一种目标区域划分和子区域覆盖路线规划方法及其系统技术方案

本公开涉及一种目标区域划分和子区域覆盖路线规划方法及其系统，所述方法包括如下步骤：以目标区域定义为主要输入参数，确定目标区域的最小外接矩形；优选覆盖单元大小等级，并计算出最佳整体位移，据此划分出覆盖单元集，使得覆盖单元数量和有效覆盖率综合最优；针对每个覆盖单元，根据其是否完全在目标区域中，使用预制路线作为覆盖路线，或计算最佳网格整体位移并优化求取覆盖路线；将所有目标区域的全部覆盖单元及其覆盖路线和成本，作为最终结果输出。本公开面向多无人机执行大范围复杂形状区域覆盖搜索任务的任务分工和路线规划问题，实现问题简化、缩减计算规模、降低求解难度，进而提高任务执行效率、降低任务成本。降低任务成本。降低任务成本。

【技术实现步骤摘要】
一种目标区域划分和子区域覆盖路线规划方法及其系统


[0001]本公开涉及多无人机协作系统规划领域，具体涉及一种目标区域划分和子区域覆盖路线规划方法及其系统。

技术介绍

[0002]无人机产品已成功实现成熟化、多样化、民用化，被广泛应用于各个领域。其中，在军事侦察、精准农业、环境监测、安全巡逻等应用领域，得益于灵活便捷的飞行能力，无人机能够携带作业资源突破地面交通环境的移动限制完成较远距离的作业，是执行诸如空中侦查、边境巡逻、刑侦搜索、林区防火、农田喷药等区域覆盖搜索任务的一种高效手段。而且，随着无人智能装备技术的迅猛发展，使用由多台无人机组成的多无人机协作系统执行某些复杂任务成为可能。通过合理调度，使得多无人机协作系统中各无人机相互配合，能够克服单台无人机覆盖作业面积小、作业资源/续航能量不足的缺陷，极大地提高大范围区域覆盖搜索任务的执行效率。而且，通过优化路线规划，能够充分发挥各无人机的灵活机动性，使针对复杂形状区域的协同覆盖搜索成为可能。从而，多无人机协作系统成为执行大范围复杂形状区域覆盖搜索任务的一种理想模式。因此，近年来，许多研究机构和公司，均对多无人机协作系统在区域搜索、空中侦查、区域巡逻、农业喷洒等区域覆盖搜索类任务场景的应用，展开了大量的探讨、研究和试验。
[0003]合理任务分工和优化路线规划，是多无人机协作系统成功完成区域覆盖搜索任务的关键。合理的任务分工，能够平衡无人机之间的作业收益和时间、资源成本；优化的路线规划，能够提高每架无人机的作业收益与耗费成本的比值，从而使多无人机协作系统能够提高执行效率、降低任务成本。但对于大范围复杂形状区域的覆盖搜索任务，若直接进行任务分工和路线规划，问题规模会十分庞大，以至于无法求解。而经过目标区域划分和子区域覆盖路线规划后，大范围复杂形状区域覆盖搜索任务的任务分工和路线规划问题，可简化为无人机
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子区域分配问题(如何将子区域分配给各无人机)、无人机覆盖路线组合问题(对任意一台无人机，如何将分配给其的子区域的覆盖路线串联起来)，会大大缩减计算规模，使问题能够求解。因此。对于大范围复杂形状区域覆盖搜索任务，目标区域的划分和子区域的覆盖路线规划至关重要。
[0004]为确保经过目标区域划分和子区域覆盖路径规划后，大范围复杂形状区域覆盖搜索任务的任务分工和路线规划问题能在有效缩减问题规模的同时，避免遭受较大的优化性损失，目标区域划分和子区域覆盖路径规划需要满足以下要求：1)划分后的各子区域成本、收益接近(即各子区域的面积相近)；2)子区域的成本与无人机的续航能量、作业资源相匹配(即子区域的面积与无人机的最大航程或最大可作业面积相近)；3)子区域内覆盖路线应尽可能提高收益和成本的比值(即子区域内覆盖路线中无作业收益的移动路段尽可能短)；4)无人机从不同方位进出子区域执行覆盖路线的成本差别小(即子区域的长宽相近，无人机从子区域不同边界方位到达子区域覆盖路线起点/终点的差别不大)。这使得，大范围复杂形状区域的划分和子区域覆盖路线规划成为一个难题。

