：首先根據(jù)離散的待巡檢點的空間位置及密度關系，使用DBSCAN聚類算法進行聚類，將空間中的待巡檢點劃分為m個待巡檢區(qū)域，派出m架無人機分別負責各個區(qū)域內(nèi)待巡檢點的巡邏；(2)巡檢路徑構造：針對每一個待巡檢區(qū)域，對區(qū)域內(nèi)的待巡檢點構建Delaunay三角網(wǎng)，將離散點網(wǎng)絡化，三角網(wǎng)的每一條邊作為無人機巡檢的可選路徑；(3)巡檢路徑規(guī)劃：對于每一個待巡檢區(qū)域內(nèi)無人機巡檢路徑的規(guī)劃可以抽象為一個Traveling SalesmanProblem問題，即無人機從某個待巡檢點出發(fā)，以三角網(wǎng)中每一條邊為可選路徑，遍歷待巡檢區(qū)域內(nèi)的所有待巡檢點，且不重復經(jīng)過相同待巡檢點，同時使總路徑最短。

技術領域

本發(fā)明屬于路徑優(yōu)化技術領域，具體涉及一種基于離散點密度與全局規(guī)劃的無人機巡檢路徑規(guī)劃方法。

背景技術

隨著我國經(jīng)濟社會發(fā)展速度不斷增加，城市建設穩(wěn)步開展。城市經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展依賴于城市道路的規(guī)劃，因此，道路建設成為城市建設中一個至關重要的方面。道路設施的性能和狀態(tài)直接關系到城市交通安全和出行體驗，在城市道路的管理和維護工作中，道路的巡檢是城市道路設施提升的關鍵環(huán)節(jié)。道路巡檢的信息可應用于篩選道路病害信息、異常車輛滯留、路口環(huán)境監(jiān)測等領域。道路監(jiān)測不是一次性的過程，而是道路維護和設施運行的定期跟蹤。因此，選擇高效、及時的巡檢方式顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的道路巡檢主要采用人工巡檢方式，工作量大、效率低、成本高，難以滿足大體量的道路設施管理的要求。相較于傳統(tǒng)的巡檢方式，采用無人機的新型道路巡檢方式成本相對較低、機動性能好、測量較為精細，能夠代替人工完成道路巡檢工作。隨著5G技術的發(fā)展，“無人機+5G”技術被應用到日常生活中。采用無人機進行道路巡檢，數(shù)據(jù)傳輸速率快、網(wǎng)絡延遲低、可以實時獲取高清影像，為繁重的道路管理與維護工作帶來便利。

然而，采用無人機進行道路巡檢，需要考慮無人機自身的特性。目前，小型無人機多采用電池供電，攜帶的能源比較有限，執(zhí)行巡檢任務的時間也有限。與人工巡檢相比，在巡檢過程中使用盡可能少數(shù)量的無人機完成與人工巡檢同樣的工作量是城市道路巡檢工作的迫切需求。因此，如何在無人機最大續(xù)航里程范圍內(nèi)高效完成巡檢任務是一項亟需解決的問題。使用無人機進行道路巡檢，會存在以下幾個主要挑戰(zhàn)：1）待巡檢點之間間隔較遠，需要巡檢的點較多，一架無人機難以完成巡檢任務。待巡檢點之間間隔太遠會導致無人機僅飛行不采樣，造成攜帶能源的浪費；2）待巡檢點是離散的數(shù)據(jù)點，各待巡檢點之間較為獨立，且任意兩點之間都有通路，難以綜合考慮多點，即從全局上建立科學合理的聯(lián)系；3）由于無人機續(xù)航里程的限制，需要在待巡檢區(qū)域內(nèi)，使無人機不重復地遍歷每一個待巡檢點，待巡檢區(qū)域不產(chǎn)生重疊，在此基礎上實現(xiàn)路徑的最優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容

為了綜合考慮使用無人機進行巡檢的特性，獲得更優(yōu)化的無人機巡檢路徑，本發(fā)明的目的是提供一種基于離散點密度與全局規(guī)劃的無人機巡檢路徑規(guī)劃方法。該方法基于離散分布的待巡檢點的空間位置及密度關系，將整個待巡檢區(qū)域通過DBSCAN聚類算法劃分為m個小的待巡檢區(qū)域。針對每個待巡檢區(qū)域，通過構建Delaunay三角網(wǎng)的方法，將離散點網(wǎng)絡化并構造可選路徑，在此基礎上優(yōu)化無人機巡檢路徑。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術方案是：

一種基于離散點密度與全局規(guī)劃的無人機巡檢路徑規(guī)劃方法，其包括以下步驟：

步驟1：巡檢范圍劃分：獲取離散的每個待巡檢點的經(jīng)度和緯度，根據(jù)待巡檢點的空間位置及密度關系設置搜索半徑r與單架無人機最少待巡檢點數(shù)n；對待巡檢點進行聚類，將所有待巡檢點劃分為m個類別，作為m個待巡檢區(qū)域，使用m架無人機分別對m個待巡檢區(qū)域進行巡檢；

步驟2：巡檢路徑構造：為獲取點與點之間的空間關系，針對每個待巡檢區(qū)域內(nèi)的待巡檢點分別構造三角網(wǎng)，三角網(wǎng)中的每一條邊均具有一個邊長屬性，即這條邊所連接的兩個待巡檢點之間的距離，每一條邊作為無人機巡檢路徑規(guī)劃的可選路徑；