一种低空物流无人机路径规划方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种低空物流无人机路径规划方法及系统，方法包括：首先采用栅格法将所述物流无人机的飞行环境进行栅格划分，确定各所述自由栅格的危险度；其次基于所述目标函数和所述物流无人机的机动性能约束条件构建物流无人机路径规划模型；然后确定物流无人机路径规划模型的飞行路径；最后采用双向交叉判断法对所述飞行路径进行优化，获得优化飞行路径。本发明专利技术引入的双向交叉判断法能够对物流无人机飞行路径进行精简，得到优化飞行路径，有效解决原算法规划出的路径存在冗余路径点的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种低空物流无人机路径规划方法及系统
本专利技术涉及无人机路径规划
，特别是涉及一种低空物流无人机路径规划方法及系统。
技术介绍
随着无人机技术日臻成熟，各型别无人机应用领域不断扩大，如军事侦查、农林生产等，甚至可用于物流运输。由于物流无人机自身及环境限制复杂，其飞行路径是将货物安全、经济、快捷运送至目的地的重要保障，对降低运营成本、提升流转效率有重要现实意义。国内外关于物流无人机路径规划的研究主要面向飞行行为、宏观路径规划，且考虑的路径影响要素单一有限，未体现具体飞行环境和无人机空中运动特点；另外，国内外关于物流无人机路径规划路径无法解决原算法规划出的路径存在冗余路径点的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种低空物流无人机路径规划方法及系统，以解决飞行路径存在冗余路径点的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种低空物流无人机路径规划方法，所述方法包括：步骤S1：采用栅格法将所述物流无人机的飞行环境进行栅格划分，确定各所述自由栅格的危险度；步骤S2：根据各所述自由栅格的危险度构建目标函数；步骤S3：确定物流无人机的机动性能约束条件；步骤S4：基于所述目标函数和所述物流无人机的机动性能约束条件构建物流无人机路径规划模型；步骤S5：确定物流无人机路径规划模型的飞行路径；步骤S6：采用双向交叉判断法对所述飞行路径进行优化，获得优化飞行路径。可选的，所述采用栅格法将物流无人机的飞行环境进行栅格划分，确定各所述自由栅格的危险度，具体包括：步骤S11：采用栅格法将物流无人机的飞行环境进行栅格划分；步骤S12：判断各栅格中是否存在障碍；若存在障碍，该栅格为障碍栅格；如果不存在障碍，则该栅格为自由栅格；步骤S13：确定各所述自由栅格的危险度。可选的，所述根据各所述自由栅格的危险度构建目标函数，具体包括：步骤S21：确定所述物流无人机完成运输任务所需的总时间和飞行耗能；步骤S22：根据所述危险度、所述总时间和所述飞行耗能构建目标函数。可选的，所述确定物流无人机的机动性能约束条件，具体包括：步骤S31：确定所述物流无人机运输路径上相邻两路径点间的距离约束条件；步骤S32：确定物流无人机单次货物运输的航程约束条件；步骤S33：确定物流无人机转弯时的操作约束条件；步骤S34：确定物流无人机飞行的高度约束条件；步骤S35：确定物流无人机实际飞行的耗能约束条件；步骤S36：确定物流无人机实际装载货物的重量约束条件。可选的，所述确定物流无人机路径规划模型的飞行路径，具体包括：步骤S51：根据各所述自由栅格的危险度确定动态加权估计代价函数；步骤S52：根据动态加权估计代价函数确定飞行路径。可选的，所述根据各所述自由栅格的危险度确定动态加权估计代价函数，具体包括：步骤S511：获取货物重量；步骤S512：根据所述货物重量确定货物重量惩罚系数；步骤S513：根据所述货物重量惩罚系数和各所述自由栅格的危险度确定实际代价函数；步骤S514：确定启发式函数；步骤S515：确定所述实际代价函数的权重系数；步骤S516：确定所述启发式函数的权重系数；步骤S517：根据所述实际代价函数、所述实际代价函数的权重系数、所述启发式函数和所述启发式函数的权重系数确定动态加权估计代价函数。