一种复杂受灾环境下无人机全覆盖三维救援路径规划算法制造技术

本发明专利技术为一种复杂受灾环境下无人机全覆盖三维救援路径规划算法。包括如下步骤：(1)建立环境模型；(2)通过分层规划策略将模型划分为不同高度层，通过地图重构策略对当前高度层地图进行重建，得到二维重构地图；(3)对二维重构地图进行二维全覆盖路径规划：对位置节点进行区域分支判断，按照死区、局部区域到全局区域的顺序进行筛选；(4)采用层间连接策略关联不同层之间的子节点和父节点；(5)判断是否遍历三维环境中所有高度层；(6)进行路径追溯，找出完整的三维路径并输出。本发明专利技术有效降低陷入死点数目，快速实时规划出较短路径，降低路径重复率，具有较好鲁棒性，适用于复杂受灾环境的三维全覆盖路径规划。的三维全覆盖路径规划。的三维全覆盖路径规划。

【技术实现步骤摘要】
一种复杂受灾环境下无人机全覆盖三维救援路径规划算法


[0001]本专利技术属于三维全覆盖路径规划领域，具体涉及一种复杂受灾环境下无人机全覆盖三维救援路径规划算法。

技术介绍

[0002]近年来，随着各种灾难频繁发生，灾区应急救援显得更加重要，由无人机空中辅助进行协同工作成为趋势。
[0003]传统的全覆盖路径规划算法对局部节点选择和陷入死区处理方式太过于简单，同时，在三维层面上未考虑实时的地图重构，会显著增加无效区域以及无效路径节点，这样使得其鲁棒性不好，不能够适应不同的场合，例如复杂城市受灾和复杂森林受灾等情况，所以这将会大大限制传统算法的使用场合，同时导致规划出的路径不准确，路径重复率过高，不能用于高精度要求的领域。
[0004]为解决复杂的实际受灾环境对救援过程的影响，结合无人机对空中区域进行快速三维全覆盖搜索救援，提高对受灾人员的营救率，故本专利技术针对传统全覆盖路径的适应性不强，同时提高算法的强健性，能够应用在不同的场合，提出了无人机全覆盖三维救援路径规划算法，具有广阔的应用前景。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种复杂受灾环境下无人机全覆盖三维救援路径规划算法，在二维固定高度区域内，在当前节点未陷入死区时，采用全局运动策略和局部运动策略；反之，则采用摆脱死区策略寻找下一节点；将二维扩展到三维，需要采用分层规划策略对不同高度值进行划分进行二维规划，地图重构策略对不同高度的障碍物区域进行重新构造，显著缩短了全覆盖的路径长度和重复率，层间连接策略将不同层之间的子节点和父节点关联起来，从而能够进行最终的路径追溯，同时，在三维路径规划层面上还需要对二维的全局运动策略进行扩展，使其能够适应多高度层节点搜寻，最终得到完整三维路径。能够应用在环境复杂的三维受灾环境中。
[0006]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种复杂受灾环境下无人机全覆盖三维救援路径规划算法，包括如下步骤：
[0007]步骤(1)：建立环境模型；
[0008]步骤(2)：预处理：通过分层规划策略将环境模型划分为不同高度层，通过地图重构策略对当前高度层地图进行重建，得到多个不同高度层的二维重构地图；
[0009]步骤(3)：对二维重构地图进行二维全覆盖路径规划：对当前位置节点进行区域分支判断，按照死区、局部区域到全局区域的顺序进行筛选；若当前位置节点位于死区，则应用摆脱死区策略摆脱死区；若位于非死区区域，则再对当前位置节点进行分支判断，若当前位置节点是边界节点及靠近障碍物节点时，应用局部运动策略找出下一个未覆盖节点，即为当前位置节点找到路径更短的下一位置节点；若非上面两种情况，则将全局运动策略应
用于剩余节点；
[0010]步骤(4)：后处理：采用层间连接策略关联不同层之间的子节点和父节点；
[0011]步骤(5)：判断是否遍历三维环境中所有高度层，若未完成，则重复步骤(2)到步骤(4)；反之，则进入下一步；
[0012]步骤(6)：进行路径追溯，利用节点信息，反向找出完整的三维路径并输出。
[0013]进一步的，步骤(2)具体包括如下步骤：
[0014]步骤(21)：采用分层规划策略将环境模型划分为不同高度层，依据当前区域内的最高和最低障碍物的高度差值来获取层间间隔；
[0015]步骤(22)：获取层间间隔后，由地图重构策略对当前高度层地图进行重建，依据当前层内障碍物位置信息，重新构建出障碍物地图以及地图边界，得到二维重构地图。
[0016]进一步的，步骤(21)采用分层规划策略将环境模型划分为不同高度层，依据当前区域内的最高和最低障碍物的高度差值来获取层间间隔，具体为：
[0017][0018]判断当前区域内的最高和最低障碍物的高度差值h
max
‑
h
min
，t1、t2、t3为不同区间高度的边界值，当位于[1,t1]时，无人机以1m作为不同层的间隔距离；若位于[t1+1,t2]时，以2m作为间隔距离；若大于t2+1，则以3m作为最大的间隔距离。
[0019]进一步的，步骤(22)由地图重构策略对当前高度层地图进行重建，依据当前层内障碍物位置信息，重新构建出障碍物地图以及地图边界，得到二维重构地图，具体为：
[0020]地图中的障碍物判断计算表达式如下：
