一种基于二三维一体化的无人机路径动态规划方法技术

本发明专利技术提供了一种基于二三维一体化的无人机路径动态规划方法。该方法步骤如下：步骤1：对无人机路径规划区域进行倾斜摄影建模；步骤2：二维地图窗口中规划初始无人机路径和高度属性值；步骤3：基于GIS限制面分析算法判断三维地图窗口中航路点是否在地物外部；步骤4：基于GIS通视性算法判断三维地图窗口中航路点之间的通视性；步骤5：三维地图窗口中判断新航路点是否在地物外部；步骤6：二维地图窗口中得到无人机路径航路点位置及高度属性值。相比传统的无人机路径规划方法，本发明专利技术的方法一方面可以满足复杂真实环境下的无人机路径安全性要求，另一方面可以极大地提高无人机路径规划效率。

A dynamic path planning method of UAV Based on two-dimensional and three-dimensional integration

The invention provides a path dynamic planning method of an UAV Based on two-dimensional and three-dimensional integration. The steps of this method are as follows: Step 1: build slant photographing model for UAV path planning area; step 2: plan initial UAV path and height attribute value in 2D map window; step 3: judge whether the navigation point in 3D map window is outside the ground object based on GIS restricted surface analysis algorithm; step 4: judge the navigation point between the navigation points in 3D map window based on GIS visibility algorithm Visibility; step 5: judge whether the new waypoint is outside the figure in the 3D map window; step 6: get the location and altitude attribute values of the route waypoint of the UAV in the 2D map window. Compared with the traditional UAV path planning method, the method of the invention can meet the requirements of UAV path safety in complex real environment on the one hand, and can greatly improve the efficiency of UAV path planning on the other hand.