可选的，所述根据动态加权估计代价函数确定飞行路径，具体包括：步骤S521：建立开启列表、关闭列表和飞行路径表，将起始派送点所在栅格加入开启列表，将障碍栅格加入关闭列表，将起始派送点加入飞行路径表；步骤S522：确定起始派送点，并将起始派送点周围危险度不为1的自由栅格加入开启列表；步骤S523：根据所述动态加权估计代价函数计算所述开启列表内各自由栅格对应的路径点的第一估计代价函数值；步骤S524：选取第一估计代价函数值最小的路径点作为飞行路径点，将该路径点加入飞行路径表，并将该路径点从开启列表中删除，加入关闭列表；步骤S525：判断飞行路径点是否为目的派送点；如果飞行路径点为目的派送点，则根据所述飞行路径表内的各飞行路径点确定飞行路径；如果飞行路径点不为目的派送点，执行步骤S526；步骤S526：判断目的派送点是否在关闭列表中或判断开启列表是否为空；如果目的派送点在关闭列表中或开启列表为空，则路径搜索结束，根据所述飞行路径表内的各飞行路径点确定飞行路径，并执行步骤S6；如果目的派送点不在关闭列表中且开启列表不为空，则执行步骤S527；步骤S527：判断飞行路径点周围第k个自由栅格的危险度是否为1；如果第k个自由栅格的危险度为1，则跳过第k个自由栅格对应的路径点，并将第k个自由栅格放入关闭列表，令k＝k+1，并执行步骤S529；如果第k个自由栅格的危险度不为1，则判断第k个自由栅格是否在开启列表内；如果第k个自由栅格不在开启列表内，将第k个自由栅格加入开启列表，并返回步骤S523；如果第k个自由栅格在开启列表内，则根据所述动态加权估计代价函数计算第k个自由栅格对应的路径点的第二估计代价函数值；步骤S528：判断第二估计代价函数值是否小于第一估计代价函数值；如果第二估计代价函数值小于第一估计代价函数值，则第k个自由栅格对应的路径点的父节点为飞行路径点；如果第二估计代价函数值大于或等于第一估计代价函数值，则第k个自由栅格对应的路径点的父节点不变，令k＝k+1，并执行步骤S529；步骤S529：判断k是否小于或等于飞行路径点周围自由栅格的总个数；如果k小于或等于飞行路径点周围自由栅格的总个数，则返回步骤S527；如果k大于飞行路径点周围自由栅格的总个数，则将飞行路径点作为起始派送点，并返回步骤S522。可选的，所述采用双向交叉判断法对所述飞行路径进行优化，获得优化飞行路径，具体包括：步骤S61：对所述飞行路径中各飞行路径点按高度划分为多段子路径；步骤S62：选取各段子路径中飞行路径点个数大于2的子路径作为待判断子路径；步骤S63：判断迭代次数i是否小于或等于sum-2，sum为各待判断子路径中各飞行路径点总个数；如果i小于或等于sum-2，则执行步骤S64；如果i大于sum-2，则将飞行路径中位于冗余路径点列表中的飞行路径点筛除，输出优化飞行路径；步骤S64：判断飞行路径点pj与飞行路径点pj+num-i是否位于冗余路径点列表中，(j＝1,2,…,i)；如果飞行路径点pj与飞行路径点pj+num-i均不位于冗余路径点列表中，则执行步骤S65；如果飞行路径点pj与飞行路径点pj+num-i位于冗余路径点列表中，则执行步骤S67；步骤S65：判断飞行路径点pj与飞行路径点pj+num-i之间的连线是否与障碍物交叉；如果不存在障碍物交叉，则执行步骤S66；如果存在障碍物交叉，则跳过飞行路径点pj和飞行路径点pj+num-i，执本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低空物流无人机路径规划方法，其特征在于，所述方法包括：/n步骤S1：采用栅格法将所述物流无人机的飞行环境进行栅格划分，确定各所述自由栅格的危险度；/n步骤S2：根据各所述自由栅格的危险度构建目标函数；/n步骤S3：确定物流无人机的机动性能约束条件；/n步骤S4：基于所述目标函数和所述物流无人机的机动性能约束条件构建物流无人机路径规划模型；/n步骤S5：确定物流无人机路径规划模型的飞行路径；/n步骤S6：采用双向交叉判断法对所述飞行路径进行优化，获得优化飞行路径。/n

