一种无人机三维空间飞行路径的快速构建方法及系统技术方案

本发明专利技术实施例提供了一种无人机三维空间飞行路径的快速构建方法及系统，方法包括以下步骤：构造从无人机飞行起点到无人机飞行终点的直线路径；根据直线路径判断是否与障碍物相交，若不与障碍物相交则路径构造结束；若存在相交的障碍物，记录与直线路径相交的障碍物，然后根据与直线路径相交的障碍物生成对应的障碍物模型，障碍物模型为障碍物包络；根据障碍物包络和无人机固定巡航高度确定绕障碍物的飞行路径，根据直线路径与障碍物包络确定飞越所述相交的障碍物的飞行路径；根据相交的障碍物数量和飞行路径长度选择其中一个飞行路径，可以在三维复杂环境下快速构造出可行解，提高了路径搜索效率，具有较高的实际应用价值。值。值。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机三维空间飞行路径的快速构建方法及系统


[0001]本专利技术涉及无人机
，尤其涉及一种无人机三维空间飞行路径的快速构建方法及系统。

技术介绍

[0002]随着物联网和大数据技术的发展，无人机被广泛应用于军事和民用领域。由于无人机在机动性，成本和人员伤亡方面相比车辆具有更大的优势，所以其在战场侦察、边境巡逻、环境领域、作物保护和交通运输中得到了广泛的应用。作为无人机自动飞行的关键，其全局路径规划变得越来越重要。全局路径规划是根据固定标准在已知障碍的复杂环境下创建路径点列表。无人机可以在满足其性能限制下，通过顺序访问列表中的路径点找到不与障碍物碰撞的最佳路径。
[0003]传统的全局路径规划通常考虑二维的路径规划和在恒定的高度穿越无障碍空域，而实际的无人机是在三维地形中飞行，可以变换高度飞行，还要避免与障碍物相撞，且受到无人机性能限制(例如最大爬升率、转弯半径等)，飞行场景更加复杂。
[0004]无人机在三维空间的路径规划引出了一类新的问题——无人机三维避障飞行问题。该问题是传统无人机路径规划问题的扩展和延伸。其不仅需要确定无人机避开障碍物的最佳方式，是绕过建筑物飞行还是飞越建筑物，还需要在飞行的过程中考虑无人机的性能约束。从二维到三维不仅仅是维度上的增加，还在转弯半径约束的基础上，增加了对无人机飞行高度的限制。这使得构造无人机可行路径更加困难。
[0005]针对该问题，传统的路径规划方法主要分解为两步:第一步是建立多个起点到终点的路径，第二步是在这些路径中寻找高质量的路径。这使得增加了存储空间，且降低了搜索效率。如何提高路径搜索效率，高效构造出可行路径是一个重要研究课题。
[0006]申请人发现现有技术中至少存在如下问题：无人机路径搜索效率低，会增加存储空间。