技术实现思路

[0005]本公开提供一种目标区域划分和子区域覆盖路线规划方法及其系统，能面向多无人机协作系统执行大范围复杂形状区域覆盖搜索任务的场景，完成目标区域的划分，以及各子区域的覆盖路线规划、成本计算。本公开提供如下技术方案：
[0006]作为本公开实施例的一个方面，提供一种目标区域划分和子区域覆盖路线规划方法，包括如下步骤：
[0007]S10，输入所有目标区域的定义，计算每个目标区域的最小外接矩形及其长、宽，并初始化i值为1；
[0008]S20，综合考虑覆盖单元集的有效覆盖单元总数和有效覆盖率，确定第i个目标区域A
i
的覆盖单元大小等级S
i
，并求取覆盖单元集的最佳整体位移D
i
；
[0009]S30，根据所选择的覆盖单元大小等级S
i
与最佳整体位移D
i
，划分目标区域A
i
，获得覆盖单元集U，并初始化j值为1；
[0010]S40，判断覆盖单元U
j
是否完全在目标区域A
i
中，若覆盖单元U
j
完全在目标区域A
i
中，使用预制路线模式生成覆盖单元U
j
的覆盖路线；若覆盖单元U
j
有部分在目标区域A
i
外，计算最佳网格整体位移，优化求取覆盖路线，并记录覆盖单元U
j
的覆盖路线及其成本；
[0011]S50，判断是否完成目标区域A
i
的所有覆盖单元的覆盖路线规划，若尚未完成，则更新j＝j+1，然后返回步骤S40，进行下一个覆盖单元U
j
的处理；若完成，则判断是否完成所有目标区域的处理；
[0012]S60，若尚未完成所有目标区域的处理，则更新i＝i+1，然后返回步骤S20，进行下一个目标区域A
i
的处理；若已完成所有目标区域的处理，则将所有目标区域的全部覆盖单元及其覆盖路线与相应成本作为结果输出。
[0013]可选地，所述无人机覆盖作业网格为区域覆盖搜索任务场景中的最小覆盖单位，以无人机投影点为中心、以l
d
边长的正方形。
[0014]可选地，所述覆盖单元为正方形，包含多个无人机覆盖作业网格，所述覆盖单元大小等级为覆盖单元边长与无人机覆盖作业网格边长l
d
的比值。
[0015]可选地，所述覆盖单元集为覆盖单元的集合，所述有效覆盖单元表示在覆盖单元集中，包含部分或全部目标区域的覆盖单元，所述有效覆盖率表示有效覆盖单元总数与覆盖单元集的单元总数之比。
[0016]可选地，所述确定覆盖单元大小等级S
i
和覆盖单元集的最佳整体位移D
i
，包括：判断是否满足条件：1)无人机满续航能量所对应的续航时间小于指定大小等级的覆盖单元的最小覆盖路线成本，或者2)目标区域A
i
最小外接矩形的边长与指定大小等级的覆盖单元边长的比值小于指定阙值。若满足，则取覆盖单元大小等级S
i
为1，构建目标区域A
i
的覆盖单元集，并求取使得有效覆盖率最小的覆盖单元集最佳整体位移D
i
。否则，则根据无人机满续航能量所对应的续航时间，求取所有候补覆盖单元大小等级；针对每个候补覆盖单元大小等级，临时构建相应的目标区域A
i
的覆盖单元集，计算并记录相应的覆盖单元集最佳整体位移、有效覆盖单元总数和有效覆盖率；然后，综合考虑覆盖单元集的有效覆盖单元总数和有效覆盖率，选择最优的候补覆盖单元大小等级S
i
及其所对应的覆盖单元集最佳整体位移D
i
。
[0017]可选地，所述覆盖单元，根据其大小等级S，可划分为S
