一种顾及复杂环境约束的无人机三维航迹快速规划方法技术

本发明专利技术公开了一种顾及复杂环境约束的无人机三维航迹快速规划方法，首先通过剖析地形、气象、禁飞区、危险物等典型复杂环境对无人机航迹的多种约束信息等，构建三维航迹规划环境模型，再结合无人机自身性能约束与飞行特点，设计多层扩展A*算法进行三维扩展，搜索获取无人机参考航迹，最后采用线简化和线平滑的方式对参考航迹进行简化与优化，得到无人机可飞最优航迹。本发明专利技术能够高效、准确地生成无人机航迹，能够实现安全绕开威胁，并加快了航迹规划的速度与准确度。

A Fast 3-D Route Planning Method for UAV Considering Complex Environment Constraints

【技术实现步骤摘要】
一种顾及复杂环境约束的无人机三维航迹快速规划方法
本专利技术属于无人机航迹规划
，具体涉及一种顾及复杂环境约束的无人机三维航迹快速规划方法的设计。
技术介绍
由于无人机(UnmannedAerialVehicle，UAV)具有应用方便、机动灵活、时效性强等特点，近些年得到了迅猛发展，广泛应用于航拍、农业、植保、灾难救援、监视、测绘、新闻报道、电力巡检、影视拍摄等领域。无人机航迹规划是指在考虑地形、气象、威胁等环境因素以及自身的飞行性能的基础上，为无人机制定出从初始位置到目标位置的最优飞行路径。无人机航迹规划是无人机任务规划系统中的关键，对于提高无人机作业效率和应用能力具有重要意义。目前存在多种无人机航迹规划算法，其中二维或2.5维航迹规划方法较多，方法也较为成熟。由于三维空间更加贴近无人机的实际应用环境，较多专家学者逐渐将无人机航迹规划转向三维，提出了许多改进算法，但这些算法仍具有一定的局限性。例如神经网络算法结合可调步长策略能够快速生成三维航迹，但无法应对多种约束模型共存的环境要求；遗传算法与粒子群算法寻优精度低、容易陷入局部最优，并且在复杂约束的路径规划问题中航迹精度也不理想；蚁群算法改进启发函数和信息素更新能使三维路径长度与搜索效率得到提高，但并未考虑无人机的性能约束与航线特点，规划航迹适应性不足；引入混沌理论搜索的人工势场方法能够应对复杂环境，但航迹曲折多变，缺少最优性，且仅能适用于二维环境，无法应用于三维环境中。A*算法是一种启发式算法，在图形搜索领域应用成熟，能够很好地改进以利用于地理场景中逐格网搜索，但该算法一般仅用于二维环境下搜索，若直接应用进行三维搜索，则运算将随规划空间增大成指数倍上升，效率缓慢，需要进行改进。综上可知，目前无人机三维航迹规划方法主要是现有各种算法的改进，能够在单一因素的约束下快速生成航迹，但在复杂环境约束下缺少对最优路径的考虑，且无法同时兼顾复杂环境约束与无人机自身性能约束的最优航迹规划。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决目前无人机三维航迹规划方法在复杂环境约束下缺少对最优路径的考虑，且无法同时兼顾复杂环境约束与无人机自身性能约束的最优航迹规划的问题，提出了一种顾及复杂环境约束的无人机三维航迹快速规划方法。本专利技术的技术方案为：一种顾及复杂环境约束的无人机三维航迹快速规划方法，包括以下步骤：S1、构建无人机三维航迹规划的环境模型。S2、将复杂环境约束信息融入环境模型。S3、根据融入复杂环境约束信息的环境模型，采用多层扩展A*算法获取无人机的参考航迹。S4、对参考航迹进行航迹简化与航迹平滑，得到无人机可飞最优航迹。进一步地，步骤S1具体为：将无人机在改变方向时的最小惯性距离作为格网单元的长度，将路径规划区域划分为一个m×n的格网，在每个格网单元中存储其对应的行列号、该格网单元中无人机的最大飞行高度值以及可飞行的高度范围信息，得到无人机三维航迹规划的环境模型，表示为：其中Ωm表示环境模型空间，(Xi,Yj)表示格网单元的行列号，m,n分别为环境模型中格网单元的行数和列数，表示格网单元(Xi,Yj)的无人机可飞行高度范围，Z1,Z2,Z3,Z4均为高度值，且Z1<Z2<Z3<Z4...。进一步地，步骤S2中的复杂环境约束信息包括地形环境约束和大气环境约束。