【技术特征摘要】
1.一种低空物流无人机路径规划方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：采用栅格法将所述物流无人机的飞行环境进行栅格划分，确定各所述自由栅格的危险度；
步骤S2：根据各所述自由栅格的危险度构建目标函数；
步骤S3：确定物流无人机的机动性能约束条件；
步骤S4：基于所述目标函数和所述物流无人机的机动性能约束条件构建物流无人机路径规划模型；
步骤S5：确定物流无人机路径规划模型的飞行路径；
步骤S6：采用双向交叉判断法对所述飞行路径进行优化，获得优化飞行路径。


2.根据权利要求1所述的低空物流无人机路径规划方法，其特征在于，所述采用栅格法将物流无人机的飞行环境进行栅格划分，确定各所述自由栅格的危险度，具体包括：
步骤S11：采用栅格法将物流无人机的飞行环境进行栅格划分；
步骤S12：判断各栅格中是否存在障碍；若存在障碍，该栅格为障碍栅格；如果不存在障碍，则该栅格为自由栅格；
步骤S13：确定各所述自由栅格的危险度。


3.根据权利要求1所述的低空物流无人机路径规划方法，其特征在于，所述确定物流无人机的机动性能约束条件，具体包括：
步骤S31：确定所述物流无人机运输路径上相邻两路径点间的距离约束条件；
步骤S32：确定物流无人机单次货物运输的航程约束条件；
步骤S33：确定物流无人机转弯时的操作约束条件；
步骤S34：确定物流无人机飞行的高度约束条件；
步骤S35：确定物流无人机实际飞行的耗能约束条件；
步骤S36：确定物流无人机实际装载货物的重量约束条件。


4.根据权利要求1所述的低空物流无人机路径规划方法，其特征在于，所述确定物流无人机路径规划模型的飞行路径，具体包括：
步骤S51：根据各所述自由栅格的危险度确定动态加权估计代价函数；
步骤S52：根据动态加权估计代价函数确定飞行路径。


5.根据权利要求4所述的低空物流无人机路径规划方法，其特征在于，所述根据各所述自由栅格的危险度确定动态加权估计代价函数，具体包括：
步骤S511：获取货物重量；
步骤S512：根据所述货物重量确定货物重量惩罚系数；
步骤S513：根据所述货物重量惩罚系数和各所述自由栅格的危险度确定实际代价函数；
步骤S514：确定启发式函数；
步骤S515：确定所述实际代价函数的权重系数；
步骤S516：确定所述启发式函数的权重系数；
步骤S517：根据所述实际代价函数、所述实际代价函数的权重系数、所述启发式函数和所述启发式函数的权重系数确定动态加权估计代价函数。


6.根据权利要求4所述的低空物流无人机路径规划方法，其特征在于，所述根据动态加权估计代价函数确定飞行路径，具体包括：
步骤S521：建立开启列表、关闭列表和飞行路径表，将起始派送点所在栅格加入开启列表，将障碍栅格加入关闭列表，将起始派送点加入飞行路径表；
步骤S522：确定起始派送点，并将起始派送点周围危险度不为1的自由栅格加入开启列表；
步骤S523：根据所述动态加权估计代价函数计算所述开启列表内各自由栅格对应的路径点的第一估计代价函数值；
步骤S524：选取第一估计代价函数值最小的路径点作为飞行路径点，将该路径点加入飞行路径表，并将该路径点从开启列表中删除，加入关闭列表；
步骤S525：判断飞行路径点是否为目的派送点；如果飞行路径点为目的派送点，则根据所述飞行路径表内的各飞行路径点确定飞行路径；如果飞行路径点不为目的派送点，执行步骤S526；
步骤S526：判断目的派送点是否在关闭列表中或判断开启列表是否为空；如果目的派送点在关闭列表中或开启列表为空，则路径搜索结束，根据所述飞行路径表内的各飞行路径点确定飞行路径，并执行步骤S6；如果目的派送点不在关闭列表中且开启列表不为空，则执行步骤S527；
步骤S527：判断飞行路径点周围第k个自由栅格的危险度是否为1；如果第k个自由栅格的危险度为1，则跳过第k个自由栅格对应的路径点，并将第k个自由栅格放入关闭列表，令k＝k+1，并执行步骤S529；如果第k个自由栅格的危险度不为1，则判断第k个自由栅格是否在开启列表内；如果第k...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洪海，许卫卫，张启钱，刘皞，邹依原，卿原，钱欣悦，李翰，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32