[0021]O
k
＝O
k
∪o
(x y)
,(x y)∈U1,p∈[1,u],k∈[0,h
u
],if
[0022]式中，O
k
为重构地图障碍物节点集合，u为步骤(21)计算出的H值，h
u
为三维环境的最大高度值，U1为当前高度层二维地图位置节点集合，p∈[1,u]表示当前层是属于哪个高度区间，(x y)∈U1表示初始层所属高度区间障碍物集合中的坐标点，k表示当前层的高度值，表示为障碍物坐标点o
(x y)
的高度值，如果此障碍点高度值大于当前层高度，则将其并入O
k
中；反之，则舍弃；
[0023]地图的边界位置计算表达式如下：
[0024]y
max
＝oy
max
+2,x
max
＝ox
max
+2,y
min
＝oy
min
‑
2,x
min
＝ox
min
‑2[0025]式中，y
max
、x
max
、y
min
、x
min
分别为重构地图的上下左右边界坐标位置大小，oy
max
、ox
max
、oy
min
、ox
min
分别为当前层所有障碍物中的横纵坐标最大和最小值。
[0026]进一步的，步骤(3)中的“若当前位置节点位于死区，则应用摆脱死区策略摆脱死区”具体为：
[0027]采用环形分阶段化对比搜索方式，在前n个环形遍历时，同时遍历相邻两个环，对两个相邻环的未覆盖点使用A*算法找出路径及其长度，将所选环中超出重构地图的错误节点剔除后，再通过对比这两个相邻环中所有的未覆盖点的路径长度，找出其中最短长度的未覆盖节点，并将其作为下一节点，否则，环继续往外遍历；
[0028]若在遍历到第n+1个环时，存在一个环有未覆盖点存在，先将所选环中超出重构地
图的错误节点剔除，再找到此环中未覆盖点的最短路径节点作为下一节点，否则，继续往外遍历；
[0029]在遍历到第n+2个环及其之后，重新找到一个有未覆盖点的环，并将所选环中超出重构地图的错误节点剔除，找到此环中最短路径的未覆盖节点作为下一节点。
[0030]进一步的，步骤(3)中的“将全局运动策略应用于剩余节点”具体为：
[0031]当前点非此层起点时，采用转向置信函数和标记函本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复杂受灾环境下无人机全覆盖三维救援路径规划算法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)：建立环境模型；步骤(2)：预处理：通过分层规划策略将环境模型划分为不同高度层，通过地图重构策略对当前高度层地图进行重建，得到多个不同高度层的二维重构地图；步骤(3)：对二维重构地图进行二维全覆盖路径规划：对当前位置节点进行区域分支判断，按照死区、局部区域到全局区域的顺序进行筛选；若当前位置节点位于死区，则应用摆脱死区策略摆脱死区；若位于非死区区域，则再对当前位置节点进行分支判断，若当前位置节点是边界节点及靠近障碍物节点时，应用局部运动策略找出下一个未覆盖节点，即为当前位置节点找到路径更短的下一位置节点；若非上面两种情况，则将全局运动策略应用于剩余节点；步骤(4)：后处理：采用层间连接策略关联不同层之间的子节点和父节点；步骤(5)：判断是否遍历三维环境中所有高度层，若未完成，则重复步骤(2)到步骤(4)；反之，则进入下一步；步骤(6)：进行路径追溯，利用节点信息，反向找出完整的三维路径并输出。2.根据权利要求1所述的算法，其特征在于，步骤(2)具体包括如下步骤：步骤(21)：采用分层规划策略将环境模型划分为不同高度层，依据当前区域内的最高和最低障碍物的高度差值来获取层间间隔；步骤(22)：获取层间间隔后，由地图重构策略对当前高度层地图进行重建，依据当前层内障碍物位置信息，重新构建出障碍物地图以及地图边界，得到二维重构地图。3.根据权利要求2所述的算法，其特征在于，步骤(21)采用分层规划策略将环境模型划分为不同高度层，依据当前区域内的最高和最低障碍物的高度差值来获取层间间隔，具体为：判断当前区域内的最高和最低障碍物的高度差值h
max
‑
h
min
，t1、t2、t3为不同区间高度的边界值，当位于[1,t1]时，无人机以1m作为不同层的间隔距离；若位于[t1+1,t2]时，以2m作为间隔距离；若大于t2+1，则以3m作为最大的间隔距离。4.根据权利要求3所述的算法，其特征在于，步骤(22)由地图重构策略对当前高度层地图进行重建，依据当前层内障碍物位置信息，重新构建出障碍物地图以及地图边界，得到二维重构地图，具体为：地图中的障碍物判断计算表达式如下：O
k
＝O
k
∪o
(x y)
,(x y)∈U1,p∈[1,u],k∈[0,h
u
],式中，O
k
为重构地图障碍物节点集合，u为步骤(21)计算出的H值，h
u
为三维环境的最大高度值，U1为当前高度层二维地图位置节点集合，p∈[1,u]表示当前层是属于哪个高度区间，(x y)∈U1表示初始层所属高度区间障碍物集合中的坐标点，k表示当前层的高度值，表示为障碍物坐标点o
(x...

【专利技术属性】
技术研发人员：于纪言，陈艺，于洪森，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：