【技术实现步骤摘要】
一种基于二三维一体化的无人机路径动态规划方法
本专利技术属于无人机
，具体涉及一种基于二三维一体化的无人机路径动态规划方法。
技术介绍
一方面随着并行计算和计算机图形学的发展，目前无人机航空摄影测量产生的倾斜摄影模型因具有真实纹理、可量测和全要素等特性，被广泛运用到国土规划、资源勘测、“数字地球”等领域。另一方面二维地图与三维场景地图之间的一体化思想最早应用于军事训练中，其目的为了解决士兵在虚拟环境造成方向迷失感的问题。二三维联动技术基于二维电子地图和三维电子地图可视化的基础上，实现二维电子地图和相应三维虚拟场景的双向通信，其实现方法主要对二维窗口与三维窗口进行坐标系转换和投影变换，从而实现二维地图与三维场景之间的双向通信和互操作。近年来，动态环境规划作为当前无人机(UAV)路径规划的热点问题之一，一条适宜的路径需要同时满足运动学约束(包括曲率和扭矩约束)和安全性约束，在进行单机无人机动态环境规划过程中主要考虑静物对无人机安全性约束的影响。无人机二维路径动态规划的方法包括路线图法(可见图法、Voronoi图法)、概率法(PRR法、PRM法、RRT法)、潜在区域法和细胞分解法。这些方法最初用于机器人路径规划，而后被逐渐应用到无人机路径规划中，并且近年来被拓展到三维，例如3DDubins路径和PH(Pythagoreanhodographs)路径。但是目前这些方法较为落后，归纳起来主要有以下几点缺陷：(1)二维动态路径规划缺失高度安全性约束二维路径动态规划虽然在搜索空间效率方面比三维路径动态规划高，但是由于其缺失无人机路径的高度安全性约束，与无人机真实路径存在较大差异，因此仅用于理论方面的研究，离实际应用存在较大差异。(2)三维动态路径规划搜索空间效率较低虽然目前的三维无人机路径动态规划满足无人机真实路径的高度安全性约束，但是一方面由于增加高度安全性约束使得搜索空间效率成指数增长；另一方面目前大多无人机三维路径的规划环境与真实环境有较大差异，而且大多数无人机路径规划都是通过相关三维路径算法计算出路径集，然后人工在现场进行航路点校正工作。
技术实现思路
本专利技术将无人机采集的航空影像处理获得的倾斜摄影模型运用到无人机三维路径中，从而有效地再现真实环境规划中的静态目标和障碍物。本专利技术采用的技术方案如下：一种基于二三维一体化的无人机路径动态规划方法，包括如下步骤：步骤1：对无人机路径规划区域构建全要素实景模型；步骤2：在二维地图窗口中规划初始无人机路径和高度属性值；步骤3：基于步骤1的全要素实景模型生成三维全要素实景地图窗口，利用GIS限制面分析算法，判断三维全要素实景地图窗口中航路点是否在地面物体的外部；步骤4：基于GIS通视性算法，判断三维全要素实景地图窗口中航路点之间的通视性，若航路点之间不通视性，则对当前航路点增加高度值，获得新航路点；步骤5：利用步骤3的方法，在三维全要素实景地图窗口中判断新航路点是否在地面物体的外部；步骤6：重复步骤4至5，得到调整后的无人机航路点的三维坐标，经过坐标系统转换和投影变换在二维地图窗口中得到无人机路径航路点位置及高度属性值。进一步地，所述步骤1中，构建全要素实景模型包括特征点识别、密集点云生成、不规则TIN格网构建和纹理自动映射四个过程。进一步地，所述步骤2中，在二维地图窗口中规划满足运动学约束的初始无人机路径，其水平方向通过在二维地图上调整航路点位置来满足转弯率约束，垂直方向通过改变其中一个航路点的高度值来满足俯仰率约束。进一步地，所述步骤3中，判断三维全要素实景地图窗口中航路点是否在地面物体的外部的具体方法为：将在二维地图窗口中的航路点和高度值进行坐标系转换和投影变换变成三维坐标，然后在三维全要素实景地图窗口中判断航路点的高度是否大于当前位置地面物体的高度；若大于，则满足初始无人机路径要求；反之则不满足，需要在二维地图窗口中调整航路点的高度或位置。进一步地，所述步骤4中，判断三维全要素实景地图窗口中航路点之间的通视性的具体方法是：判断航路点Ai与航路点Ai+1之间的通视性，若通视，则两航点在二维地图中对应的路径符合安全性约束；反之，保持航路点Ai高度值不变，进行以下判断：(1)若航路点Ai的高度Hi小于或等于航路点Ai+1的高度Hi+1，①并且航路点Ai与航路点Ai+1之间没有比航路点Ai至Ai+1可通视的更大仰角θi，则航路点Ai+1的高度增加值△Hi+1为YAi+1-YAi，并以Ai+1i为航路点Ai+1的新航路点Ai+1’；②若航路点Ai与航路点Ai+1之间有比仰角θi更大的可通视仰角，则以过Ai+1航路点的垂线与Ai最大仰角θi射线之间的交点为新航路点Ai+1’，并以航路点Ai至新航路点Ai+1’的仰角θi最大值确定的路径计算△Hi+1，即以航路点Ai与航路点Ai+1之间投影区域的最大可通视仰角来确定无人机安全路径；(2)若航路点Ai的高度Hi大于航路点Ai+1的高度Hi+1，①并且航路点Ai与航路点Ai+1之间没有比航路点Ai至Ai+1可通视的最小俯角θi，则航路点Ai+1的高度增加值△Hi+1为YAi+1-YAi，并以Ai+1i为航路点Ai+1的新航路点Ai+1’；②若航路点Ai与航路点Ai+1之间有比俯角θi更小的可通视俯角，则以过Ai+1航路点的垂线与Ai最小俯角θi射线之间的交点为新航路点Ai+1’，并以航路点Ai至新航路点Ai+1’的俯角θi最小值确定的路径计算△Hi+1，即以航路点Ai与航路点Ai+1之间投影区域的最小可通视俯角来确定Ai+1增加的高度值。相比传统的二、三维无人机路径规划方法，本专利技术方法综合考虑二维无人机路径规划的便捷性与三维路径规划的真实有效性，通过GIS的限制面分析、通视性分析等空间分析功能实现无人机二三维路径在倾斜摄影模型中的快速有效规划，具有以下优势：(1)基于倾斜摄影生产的全要素实景模型能实现对真实环境的再现，提高了无人机路径对障碍物的安全约束性和无人机无人机路径的真实有效性。(2)通过基于二三维一体化技术实现二维和三维窗口的同步规划，极大地提高了无人机路径动态规划效率。(3)本专利技术方法在无人机路径的真实有效性和规划效率方面有大幅提升，因此，对复杂建筑区域的消费级无人机的路径快速规划具有较高的应用价值。附图说明图1是本专利技术实现二三维一体化的原理示意图。图2是本专利技术基于倾斜摄影技术产生倾斜摄影模型流程图。图3是二维地图窗口中规划初始无人机路径和高度属性值示意图，(a)航路点位置调整，(b)航路点高度调整。图4是基于GIS限制面分析算法判断航路点是否在地物外部示意图。图5是GIS通视性距离原理示意图。图6是基于GIS通视性算法判断航路点之间的通视性示意图，(a)利用最大仰角判断，(b)利用最小仰角判断。图7是三维窗口中调整航路点位置满足通视性的示意图。图8是本专利技术实施例中系统整体架构图。...

