本申请公开了基于数字孪生的无人机路径规划方法和系统，方法包括：基于第一目标多源环境感知数据中的第一目标环境数据构建三维环境模型；基于几何模型、物理模型、控制模型、目标物理数据混合动态模型及三维环境模型构建数字孪生体；将第二目标多源环境感知数据输入数字孪生体，基于第二目标多源环境感知数据动态模拟物理无人机的飞行行为，得到模拟飞行环境状态数据；基于模拟飞行环境状态数据，结合预测控制算法和路径规划算法对物理无人机进行路径规划得到目标飞行路径，将目标飞行路径传给物理无人机，控制物理无人机飞行。本申请能够动态模拟物理无人机的实时变化，规划最优飞行路径且有效避开障碍物，可广泛应用于无人机路径控制技术领域。
【技术实现步骤摘要】
本申请涉及无人机路径控制，尤其涉及基于数字孪生的无人机路径规划方法和系统。
技术介绍
1、在无人机
中，数字孪生的应用具有巨大的潜力。传统的无人机系统在复杂环境中的自主导航和避障能力往往受到传感器精度、计算资源以及环境动态性等因素的限制。特别是在灾害监测、智能物流、农业植保等需要精细化操作的场景中，相关技术手段难以应对高度不确定性的环境变化。数字孪生通过实时模拟和虚拟环境重建，为无人机提供了一种全新的解决方案。
2、尽管数字孪生技术为无人机系统带来了显著的优势，但要实现这一目标仍面临诸多挑战。例如，实时处理和融合来自多种传感器的海量数据存在困难，导致系统响应延迟；生成的三维模型往往精度不足，影响无人机的环境感知能力；以及物理实体与虚拟孪生体同步性偏低。
3、综上，相关技术中存在的技术问题有待得到改善。
技术实现思路
1、本申请实施例旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本申请实施例的主要目的在于提出基于数字孪生的无人机路径规划方法和系统，能够动态模拟物理无人机的实时变化，规划最优飞行路径且有效避开障碍物。
2、为实现上述目的，本申请实施例的一方面提出了基于数字孪生的无人机路径规划方法，所述方法包括以下步骤：
3、获取目标飞行区域内物理无人机对应的第一初始多源环境感知数据；
4、对所述第一初始多源环境感知数据进行预处理，得到第一目标多源环境感知数据；所述第一目标多源环境感知数据包括第一目标环境数据；</p>5、基于所述第一目标环境数据构建三维环境模型；
6、基于所述物理无人机对应的几何模型、物理模型、控制模型、目标物理数据混合动态模型以及所述三维环境模型构建数字孪生体；
7、将第二目标多源环境感知数据输入至所述数字孪生体，通过所述数字孪生体基于所述第二目标多源环境感知数据在虚拟空间中动态模拟所述物理无人机的飞行行为，得到针对所述物理无人机的模拟飞行环境状态数据；
8、基于所述模拟飞行环境状态数据，结合目标预测控制算法和目标路径规划算法对所述物理无人机进行路径规划，得到目标飞行路径，并将所述目标飞行路径传输给所述物理无人机，以控制所述物理无人机沿所述目标飞行路径飞行。
9、在一些实施例中，所述方法还包括预先构建所述目标物理数据混合动态模型的步骤，所述预先构建所述目标物理数据混合动态模型具体包括以下步骤：
10、获取数据驱动模型和所述物理无人机对应的所述物理模型；所述数据驱动模型用于补充所述物理模型的非线性特性；
11、结合所述物理模型和所述数据驱动模型，对所述物理无人机和所述物理无人机对应的操作环境进行建模，得到初始物理数据混合动态模型；
12、通过目标最小化损失函数训练所述初始物理数据混合动态模型，得到所述目标物理数据混合动态模型。
13、在一些实施例中，所述目标物理数据混合动态模型的表达式为：
14、
15、其中，表示状态向量x(t)对时间t的导数，x(t)表示所述物理无人机的状态向量，t表示时间，u(t)表示控制输入，f(x(t),u(t)0表示x(t)和u(t)的函数，η(t)表示噪声项，n(x(t),u(t)；θ)表示数据驱动模型的预测结果，θ表示数据驱动模型的参数。
16、在一些实施例中，所述对所述第一初始多源环境感知数据进行预处理，得到第一目标多源环境感知数据，包括：
17、对所述第一初始多源环境感知数据进行特征提取处理，得到第一多源环境感知特征数据；
18、对所述第一多源环境感知特征数据进行时间同步处理，得到第一时间同步特征数据；
19、对所述第一时间同步特征数据进行空间对齐处理，得到第一时空同步特征数据；
20、对所述第一时空同步特征数据进行噪声过滤处理，得到第一时空清洁特征数据；
21、通过粒子滤波器对所述第一时空清洁特征数据进行滤波处理，得到所述第一目标多源环境感知数据；其中，所述粒子滤波器中各个粒子的状态预测基于所述目标物理数据混合动态模型实现。
22、在一些实施例中，所述基于所述第一目标环境数据构建三维环境模型，包括：
23、通过目标表面重建算法对所述第一目标环境数据进行建模，得到三维光滑表面模型；
24、通过目标三角剖分算法对所述三维光滑表面模型进行三角网格化处理，得到所述三维环境模型。
25、在一些实施例中，所述第二目标多源环境感知数据包括第二目标多源传感器数据和第二目标环境数据，所述通过所述数字孪生体基于所述第二目标多源环境感知数据在虚拟空间中动态模拟所述物理无人机的飞行行为，得到针对所述物理无人机的模拟飞行环境状态数据，包括：
26、基于所述第二目标多源传感器数据动态更新在所述数字孪生体中的虚拟环境信息；