×
S个无人机覆盖作业网格；在此基础上扩展网格，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种目标区域划分和子区域覆盖路线规划方法，其特征在于，包括如下步骤：S10，输入所有目标区域的定义，计算每个目标区域的最小外接矩形及其长、宽，并初始化i值为1；S20，综合考虑覆盖单元集的有效覆盖单元总数和有效覆盖率，确定第i个目标区域A
i
的覆盖单元大小等级S
i
，并求取覆盖单元集的最佳整体位移D
i
；S30，根据所选择的覆盖单元大小等级S
i
与最佳整体位移D
i
，划分目标区域A
i
，获得覆盖单元集U，并初始化j值为1；S40，判断覆盖单元U
j
是否完全在目标区域A
i
中，若覆盖单元U
j
完全在目标区域A
i
中，使用预制路线模式生成覆盖单元U
j
的覆盖路线；若覆盖单元U
j
有部分在目标区域A
i
外，计算最佳网格整体位移，优化求取覆盖路线，并记录覆盖单元U
j
的覆盖路线及其成本；S50，判断是否完成目标区域A
i
的所有覆盖单元的覆盖路线规划，若尚未完成，则更新j＝j+1，然后返回步骤S40，进行下一个覆盖单元U
j
的处理；若完成，则判断是否完成所有目标区域的处理；S60，若尚未完成所有目标区域的处理，则更新i＝i+1，然后返回步骤S20，进行下一个目标区域A
i
的处理；若已完成所有目标区域的处理，则将所有目标区域的全部覆盖单元及其覆盖路线与相应成本作为结果输出。2.如权利要求1所述的一种目标区域划分和子区域覆盖路线规划方法，其特征在于，采用无人机覆盖作业网格为区域覆盖搜索任务场景中的最小覆盖单位，以无人机投影点为中心、以l
d
边长的正方形；所述覆盖单元为正方形，包含多个无人机覆盖作业网格；所述覆盖单元大小等级为覆盖单元边长与无人机覆盖作业网格边长l
d
的比值；所述覆盖单元集为覆盖单元的集合；所述有效覆盖单元或有效覆盖网格，表示包含部分或全部目标区域的覆盖单元或无人机覆盖作业网格；所述有效覆盖率表示有效覆盖单元总数与覆盖单元集的单元总数之比。3.如权利要求1所述的一种目标区域划分和子区域覆盖路线规划方法，其特征在于，所述确定覆盖单元大小等级S
i
和覆盖单元集的最佳整体位移D
i
，包括：判断是否满足条件：1)无人机满续航能量所对应的续航时间小于指定大小等级的覆盖单元的最小覆盖路线成本，或者2)目标区域A
i
最小外接矩形的边长与指定大小等级的覆盖单元边长的比值小于指定阙值；若满足，则取覆盖单元大小等级S
i
为1，构建目标区域A
i
的覆盖单元集，并求取使得有效覆盖率最小的覆盖单元集最佳整体位移D
i
；否则，则根据无人机满续航能量所对应的续航时间，求取所有候补覆盖单元大小等级；然后针对每个候补覆盖单元大小等级，临时构建相应的目标区域A
i
的覆盖单元集，计算并记录相应的覆盖单元集最佳整体位移、有效覆盖单元总数和有效覆盖率；最后，综合考虑覆盖单元集的有效覆盖单元总数和有效覆盖率，选择...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁承元，韩斌，鲁亮，龙镇南，高湘泉，陈学东，
申请(专利权)人：广东省智能机器人研究院，
类型：发明
国别省市：