基于膨化障碍的无人机三维航迹快速规划方法技术

本发明专利技术涉及一种基于膨化障碍的无人机三维航迹快速规划方法，属于航迹自主规划技术领域。基于确定性规则建立根据任务区域内障碍物的膨化障碍，提出无需进行碰撞检测的改进3D

【技术实现步骤摘要】
基于膨化障碍的无人机三维航迹快速规划方法


[0001]本专利技术涉及一种基于膨化障碍的无人机三维航迹快速规划方法，属于航迹自主规划


技术介绍

[0002]随着任务环境的日趋复杂，无人机因成本低、作战灵活、功能多样、战场生存能力强等优点得到了比有人飞机更加广泛的应用，更加适合执行恶劣环境下的危险任务。无人机在诸多障碍环境中的安全飞行已经有广泛的应用需求，如无人机在城市楼宇密集的任务区域内执行侦察任务、无人机穿越防空火力密集的任务区域执行突防任务。在工程应用需求的牵引下，无人机在密集障碍内的安全飞行已逐渐成为当今各国无人机发展的必备能力。
[0003]航迹自主规划和任务分配是无人机任务规划系统的组成部分，而航迹自主规划是提升无人机自主执行任务能力的关键技术。任务环境日趋复杂，障碍物数量逐渐增多，恶劣的飞行环境使得各国对无人机快速反应能力愈发重视，这对规划算法的实时性、稳定性提出了更加苛刻的要求。提高航迹安全性的同时，保证算法规划效率对无人机具有重要意义，直接关系到无人机存活概率与任务成败。
[0004]在无人机航迹自主规划领域的实际应用中，无人机需要搭载任务规划板载计算机来规划可行的飞行航迹，但是往往存在以下几个问题：1）传统的手动标定航迹方法无法满足实际作战需求；2）在规划的过程中，无人机仍处在运动的状态，且板载计算机计算能力有限，难以通过复杂的轨迹规划方法快速得到可行航迹；导致航迹规划效率低，规划时间长，实时性较差；3）航迹规划结果不满足无人机机动性能约束，使得在复杂环境下规划的航迹不可实现；因此，提高航迹规划效率，提高规划结果安全性和可靠性，在变化环境中为无人机快速规划航迹或新航迹，对任务成败和无人机存活起到关键性作用。
[0005]根据无人机航迹规划算法架构的不同，目前针对无人机避障航迹规划方法主要分为两类：第一类是基于确定规则型的搜索算法，如基于确定性方法最小化原理和状态空间搜索方法，例如以Dijkstra算法、A*算法、D*算法等为代表的图搜索算法，其基于启发式思想，引入节点的代价函数，选择代价最小的航迹节点逐步扩展，直至搜索至设定的航迹终点。
[0006]第二类是随机型的搜索算法，如基于采样的快速扩展随机树类算法，也称RRT类算法，和基于启发式优化算法的遗传算法、蚁群算法等。该类算法每次迭代时生成大量样本，并对样本进行筛选，但容易陷入局部最优，且收敛速度较慢。随机型搜索算法与确定型搜索算法相比，搜索空间不受限制，假设条件不受约束，对于优化函数不要求其特殊性，并 且可
以并行性，但在搜索精度和规划时效性等方面不如基于确定规则型的搜索算法。
[0007]在避障方法方面，目前主要应用的方法为人工势场法，其把障碍物和威胁看成排斥力，目标点当作吸引力，通过合力控制物体的运动，有效规避行进过程中障碍物的阻碍。但是在障碍密集的环境中，易出现无人机因明显斥力而无法到达目标点的现象，和动态环境中航迹局部震荡，甚至与障碍物碰撞的危险现象。
[0008]近年来，A*算法被认为是最有效的寻路算法，在理论上是时间最优的。通过设计代价函数，使得对航迹点的搜索过程中总是选择代价函数值最小的节点作为下一个扩展节点，最终获得最短路径。其中，3D
‑
A*算法是A*算法在三维场景中的应用拓展，其应用场景极丰富，算法可扩展性强，算法成熟，规划效率高。