技术实现思路

[0007]本专利技术实施例所解决的技术问题是无人机路径搜索效率低，会增加存储空间的问题。
[0008]为达上述目的，一方面，本专利技术实施例提供了一种无人机三维空间飞行路径的快速构建方法，包括以下步骤：
[0009]构造从无人机飞行起点到无人机飞行终点的直线路径；
[0010]根据所述直线路径判断是否与障碍物相交，若不与障碍物相交则路径构造结束；若存在相交的障碍物，记录与所述直线路径相交的障碍物，然后根据所述与所述直线路径相交的障碍物生成对应的障碍物模型，所述障碍物模型为障碍物包络；
[0011]根据所述障碍物包络和无人机固定巡航高度确定绕所述相交的障碍物的飞行路径，根据所述直线路径与所述障碍物包络确定飞越所述相交的障碍物的飞行路径；
[0012]根据所述相交的障碍物数量和飞行路径长度选择其中一个飞行路径。
[0013]另一方面，本专利技术实施例提供了一种无人机三维空间飞行路径的快速构建系统，包括：
[0014]直线路径构建单元，用于构造从无人机飞行起点到无人机飞行终点的直线路径；
[0015]障碍模型生成单元，用于根据所述直线路径判断是否与障碍物相交，若不与障碍物相交则路径构造结束；若存在相交的障碍物，记录与所述直线路径相交的障碍物，然后根据所述与所述直线路径相交的障碍物生成对应的障碍物模型，所述障碍物模型为障碍物包络；
[0016]路径建立单元，用于根据所述障碍物包络和无人机固定巡航高度确定绕所述相交的障碍物的飞行路径，根据所述直线路径与所述障碍物包络确定飞越所述相交的障碍物的飞行路径；
[0017]路径选择单元，用于根据所述相交的障碍物数量和飞行路径长度选择其中一个飞行路径。
[0018]上述技术方案具有如下有益效果：本专利技术提出的方法可以在复杂的环境下，给出满足无人机性能的路径规划，满足无人机飞行性能限制的条件下快速构造出可行路径，飞行路径不仅满足无人机飞行特性和航空管理规定，如转弯半径、最大距离和最大高度等，并且可以在三维复杂环境下快速构造出可行解，提高了路径搜索效率，具有较高的实际应用价值。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1是本专利技术实施例提供的一种无人机三维空间飞行路径的快速构建方法的流程图；
[0021]图2是本专利技术实施例提供的一种无人机三维空间飞行路径的快速构建系统的结构示意图；
[0022]图3是本专利技术实施例提供的一种无人机三维空间飞行路径的快速构建方法的第一种实施方式的障碍物包络图；
[0023]图4是本专利技术实施例提供的一种无人机三维空间飞行路径的快速构建方法的第二种实施方式的障碍物包络图；
[0024]图5是本专利技术实施例提供的一种无人机三维空间飞行路径的快速构建方法的无人机飞行路径点示意图；
[0025]图6是本专利技术实施例提供的一种无人机三维空间飞行路径的快速构建方法的飞越障碍物的第一种实施方式飞行路径点示意图；
[0026]图7是本专利技术实施例提供的一种无人机三维空间飞行路径的快速构建方法的飞越障碍物的第二种实施方式飞行路径点示意图；
[0027]图8是本专利技术实施例提供的一种无人机三维空间飞行路径的快速构建方法的无人
机飞行运动模型图；
[0028]图9是本专利技术实施例提供的一种无人机三维空间飞行路径的快速构建方法的具有5个障碍物的椭圆柱包络图；
[0029]图10是本专利技术实施例提供的一种无人机三维空间飞行路径的快速构建方法的具有5个障碍物的椭圆柱包络及飞行路径图；
[0030]图11是本专利技术实施例提供的一种无人机三维空间飞行路径的快速构建方法的具有5个障碍物的飞行路径图。
具体实施方式
[0031]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0032]本专利技术提供了一种无人机三维空间飞行路径的快速构建方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0033]S101：构造从无人机飞行起点到无人机飞行终点的直线路径；
[0034]给定起点S和终点E，途中存在一些障碍物O1，O2，
…
，O
N
，我们的目标是生成一条从S到E的路径，该路径满足无人机飞行特性和航空管理规定，如转弯半径、最大距离和最大高度等。首先构造从起点到终点的直线路径。
[0035]S102：根据所述直线路径判断是否与障碍物相交，若不与障碍物相交则路径构造结束；若存在相交的障碍物，记录与所述直线路径相交的障碍物，然后根据所述与所述直线路径相交的障碍物生成对应的障碍物模型，所述障碍物模型为障碍物包络；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机三维空间飞行路径的快速构建方法，其特征在于，包括以下步骤：构造从无人机飞行起点到无人机飞行终点的直线路径；根据所述直线路径判断是否与障碍物相交，若不与障碍物相交则路径构造结束；若存在相交的障碍物，记录与所述直线路径相交的障碍物，然后根据所述与所述直线路径相交的障碍物生成对应的障碍物模型，所述障碍物模型为障碍物包络；根据所述障碍物包络和无人机固定巡航高度确定绕所述相交的障碍物的飞行路径，根据所述直线路径与所述障碍物包络确定飞越所述相交的障碍物的飞行路径；根据所述相交的障碍物数量和飞行路径长度选择其中一个飞行路径。2.根据权利要求1所述的一种无人机三维空间飞行路径的快速构建方法，其特征在于，在根据所述相交的障碍物数量和飞行路径长度选择其中一个飞行路径之后，基于dubins路径生成三条子路径，按照障碍物数量和路径长度的规则在三条子路径中选出一条子路径，沿着选出的一条子路径飞行，重复躲避障碍物的过程，直至到达所述无人机飞行终点，得到一条从起点到终点的无冲突Dubins三维路径。3.根据权利要求1所述的一种无人机三维空间飞行路径的快速构建方法，其特征在于，所述根据所述障碍物包络和无人机固定巡航高度确定绕所述相交的障碍物的飞行路径，包括：根据所述障碍物包络和无人机固定巡航高度确定椭圆，得到椭圆切线；根据所述椭圆切线的交点生成两个绕所述相交的障碍物的飞行路径；根据所述相交的障碍物数量和路径偏离所述直线路径的角度选择其中一个飞行路径。4.根据权利要求1所述的一种无人机三维空间飞行路径的快速构建方法，其特征在于，所述根据所述直线路径与所述障碍物包络确定飞越所述相交的障碍物的飞行路径，包括：根据所述直线路径与所述障碍物包络的交点以及所述障碍物的高度确定飞越所述障碍物经过的路径点。5.根据权利要求1所述的一种无人机三维空间飞行路径的快速构建方法，其特征在于，所述障碍物包络模型为：当飞行高度z小于障碍物的高度h
i
时：当飞行高度大于障碍物高度(z≥h
i
)时：其中：对于每一个相交的障碍物，中心坐标为(x
i
,y
i
,z
i
)，每一个相交的障碍物长度、宽度和高度分别记为2a，2b和h
i
，单位均为米；θ是半长轴的倾斜度，单位为度；r是无人驾驶飞机距障碍物的最小半径，单位为米；z为飞行高度，单位为米；h
i
为障碍物的高度；单位为米。6.一种无人机三维空间飞行路径的快速构建系统，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄金才，周玉珍，石建迈，黄魁华，孙博良，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：