进一步地，地形环境约束的融入方法具体为：A1、通过仿射变换将真实三维地形数据每个栅格像元的行列号转换为环境模型中格网单元的行列号，转换公式为：其中(Xm,Ym)表示环境模型中格网单元的行列号，(Xp,Yp)表示真实三维地形数据栅格像元的行列号，(X0,Y0)表示真实三维地形数据在路径规划区域左上角的经度和纬度，Wc表示真实三维地形数据的像元宽度，Hc表示真实三维地形数据的像元高度，R1,R2为旋转参数。A2、把真实三维地形数据每个栅格像元的地形高程信息添加进对应的格网单元，完成地形环境约束的融入。进一步地，大气环境约束的融入方法具体为：B1、将大气环境约束区域竖直投影成一个多边形，并获取多边形每个顶点的经纬度坐标。B2、根据经纬度坐标计算每两个相邻顶点的欧式距离，计算公式为：其中(X1,Y1)和(X2,Y2)分别表示多边形两个相邻顶点的经纬度坐标，D12表示这两个相邻顶点的欧氏距离。B3、根据两个相邻顶点的欧式距离计算这两个相邻顶点连接成的直线的分段次数，计算公式为：S12＝ceil(D12/Wc)其中S12表示顶点(X1,Y1)和(X2,Y2)连接成的直线的分段次数，ceil(·)为向上取整函数，Wc表示环境模型中每个格网对应真实三维地形数据的像元宽度。B4、初始化计数值j＝0。B5、判断j>S12是否成立，若是则进入步骤B8，否则进入步骤B6。B6、根据分段次数计算分段后各个点的坐标，计算公式为：其中(X12j,Y12j)为分段后第j个点的坐标，j＝0,1,2,...,S12。B7、令计数值j加1，并返回步骤B5。B8、获取分段后各个点的坐标在环境模型中对应格网单元的行列号，得到多边形对应的格网单元。B9、判断相邻两个格网单元是否在同一行或同一列上，若是则进入步骤B11，否则进入步骤B10。B10、在未处于同一行或同一列的两相邻格网单元之间补充一个格网单元，进入步骤B11。B11、将多边形对应的格网单元和补充的格网单元作为大气环境约束区域，完成大气环境约束的融入。进一步地，步骤S3包括以下分步骤：S3-1、获取融入复杂环境约束信息的环境模型以及起始点与目标点的位置信息与高程信息。S3-2、创建openlist线性表与closelist线性表，并初始化将其置为空。S3-3、计算起始点的代价值，并将起始点添加至openlist线性表中。S3-4、判断openlist线性表是否为空，若是则进入步骤S3-5，否则进入步骤S3-6。S3-5、航迹搜索失败，进入步骤S3-21。S3-6、获取openlist线性表中代价值最小的点作为当前点。S3-7、判断当前点是否与目标点位于同一格网单元与高程，若是则进入步骤S3-8，否则进入步骤S3-9。S3-8、航迹搜索成功，获取最优航迹节点，进入步骤S3-21。S3-9、将当前点移除出openlist线性表，并添加进closelist线性表中。S3-10、对当前点进行分层扩展，得到多个扩展点。S3-11、判断是否遍历完所有扩展点，若是则返回步骤S3-4，否则选取下一个扩展点并进入步骤S3-12。S3-12、判断closelist线性表中是否存在该扩展点，若是则进入步骤S3-13，否则进入步骤S3-14。S3-13、舍去该扩展点，返回步骤S3-11。S3-14、计算该扩展点的代价值。S3-15、判断openlist线性表中是否存在该扩展点，若是则进入步骤S3-16，否则进入步骤S3-19。S3-16、判断该扩展点的代价值是否小于openlist线性表中所存在与该扩展点位置相同的点的代价值，若是则进入步骤S3-17，否则进入步骤S3-18。S3-17、在openlist线性表中用该扩展点替换扩展前的当前点，进入步骤S3-20。S3-18、舍去该扩展点，返回步骤S3-11。S3-19、将该扩展点添加进openlist线性表，进入步骤S3-20。S3-20、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种顾及复杂环境约束的无人机三维航迹快速规划方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、构建无人机三维航迹规划的环境模型；S2、将复杂环境约束信息融入环境模型；S3、根据融入复杂环境约束信息的环境模型，采用多层扩展A*算法获取无人机的参考航迹；S4、对参考航迹进行航迹简化与航迹平滑，得到无人机可飞最优航迹。

【技术特征摘要】