技术实现思路

[0009]本专利技术公开的基于膨化障碍的无人机三维航迹快速规划方法要解决的技术问题是：基于确定性规则建立根据任务区域内障碍物的膨化障碍，提出无需进行碰撞检测的改进3D
‑
A*算法，将碰撞检测环节转化进入启发式代价函数计算环节，在实现无人机安全避障的三维航迹规划的同时，进一步提高航迹规划效率，使本专利技术能够在线应用，本专利技术还具有生成航迹可靠和操作简单的优点。本专利技术能够在航迹规划工程应用中广泛应用于无人机的三维安全避障航迹规划。
[0010]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。
[0011]本专利技术公开的基于膨化障碍的无人机三维航迹快速规划方法，首先根据无人机机动能力对任务区域进行离散化，制定无人机在离散任务区域地图内的机动规则；基于确定性规则建立任务区域内障碍物的膨化障碍，提升规划空间内可用航迹的安全性；基于提出的改进3D
‑
A*算法生成无人机安全、可飞的三维航迹点序列。
[0012]本专利技术公开的基于膨化障碍的无人机三维航迹快速规划方法，包括以下步骤：步骤1：获取无人机起点、终点的真实地理坐标；获取任务区域信息；根据无人机机动能力将任务区域离散为由正方体网格组成的地图，使无人机在离散任务区域地图节点间的移动满足运动学约束；无人机起点、终点需就近转化至离散任务区域地图节点上，以满足后续规划需要；步骤1具体实现方法包括如下步骤：步骤1.1：获取无人机的起点、终点的真实地理坐标；获取任务区域信息，所述任务区域信息为：任务区域范围，及任务区域内障碍物的范围和高度信息；所述任务区域为长方体。
[0013]步骤1.2：将三维空间的任务区域进行离散化；为使得无人机在离散任务区域地图节点间的移动满足无人机运动学约束，将任务区域离散为由正方体网格组成的地图，称为离散任务区域地图；所述正方体网格的边长
△
L为无人机最小转弯半径的2倍以上，离散任务区域地图原点为长方体底面4个顶点中的任意一个，离散任务区域地图原点高度与任务区域内高度最低点齐平。
[0014]步骤1.3：为满足后续规划的需要，需将实际无人机起点、终点就近转化至离散任务区域地图节点上，将如式（1）所示，
（1）（2）其中，为无人机起点的真实地理坐标；为无人机终点的真实地理坐标；为任务区域原点的真实地理坐标；为起点对应的离散任务区域地图节点坐标；为终点对应的离散任务区域地图节点坐标；R为地球半径；round(
·
)为四舍五入运算符。
[0015]至此，依据无人机机动能力将任务区域离散化，并将无人机起点、终点位置转化至离散任务区域地图的节点上。
[0016]步骤2：依据步骤1获取的任务区域内障碍物的范围和高度信息，将障碍物在离散任务区域地图内进行离散化处理。
[0017]步骤2具体实现方法包括如下步骤：步骤2.1：根据任务区域的范围，记离散任务区域地图的高度节点坐标下限为h
min
和高度节点坐标上限为h
max
。根据步骤1.2，（3）其中，Z
max
为任务区域高度上限，ceil(
·
)为向上取整运算符。
[0018]步骤2.2：在离散任务区域地图高度为h
min
的平面上，依据步骤1获取的任务区域内障碍物的范围和高度信息，获取该平面上每个离散节点处对应的障碍物高度，并将障碍物高度转化为离散任务区域地图内的障碍物节点坐标，如式（4）所示；（4）其中，H(i,j)为离散节点(i,j)上对应的障碍物高度，h(i,j)为离散节点(i,j)上障碍物的高度节点坐标。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于膨化障碍的无人机三维航迹快速规划方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：获取无人机起点、终点的真实地理坐标；获取任务区域信息；根据无人机机动能力将任务区域离散为由正方体网格组成的地图，使无人机在离散任务区域地图节点间的移动满足运动学约束；无人机起点、终点需就近转化至离散任务区域地图节点上，以满足后续规划需要；步骤2：依据步骤1获取的任务区域内障碍物的范围和高度信息，将障碍物在离散任务区域地图内进行离散化处理；步骤3：根据步骤2获取的高程地图信息，基于确定性规则建立障碍物对应的膨化障碍；步骤4：在离散任务区域地图内，根据步骤3获取的膨化障碍信息，将碰撞检测环节转化进入启发式代价函数计算环节，采用无需进行碰撞检测的改进3D
