多救援直升机多目标分配与航迹规划方法技术

本发明专利技术公开一种多救援直升机多目标分配与航迹规划方法，涉及航空应急救援技术领域。包括航空救援任务执行可行度评估与灾区地图图像处理；通过救援任务执行可行度评估获得可行度矩阵；将可行度矩阵作为解矩阵Xij的系数矩阵，用匈牙利算法针对救援直升机和目标点之间数量不相同的任务求解分配结果；采用图像处理方法、形态学特征提取安全区域拓扑结构得到航迹解空间，利用启发式A*搜索算法在航迹解空间中得到最短路径，结合多机多目标分配结果，形成直升机执行救援任务的应急预案；调用Google?Earth飞行模拟API演示应急救援预案，做飞行前准备，提高航空应急救援效率和安全性。本方法简单、时间复杂度低、航迹规划过程直观、结果清晰。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及航空应急救援
，尤其涉及重大自然灾害条件下航空应急救援预案，为提高航空应急救援效率和安全性提供丰富的救援前准备的一种多救援直升机多目标分配以及救援飞行航迹的规划方法。
技术介绍
重大自然灾害发生后，以通用航空直升机为基础的飞行救援具有快速、高效、受地理空间限制较少等优势，能够深入受灾严重地区进行侦查、运送伤员和物资，对减少人民生命财产损失有着重要意义。然而，由于我国缺乏一套较为完善的航空救援运行法规及应急救援方案，救援效率低下且安全性得不到保障。以“5. 12”汶川大地震为例，民航局调集了三十一架民航直升机实施救援，然而由于灾区资料和飞行情报准备准备不足，飞行员在不 熟悉地形、气象信息、救援目标和受灾严重程度情况下执行救援任务，救援初期的效率和飞行安全受到很大影响。由此可见，航空应急救援飞行前准备对于救援任务的执行显得至关重要，而救援路线的规划又是飞行准备中的核心问题，必须在保证航空救援飞行安全的前提下，快速规划出能在最短时间内能完成救援任务的可行飞行路径。同时，由于重大灾害发生后，往往需要多架直升机对多个救援目标点同时进行搜索救援，如何合理地对直升机和目标点的分配、规划救援飞行的往返路径、制定航空应急救援预案，是提高航空应急救援效率和安全性的关键问题。国内的航迹规划研究主要集中在军事领域，包括军用飞机、巡航导弹、可移动机器人等。航迹规划的本质是路径搜索问题，常用算法主要有基于概略图的规划方法和基于单元分解的规划方法。其中，基于概略图的方法通常用于平面且实时性要求较低的航迹规划，基于单元分解的方法规划精度受到单元格划分精细程度的限制，单元格划分越细则规划航迹越优。但是数据量和计算量会增大，规划耗时增加。国外学者提出采用动态规划的方法和0-1规划(BIP)算法求解三维航迹，该方法计算简单且能避免陷入局部最优。多机协同搜索问题的本质是多目标的分配问题，常用算法有基于分层模糊推理的方法、遗传算法、蚁群算法和模拟退火算法等，这些算法都有效地解决了所用领域的多目标分配问题，但是在航空应急救援领域的应用目前还未曾见到。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种救援直升机多机多目标分配与飞行航迹的规划方法，以期建立重大自然灾害条件下，多个救援直升机对多个救援目标实施救援的统一预案；为提高救援飞行的安全性和效率做好充分的飞行前准备。实现本专利技术目的之技术解决方案如下一种，包括航空救援任务执行可行度评估与灾区地像的处理；所述的救援任务执行可行度评估是指分析某直升机实施某次救援任务的可行性，获得可行度矩阵；将可行度矩阵作为解矩阵Xu的系数矩阵，选用匈牙利算法针对救援直升机和目标点之间数量不相同的任务求解多直升机与救援目标之间的分配结果；所述的灾区地像的处理是指从数字高程地图中提取单层等高线图，并对该图进行二值化图像处理得到以等高线表示的障碍物图，其中黑色表示障碍物，白色表示可供飞行区域；利用形态学膨胀方法剔除白色飞行区域内的不安全区域，并使用腐蚀和骨架化方法提取安全飞行区域的拓扑结构，从而得到以二值图像表示的航迹规划解空间；选用启发式最短路径搜索算法A*算法在二维平面上搜索得到最短航迹；结合多机多目标分配结果，形成直升机执行救援任务的应急预案；调用Google Earth飞行模拟API演示应急救援预案，做充分的飞行前准备。 进一步地，所述的救援任务执行可行度评估包括对基地与目标点之间的距离、海拔高度、净空环境、地理环境、任务类型等影响因素的评估，针对可行度评估影响因素中的定量因子如海拔高度采用基于阈值的区间量化处理方法进行定量评估，而对定性因子如任务类型采用模糊综合评价方法转换为定量评估；再利用专家调查法得到影响因素的权重值，利用线性加权求和得到可行度值，该值越大表明该机越适合执行该项救灾任务；通过两次循环得到可行度矩阵。进一步地，所述的灾区地像的处理包括如下步骤(I)获得SRTM数字高程地图后，用Global Mapper输出矢量DEM文件；(2)用Surfer输出单层等高线图；(3)用Matalab 二值化处理得到等高线表示的障碍物图；(4)用Matalab对障碍物图进行膨胀和腐蚀；(5)骨架化特征提取，得到以二值图像表示的航迹规划空间。更进一步地，所述获得SRTM数字高程地图后还需要进行如下操作步骤(I)使用地图绘制软件Global Mapper将SRTM格式数据转换为XYZ格式，并保存为等高线地图KML文件；(2)加载等高线地图KML文件获得灾区数字地图；(3)利用A*算法在二维平面上搜索得到最短航迹结合多直升机与救援目标之间的分配结果，形成直升机执行救援任务的应急预案。