一种用于复杂环境区域的无人机覆盖路径规划算法制造技术

本发明专利技术提出了一种用于复杂环境区域的无人机覆盖路径规划算法。首先，根据复杂环境区域中障碍物的大小以及机载相机传感器的拍摄范围将复杂环境区域离散化成若干个方形网格。然后，建立一个新颖的基于Gadget的图模型。其中，一个Gadget包含八个节点，分别代表无人机在水平面的八种运动方向。每个Gadget内部的任意两节点建立无向边，该无向边以及边的权重分别表示无人机转弯过程以及转弯的成本开销。相邻Gadget中的两个节点之间建立有向边，该有向边以及边的权重分别表示无人机直线飞行阶段以及直线飞行的成本开销。最后，将问题转化为广义旅行商问题(GTSP)的一个实例，利用GLNS求解器进行求解。解器进行求解。

【技术实现步骤摘要】
一种用于复杂环境区域的无人机覆盖路径规划算法


[0001]本专利技术涉及一种用于复杂环境区域的无人机覆盖路径规划算法，属于计算机领域中物联网领域。

技术介绍

[0002]无人机具有机动性高、覆盖范围广等特点，使得无人机的应用领域越来越广泛。例如，在国防军事领域，无人机能够完成敌情侦察、目标打击、搜索救援等作战任务[1
‑
3]；在公共领域，无人机能够执行土地资源勘测、灾情监测、城市绘测等任务[4
‑
6]；在民用领域，无人机能够执行桥梁裂痕检测、农作物监测、高压电缆巡检等任务[7
‑
9]。
[0003]若想要无人机高效地完成覆盖任务(目标搜索、灾情监测等)，就不得不进行无人机覆盖路径规划。无人机覆盖路径规划，顾名思义就是为无人机规划出一条或多条能够完全覆盖所有目标区域的路径，通过为无人机装备某些传感器(雷达、相机等)后，无人机便可以用来执行覆盖任务。然而，在实际的应用中，无人机有限的能量(电量或者燃料等)或者任务的紧急性限制了无人机覆盖任务执行的时长，即无人机需要在不耗尽能量的情况下尽可能快速地完成覆盖任务。
[0004]无人机的转弯问题被广泛认为是影响无人机能耗的关键因素[10]。无人机的转弯过程主要分为三个阶段：减速、悬停转弯、加速，无人机在对某个目标区域进行覆盖时，不可避免地需要执行转弯的动作。在整个覆盖任务执行的过程中，无人机进行转弯的次数很大程度上增加了无人机的能量以及时间成本，即无人机在执行覆盖任务的过程中需要尽可能地减少转弯次数。
>[0005]现有的覆盖路径规划算法，例如[10
‑
13]，主要将无人机的能耗作为优化目标，忽略了完成任务所需的时间成本。他们假设无人机以恒定速度移动，并没有考虑无人机转弯(减速、悬停转弯、加速)成本。此外，他们还忽视了目标区域可能存在的障碍物的影响，即感兴趣区域可能是包含多个障碍物的复杂环境区域，无人机必须绕过所有障碍物才能成功完成覆盖或搜索任务。本专利技术专利提出了一种用于复杂环境区域的无人机覆盖路径规划算法，可以为能量有限的无人机规划出一条时间高效的覆盖路径。
[0006]上文中提到的文献来源于如下的期刊：
[0007][1]Roberge V，Tarbouchi M，Labonte G.Comparison of Parallel Genetic Algorithm and Particle Swarm Optimization for Real
‑
Time UAV Path Planning[J].Industrial Informatics，IEEE Transactions on，2013，9(1)：p.132
‑
141.
[0008][2]Berger，Jean，and Nassirou Lo.“An Innovative Multi
‑
Agent Search
‑
and
‑
Rescue Path Planning Approach.”Computers&Operations Research，vol.53，2015，pp.24
‑
31.
[0009][3]Meng，Wei，et al.“Decentralized Multi
‑
UAV Flight Autonomy for Moving Convoys Search and Track.”IEEE Transactions on Control Systems and Technology，vol.25，no.4，2017，pp.1480
‑
1487.
[0010][4]Y.Wan，X.Hu，Y.Zhong，et al.
″
Tailings Reservoir Disaster and Environmental Monitoring Using the UAV
‑
ground Hyperspectral Joint Observation and Processing：A Case of Study in Xinjiang，the Belt and Road，
″
IGARSS 2019
‑
2019 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium，2019，pp.9713
‑
9716，doi：10.1109/IGARSS.2019.8898447.
[0011][5]Shuichi Sasa，Yukio Matsuda，Masaaki Nakadate，et al.
″
Ongoing research on disaster monitoring UAV at JAXA
’
s Aviation Program Group，
″
2008 SICE Annual Conference，2008，pp.978
‑
981，doi：10.1109/SICE.2008.4654797.
[0012][6]K.A.Hashim，N.H.Darwin，A.Ahmad，et al.
″
Assessment of low altitude aerial data for large scale urban environmental mapping，
″
2013 IEEE 9th International Colloquium on Signal Processing and its Applications，2013，pp.229
‑
234，doi：10.1109/CSPA.2013.6530047.
[0013][7]V.P.Subba Rao and G.S.Rao，
″
Design and Modelling of anAffordable UAV Based Pesticide Sprayer in Agriculture Applications，
″
2019 Fifth International Conference on Electrical Energy Systems(ICEES)，2019，pp.1
‑
4，doi：10.1109/ICEES.2019.8719237.
[0014][8]L.Fahmani，J.Garfaf，K.Boukhdir，et al.
″
Unmanned Aerial Vehicles Inspection for Overhead High Voltage Transmission Lines，
″
2020 1st Inter本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于复杂环境区域的无人机覆盖路径规划算法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将复杂环境区域离散化成若干个方形网格，并对网格区域建模。(2)根据无人机的运动特点，将无人机执行覆盖任务过程的成本开销建模。(3)建立一个基于Gadget的图模型，将覆盖路径规划问题转化为图论问题。(4)将问题进一步转化为广义旅行商问题并进行求解，获取最终覆盖路径结果。2.如权利要求1所述的复杂环境区域离散化和网格区域建模，包括以下内容：根据障碍物的大小以及机载相机传感器的拍摄范围将复杂环境区域离散化成若干个方形网格，每个网格的中心代表无人机的航路点，通过连接网格的中心点来建立一个简单图模型。3.如权利要求1所述的无人机执行覆盖任务过程的成本开销建模，包括以下内容：将无人机的覆盖过程划分为两个子过程：直线飞行和转弯。其中，无人机直线飞行过程可能包含三个阶段：减速、加速和匀速，即考虑到无人机进行转弯前需要减速以及转弯后需要加速。规定无人机在水平面有八个运动方向，每个方向的夹角为45
°
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘亮，徐健康，王子杰，石梦婷，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：