‑
A*算法，进行无人机三维航迹规划。2.如权利要求1所述基于膨化障碍的无人机三维航迹快速规划方法，其特征在于：步骤1具体实现方法包括如下步骤：步骤1.1：获取无人机的起点、终点的真实地理坐标；获取任务区域信息，所述任务区域信息为：任务区域范围，及任务区域内障碍物的范围和高度信息；所述任务区域为长方体；步骤1.2：将三维空间的任务区域进行离散化；为使得无人机在离散任务区域地图节点间的移动满足无人机运动学约束，将任务区域离散为由正方体网格组成的地图，称为离散任务区域地图；所述正方体网格的边长
△
L为无人机最小转弯半径的2倍以上，离散任务区域地图原点为长方体底面4个顶点中的任意一个，离散任务区域地图原点高度与任务区域内高度最低点齐平；步骤1.3：为满足后续规划的需要，需将实际无人机起点、终点就近转化至离散任务区域地图节点上，如式（1）所示，（1）（2）其中，为无人机起点的真实地理坐标；为无人机终点的真实地理坐标；为任务区域原点的真实地理坐标；为起点对应的离散任务区域地图节点坐标；为终点对应的离散任务区域地图节点坐标；R为地球半径；
round(
·
)为四舍五入运算符；至此，依据无人机机动能力将任务区域离散化，并将无人机起点、终点位置转化至离散任务区域地图的节点上。3.如权利要求1所述基于膨化障碍的无人机三维航迹快速规划方法，其特征在于：步骤2具体实现方法包括如下步骤：步骤2.1：根据任务区域的范围，记离散任务区域地图的高度节点坐标下限为h
min
和高度节点坐标上限为h
max
；根据步骤1.2得：（3）其中，Z
max
为任务区域高度上限，ceil(
·
)为向上取整运算符；步骤2.2：在离散任务区域地图高度为h
min
的平面上，依据步骤1获取的任务区域内障碍物的范围和高度信息，获取该平面上每个离散节点处对应的障碍物高度，并将障碍物高度转化为离散任务区域地图内的障碍物节点坐标，如式（4）所示；（4）其中，H(i,j)为离散节点(i,j)上对应的障碍物高度，h(i,j)为离散节点(i,j)上障碍物的高度节点坐标；步骤2.3：如果h(i,j)≤h
min
，则将该节点对应的障碍物高度节点坐标设置为0；如果h(i,j)＞h
max
，则将该节点对应的障碍物高度节点坐标设置为h
max
；如果h(i,j)位于离散任务区域地图的4个铅垂边界面上，则将节点对应的障碍物高度节点坐标设置为h
max
；至此，完成障碍物在离散任务区域地图内的离散化处理，实现离散任务区域地图内障碍物高程地图的生成，所述障碍物高程地图包络了任务区域内的所有障碍。4.如权利要求1所述基于膨化障碍的无人机三维航迹快速规划方法，其特征在于：步骤3具体实现方法包括如下步骤：步骤3.1：记离散任务区域地图高度为h
min
的平面上每个节点的膨化障碍物高度为h
e
；检查在离散任务区域地图高度为h
min
的平面上的每一个离散节点(i,j)，如果该节点上对应的障碍物高度满足h(i,j)＝0，执行步骤3.2；如果该节点上对应的障碍物高度满足h(i,j)＞0，则h
e
(i,j)＝h(i,j)，执行步骤3.4；步骤3.2：如果该节点不是起点或终点...

【专利技术属性】
技术研发人员：李怀建，葛佳昊，刘莉，张晓辉，贺云涛，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：