【技术保护点】
1.一种基于二三维一体化的无人机路径动态规划方法，其特征在于：包括如下步骤：/n步骤1：对无人机路径规划区域构建全要素实景模型；/n步骤2：在二维地图窗口中规划初始无人机路径和高度属性值；/n步骤3：基于步骤1的全要素实景模型生成三维全要素实景地图窗口，利用GIS限制面分析算法，判断三维全要素实景地图窗口中航路点是否在地面物体的外部；/n步骤4：基于GIS通视性算法，判断三维全要素实景地图窗口中航路点之间的通视性，若航路点之间不通视性，则对当前航路点增加高度值，获得新航路点；/n步骤5：利用步骤3的方法，在三维全要素实景地图窗口中判断新航路点是否在地面物体的外部；/n步骤6：重复步骤4至5，得到调整后的无人机航路点的三维坐标，经过坐标系统转换和投影变换在二维地图窗口中得到无人机路径航路点位置及高度属性值。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于二三维一体化的无人机路径动态规划方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：对无人机路径规划区域构建全要素实景模型；
步骤2：在二维地图窗口中规划初始无人机路径和高度属性值；
步骤3：基于步骤1的全要素实景模型生成三维全要素实景地图窗口，利用GIS限制面分析算法，判断三维全要素实景地图窗口中航路点是否在地面物体的外部；
步骤4：基于GIS通视性算法，判断三维全要素实景地图窗口中航路点之间的通视性，若航路点之间不通视性，则对当前航路点增加高度值，获得新航路点；
步骤5：利用步骤3的方法，在三维全要素实景地图窗口中判断新航路点是否在地面物体的外部；
步骤6：重复步骤4至5，得到调整后的无人机航路点的三维坐标，经过坐标系统转换和投影变换在二维地图窗口中得到无人机路径航路点位置及高度属性值。


2.根据权利要求1所述的一种基于二三维一体化的无人机路径动态规划方法，其特征在于：所述步骤1中，构建全要素实景模型包括特征点识别、密集点云生成、不规则TIN格网构建和纹理自动映射四个过程。


3.根据权利要求1所述的一种基于二三维一体化的无人机路径动态规划方法，其特征在于：所述步骤2中，在二维地图窗口中规划满足运动学约束的初始无人机路径，其水平方向通过在二维地图上调整航路点位置来满足转弯率约束，垂直方向通过改变其中一个航路点的高度值来满足俯仰率约束。


4.根据权利要求1所述的一种基于二三维一体化的无人机路径动态规划方法，其特征在于：所述步骤3中，判断三维全要素实景地图窗口中航路点是否在地面物体的外部的具体方法为：
将在二维地图窗口中的航路点和高度值进行坐标系转换和投影变换变成三维坐标，然后在三维全要素实景地图窗口中判断航路点的高度是否大于当前位置地面物体...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾微波，童矿，
申请(专利权)人：滁州学院，苏州光之翼智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34