27、基于所述第二目标环境数据动态更新在所述数字孪生体中的所述三维环境模型；
28、基于更新后的所述虚拟环境信息和更新后的所述三维环境模型动态更新所述数字孪生体；
29、基于更新后的所述数字孪生体在所述虚拟空间中动态模拟所述物理无人机的飞行行为，得到针对所述物理无人机的所述模拟飞行环境状态数据。
30、在一些实施例中，所述基于所述模拟飞行环境状态数据，结合目标预测控制算法和目标路径规划算法对所述物理无人机进行路径规划，得到目标飞行路径，包括：
31、根据所述目标预测控制算法对所述模拟飞行环境状态数据进行行为预测，得到目标飞行行为控制序列；
32、根据所述目标路径规划算法和目标避碰策略对所述目标飞行行为控制序列进行路径规划，得到所述目标飞行路径。
33、为实现上述目的，本申请实施例的另一方面提出了基于数字孪生的无人机路径规划系统，所述系统包括以下模块：
34、数据获取模块，用于获取目标飞行区域内物理无人机对应的第一初始多源环境感知数据；
35、数据处理模块，用于对所述第一初始多源环境感知数据进行预处理，得到第一目标多源环境感知数据；所述第一目标多源环境感知数据包括第一目标环境数据；
36、三维环境模型构建模块，用于基于所述第一目标环境数据构建三维环境模型；
37、数字孪生体构建模块，用于基于所述物理无人机对应的几何模型、物理模型、控制模型、目标物理数据混合动态模型以及所述三维环境模型构建数字孪生体；
38、飞行行为模拟模块，用于将第二目标多源环境感知数据输入至所述数字孪生体，通过所述数字孪生体基于所述第二目标多源环境感知数据在虚拟空间中动态模拟所述物理无人机的飞行行为，得到针对所述物理无人机的模拟飞行环境状态数据；
39、飞行路径规划模块，用于基于所述模拟飞行环境状态数据，结合目标预测控制算法和目标路径规划算法对所述物理无人机进行路径规划，得到目标飞行路径，并将所述目标飞行路径传输给所述物理本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.基于数字孪生的无人机路径规划方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括预先构建所述目标物理数据混合动态模型的步骤，所述预先构建所述目标物理数据混合动态模型具体包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标物理数据混合动态模型的表达式为：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述第一初始多源环境感知数据进行预处理，得到第一目标多源环境感知数据，包括：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一目标环境数据构建三维环境模型，包括：
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二目标多源环境感知数据包括第二目标多源传感器数据和第二目标环境数据，所述通过所述数字孪生体基于所述第二目标多源环境感知数据在虚拟空间中动态模拟所述物理无人机的飞行行为，得到针对所述物理无人机的模拟飞行环境状态数据，包括：
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述模拟飞行环境状态数据，结合目标预测控制算法和目标路径规划算法对所述物理无人机进行路径规划，得到目标飞行路径，包括：
8.基于数字孪生的无人机路径规划系统，其特征在于，所述系统包括以下模块：
9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法。
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【技术特征摘要】
1.基于数字孪生的无人机路径规划方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括预先构建所述目标物理数据混合动态模型的步骤，所述预先构建所述目标物理数据混合动态模型具体包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标物理数据混合动态模型的表达式为：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述第一初始多源环境感知数据进行预处理，得到第一目标多源环境感知数据，包括：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一目标环境数据构建三维环境模型，包括：
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二目标多源环境感知数据包括第二目标多源传感器数据和第二目标环境数据，所述通过所述数字孪...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴立华，张彬如，乐有树，郑锐滔，武云发，姜金亚，黄国豪，陈越，刘永福，
申请(专利权)人：广东开放大学广东理工职业学院，
类型：发明
国别省市：
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