1.一种顾及复杂环境约束的无人机三维航迹快速规划方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、构建无人机三维航迹规划的环境模型；S2、将复杂环境约束信息融入环境模型；S3、根据融入复杂环境约束信息的环境模型，采用多层扩展A*算法获取无人机的参考航迹；S4、对参考航迹进行航迹简化与航迹平滑，得到无人机可飞最优航迹。2.根据权利要求1所述的无人机三维航迹快速规划方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：将无人机在改变方向时的最小惯性距离作为格网单元的长度，将路径规划区域划分为一个m×n的格网，在每个格网单元中存储其对应的行列号、该格网单元中无人机的最大飞行高度值以及可飞行的高度范围信息，得到无人机三维航迹规划的环境模型，表示为：其中Ωm表示环境模型空间，(Xi,Yj)表示格网单元的行列号，m,n分别为环境模型中格网单元的行数和列数，表示格网单元(Xi,Yj)的无人机可飞行高度范围，Z1,Z2,Z3,Z4均为高度值，且Z1<Z2<Z3<Z4...。3.根据权利要求1所述的无人机三维航迹快速规划方法，其特征在于，所述步骤S2中的复杂环境约束信息包括地形环境约束和大气环境约束。4.根据权利要求3所述的无人机三维航迹快速规划方法，其特征在于，所述地形环境约束的融入方法具体为：A1、通过仿射变换将真实三维地形数据每个栅格像元的行列号转换为环境模型中格网单元的行列号，转换公式为：其中(Xm,Ym)表示环境模型中格网单元的行列号，(Xp,Yp)表示真实三维地形数据栅格像元的行列号，(X0,Y0)表示真实三维地形数据在路径规划区域左上角的经度和纬度，Wc表示真实三维地形数据的像元宽度，Hc表示真实三维地形数据的像元高度，R1,R2为旋转参数；A2、把真实三维地形数据每个栅格像元的地形高程信息添加进对应的格网单元，完成地形环境约束的融入。5.根据权利要求3所述的无人机三维航迹快速规划方法，其特征在于，所述大气环境约束的融入方法具体为：B1、将大气环境约束区域竖直投影成一个多边形，并获取多边形每个顶点的经纬度坐标；B2、根据经纬度坐标计算每两个相邻顶点的欧式距离，计算公式为：其中(X1,Y1)和(X2,Y2)分别表示多边形两个相邻顶点的经纬度坐标，D12表示这两个相邻顶点的欧氏距离；B3、根据两个相邻顶点的欧式距离计算这两个相邻顶点连接成的直线的分段次数，计算公式为：S12＝ceil(D12/Wc)其中S12表示顶点(X1,Y1)和(X2,Y2)连接成的直线的分段次数，ceil(·)为向上取整函数，Wc表示环境模型中每个格网对应真实三维地形数据的像元宽度；B4、初始化计数值j＝0；B5、判断j>S12是否成立，若是则进入步骤B8，否则进入步骤B6；B6、根据分段次数计算分段后各个点的坐标，计算公式为：其中(X12j,Y12j)为分段后第j个点的坐标，j＝0,1,2,...,S12；B7、令计数值j加1，并返回步骤B5；B8、获取分段后各个点的坐标在环境模型中对应格网单元的行列号，得到多边形对应的格网单元；B9、判断相邻两个格网单元是否在同一行或同一列上，若是则进入步骤B11，否则进入步骤B10；B10、在未处于同一行或同一列的两相邻格网单元之间补充一个格网单元，进入步骤B11；B11、将多边形对应的格网单元和补充的格网单元作为大气环境约束区域，完成大气环境约束的融入。6.根据权利要求1所述的无人机三维航迹快速规划方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下分步骤：S3-1、获取融入复杂环境约束信息的环境模型以及起始点与目标点的位置信息与高程信息；S3-2、创建openlist线性表与closelist线性表，并初始化将其置为空；S3-3、计算起始点的代价值，并将起始点添加至openlist线性表中；S3-4、判断openlist线性表是否为空，若是则进入步骤S3-5，否则进入步骤S3-6；S3-5、航迹搜索失败，进入步骤S3-21；S3-6、获取openlist线性表中代价值最小的点作为当前点；S3-7、判断当前点是否与目标点位于同一格网单元与高程，若...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱军，曹云刚，胡亚，李维炼，唐俊，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51