本专利技术主要解决了两个关键问题(I)研究并提出了基于救援任务可行度的多机多目标协同搜索算法，将应急救援直升机合理地分配到目标点，避免由于救援目标的盲目性导致的混乱局面，提高了航空应急救援效率；(2)提出了救援直升机执行任务的航迹规划设计方案首先利用数学形态学图像处理技术对数字高程地图和等高线地图进行处理，得到以二值图像表示的航迹规划空间，并基于启发式最短路径搜索算法求解出二维平面上的最短路径；然后根据直升机的飞行性能和救援任务的特点，将三维空间航迹规划问题分解为多个二维平面航迹规划问题；最后，结合多机多目标分配算法，制定救援直升机执行救援任务的预案，为救援飞行前准备提供了详细参考，提高了应急救援的效率和安全性。本专利技术具有如下优点与积极效果I、水平航迹规划通常采用构造VOTonoi图，并给图中多边形设置权重，然后通过建立目标函数求代价最小的边作为最短路径；本专利技术采用图像处理方法、形态学特征提取安全区域拓扑结构得到航迹解空间，并利用启发式A*搜索算法在航迹解空间中得到最短路径；该方法简单、时间复杂度低、航迹规划过程直观、结果清晰。2、基于可行度矩阵的多直升机多目标分配算法全面考虑了影响航空应急救援任务可行性，针对救援直升机数量和受灾点个数不匹配问题，采用扩展的匈牙利算法转换为平衡指派问题，通过求解可行度矩阵的解矩阵即可得到直升机与灾区目标点间的分配方案；该方法将理论联系实际，形成了切实可行的直升机多目标分配方案。3、结合直升机多目标分配方案和航迹规划方法形成重大自然灾害条件下的航空应急救援方案，并基于该方案开发了航空应急救援指挥辅助系统，该系统能快速加载受灾区域的数字等高线图，通过设置受灾点和指挥中心的位置、救援资源，快速形成合理的应急救援预案，并调用Google Earth飞行模拟功能进行将预案进行演示，为提高航空应急救援效率和安全性作充分的飞行前准备。附图说明图I是本专利技术所述直升机多目标分配与航迹规划方法流程框图示意图。 图2是本专利技术所述方法在计算机系统主流程中框图示意图。图3是将灾区等高线数字地图进行二值化图像处理后得到的障碍物示意图。图4是将障碍物图进行形态学图像处理方法后得到的二维飞行轨迹空间示意图。图5是二维飞行轨迹空间中利用启发式A*搜索算法得到的最短飞行路径示意图。图6是标有救援任务的起点和终点的灾区数字闻程地图不意图。图7是2100米所在高度层上的二维航迹解空间示意图。图8是3000米所在高度层上的二维航迹解空间示意图。图9是3000米所在闻度层上对应的最短飞行航迹不意图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多救援直升机多目标分配与航迹规划方法，其特征在于，包括航空救援任务执行可行度评估与灾区地图图像的处理；所述的救援任务执行可行度评估是指分析某直升机实施某次救援任务的可行性，获得可行度矩阵；将可行度矩阵作为解矩阵Xij的系数矩阵，选用匈牙利算法针对救援直升机和目标点之间数量不相同的任务求解多直升机与救援目标之间的分配结果；所述的灾区地图图像的处理是指从数字高程地图中提取单层等高线图，并对该图进行二值化图像处理得到以等高线表示的障碍物图，其中黑色表示障碍物，白色表示可供飞行区域；利用形态学膨胀方法剔除白色飞行区域内的不安全区域，并使用腐蚀和骨架化方法提取安全飞行区域的拓扑结构，从而得到以二值图像表示的航迹规划解空间；选用启发式最短路径搜索算法A*算法在以二值图像表示的航迹规划解空间即二维平面上搜索得到最短航迹；结合多机多目标分配结果，形成直升机执行救援任务的应急预案；调用Google？Earth飞行模拟API演示应急救援预案，做充分的飞行前准备。

【技术特征摘要】
1.一种多救援直升机多目标分配与航迹规划方法，其特征在于，包括航空救援任务执行可行度评估与灾区地像的处理；所述的救援任务执行可行度评估是指分析某直升机实施某次救援任务的可行性，获得可行度矩阵；将可行度矩阵作为解矩阵Xu的系数矩阵，选用匈牙利算法针对救援直升机和目标点之间数量不相同的任务求解多直升机与救援目标之间的分配结果；所述的灾区地像的处理是指从数字高程地图中提取单层等高线图，并对该图进行二值化图像处理得到以等高线表示的障碍物图，其中黑色表示障碍物，白色表示可供飞行区域；利用形态学膨胀方法剔除白色飞行区域内的不安全区域，并使用腐蚀和骨架化方法提取安全飞行区域的拓扑结构，从而得到以二值图像表示的航迹规划解空间；选用启发式最短路径搜索算法A*算法在以二值图像表示的航迹规划解空间即二维平面上搜索得到最短航迹；结合多机多目标分配结果，形成直升机执行救援任务的应急预案；调用Google Earth飞行模拟API演示应急救援预案，做充分的飞行前准备。2.根据权利要求I所述的多救援直升机多目标分配与航迹规划方法，其特征在于，所述的救援任务执行可行度评估包括对基地与目标点之间的距离、海拔高度、净空环境、地理环境、任务类型等影响因素的评估，针对可行度评估影响...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘卫军，关立欣，林瑞春，夏正洪，陈通，
申请(专利权)人：中国民用航空飞行学院，
类型：发明
国别省市：