一种顾及DSM模型的多无人机协同三维航迹规划方法技术

本发明专利技术提供一种多无人机协同三维航迹规划方法，首先用最小外包凸多边形算法计算得到目标作业区域的抽象最小凸包，并使用凸多边形简化算法生成特定边数的多边形区域，然后分割区域，对每个区域实行Z形覆盖，确定各无人机的飞行任务区域，并将其离散化为抽象的图节点，再建立航迹评价函数，并利用此评价函数结合遗传算法求解出最优化航迹。最后根据DSM模型获得三维数据并导出为KML数据。本发明专利技术充分利用DSM模型、快速凸包算法、区域分割与覆盖算法和遗传算法，具有规划速度快，成本低，精度高，覆盖效果好的特点，同时也对多无人机协调规划、全航迹覆盖有明显优化作用，为多无人机的航迹规划领域提供了一种有效的航迹规划方法。规划领域提供了一种有效的航迹规划方法。规划领域提供了一种有效的航迹规划方法。

A collaborative three-dimensional path planning method for multiple unmanned aerial vehicles considering DSM model

【技术实现步骤摘要】
一种顾及DSM模型的多无人机协同三维航迹规划方法


[0001]本专利技术涉及遥感科学与技术相关的领域，尤其涉及多无人机的航迹规划算法，提供一种全自动化的规划方法。

技术介绍

[0002]无人驾驶飞机简称无人机(Unmanned Aerial Vehicle,缩写UAV),是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务，并能重复使用的无人驾驶航空器。无人机与遥感技术的结合，在科技、农业、交通、医疗、应急、救援等不同应用中都得到了广泛使用，携带高分辨率摄像机的无人机更是获取航空影像必不可少的重要工具。要实现无人机的自主飞行，需要依靠路径规划指导无人机规避障碍、提高任务执行的效率，最大化节约能源、避免资源的浪费。
[0003]目前，无人机路径规划算法主要分为两类：一类是在起点和终点之间寻找出一条能躲避障碍的最佳飞行路径；第二类是为无人机执行完全覆盖扫描某一特定区域的飞行任务规划最优路径，此问题又称“覆盖路径规划”问题。在一些需要全面扫描目的区域的任务，如灾害搜索与救援、环境监测等任务中，需要无人机执行覆盖飞行任务全面扫描目标区域，因此本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种顾及DSM模型的多无人机协同三维航迹规划方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤1、输入多无人机目标作业区域高程地形的高程栅格数据，并转化为数字地表模型(Digital Surface Model，DSM)；步骤2、利用最小外包凸多边形算法计算得到目标作业区域的抽象最小凸包，并使用凸多边形简化算法生成特定边数的多边形区域；步骤3、分割步骤2得到的多边形区域，对每个区域实行Z形覆盖，确定各无人机的飞行任务区域，并将其离散化为抽象的图节点；步骤4、建立航迹评价函数，用于步骤5中对每个区域的无人机航迹进行评价和优化；步骤5、利用遗传算法，结合步骤4中建立的航迹评价函数规划和优化飞行任务区域的无人机航迹，直到搜索到最优解；步骤6、根据步骤5中利用遗传算法得到的多个无人机的监测航迹最优解以及作业区域的DSM模型，得到无人机航迹的高程信息；步骤7、将步骤6中得到的具有高程数据的无人机航迹转化为无人机可用的KML(Keyhole Markup Language)数据，并导出。2.如权利要求1所述的一种顾及DSM模型的多无人机协同三维航迹规划方法，其特征在于：步骤2中的具体实现方式为：对多边形边界组成的散点集S＝{P0,P1,P2,
…
,P
n
}进行计算，首先获取该散点集中分别处于上、下、左、右四个方向的极点Q＝{P
N
,P
S
,P
E
,P
W
}，从S中删去Q，并将Q中的点两两连接形成边集T＝{E0,E1,E2,E3,
…
,E
n
}，边集T构成该算法的最初始的最小外包凸多边形，再分别计算散点集S中每个点P
i
与边集T中每一条边E
i
的距离D
i
，并加入到距离集合R中；筛选出距离集合R中的最大距离D
max
，找到其对应的边E
max
和对应的点P
max
，将P
max
移出散点集S，并添加到集合Q中，将边集T清空，将Q中的点两两连接，重新计算得到新的边集T，反复迭代上述过程，直至最小外包凸多边形边界的组成的散点集S为空时停止计算，得到的边集T即是所求的最小凸包；此时生成的凸包往往边数过多，因此还需对其优化，删去一部分顶点，对点集合Q中的每一个顶点P
i
都遍历一次，并应用海伦公式：式中S
Delta
为三角形的面积，a,b,c为三角形的边长，p为三角形的半周长；通过上式计算其与其相邻的两个顶点P
j
,P
k
所构成的三角形之间的面积，形成面积集合A，计算完毕后，筛选出A中面积最小的三角形，并认为其对凸多边形的形状贡献最小，从Q中删去贡献程度最小的点，同时重新计算T，重复上述过程，直到T中的边数小于给定的阈值∈。3.如权利要求1所述的一种顾及DSM模型的多无人机协同三维航迹规划方法，其特征在于：步骤3的具体实现方法为：对步骤2中得到的多边形区域，在其中选取某一点M，连接M和特定边数的凸多边形区域的每个顶点，将此多边形分割为若干个三角形，每一个三角形即为一个无人机的覆盖区域；同时，为了保证覆盖面积最大化的同时尽量缩...

【专利技术属性】
技术研发人员：周家豪，孟庆祥，李勃衡，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：