本發(fā)明屬于無(wú)人機(jī)航路規(guī)劃，特別是一種針對(duì)障礙物繞行的民用運(yùn)投無(wú)人機(jī)航路自動(dòng)規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

1、無(wú)人機(jī)具有立體機(jī)動(dòng)、快速靈活等優(yōu)點(diǎn)，在地面環(huán)境復(fù)雜、樓宇林立、障礙多的城市環(huán)境中，采用無(wú)人機(jī)運(yùn)送小型設(shè)備、藥品、配件等關(guān)鍵物資，對(duì)于解決補(bǔ)給最后5公里配送的問(wèn)題具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2、城市物資配送無(wú)人機(jī)大部分體積用于容納貨物，其航線與地面交通不產(chǎn)生沖突，并安裝有感知和避障裝置，可在專業(yè)飛手遠(yuǎn)程監(jiān)視下自主完成運(yùn)投任務(wù)，極大程度提升無(wú)人機(jī)運(yùn)輸能力，解決城區(qū)地面障礙多、速度慢、可靠性差等問(wèn)題。但是，城區(qū)空域存在著復(fù)雜性，主要表現(xiàn)在空域管制限制因素多、中低空高障礙威脅，在保障物資運(yùn)投的安全性的前提下，還需要兼顧高時(shí)敏任務(wù)下的運(yùn)投效能，滿足城市運(yùn)輸對(duì)高價(jià)值、小體積、強(qiáng)時(shí)效的物資運(yùn)投需求，因此研究一種針對(duì)障礙物繞行的民用運(yùn)投無(wú)人機(jī)航路自動(dòng)規(guī)劃方法具有十分積極的意義，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種針對(duì)障礙物繞行的民用運(yùn)投無(wú)人機(jī)航路自動(dòng)規(guī)劃方法。

2、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種針對(duì)障礙物繞行的民用運(yùn)投無(wú)人機(jī)航路自動(dòng)規(guī)劃方法，所述方法包括以下步驟：

3、步驟1，獲取民用運(yùn)投無(wú)人機(jī)的運(yùn)投要求，包括起點(diǎn)位置信息、終點(diǎn)位置信息、運(yùn)輸距離和物資信息；所述起點(diǎn)位置信息包括起點(diǎn)經(jīng)緯度、高度，終點(diǎn)經(jīng)緯度高度，所述終點(diǎn)位置信息包括終點(diǎn)經(jīng)緯度、高度，物資信息包括物資類型、數(shù)量、重量；

4、步驟2，根據(jù)所述運(yùn)輸距離和物資信息確定航程、載重、掛載、速度的要求，并基于確定的要求匹配無(wú)人機(jī)；

5、步驟3，根據(jù)限飛區(qū)，利用改進(jìn)的基于自適應(yīng)變權(quán)重a*算法的航路規(guī)劃算法，規(guī)劃出無(wú)人機(jī)完成任務(wù)的最短路徑；根據(jù)禁飛區(qū)和限飛區(qū)，利用改進(jìn)的基于自適應(yīng)變權(quán)重a*算法的航路規(guī)劃方法，規(guī)劃出無(wú)人機(jī)完成任務(wù)的最安全路徑，并對(duì)所述最短路徑、最安全路徑分別進(jìn)行評(píng)分；

6、步驟4，對(duì)所述最短路徑、最安全路徑經(jīng)過(guò)區(qū)域的環(huán)境進(jìn)行評(píng)分；

7、步驟5，對(duì)步驟3和步驟4的評(píng)分結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均，分別獲得所述最短路徑、最安全路徑的綜合評(píng)分；

8、步驟6，將綜合評(píng)分最高的路徑作為最終的規(guī)劃路徑。

9、進(jìn)一步地，步驟2所述基于確定的要求匹配無(wú)人機(jī)，具體包括：

10、步驟2-1，選取滿足以下條件的無(wú)人機(jī)作為匹配的無(wú)人機(jī)；

11、航程、載重、掛載、速度這四個(gè)屬性均滿足最接近對(duì)應(yīng)的要求；

12、步驟2-2，若不存在滿足上述條件的無(wú)人機(jī)，則：

13、對(duì)航程、載重、掛載、速度這四個(gè)屬性進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分；

14、針對(duì)優(yōu)先級(jí)最高的屬性，選擇最接近對(duì)應(yīng)要求的無(wú)人機(jī)作為匹配的無(wú)人機(jī)。

15、進(jìn)一步地，步驟2還包括：

16、計(jì)算并記錄無(wú)人機(jī)匹配度得分。

17、進(jìn)一步地，所述無(wú)人機(jī)匹配度得分的計(jì)算方式為：

18、分別計(jì)算無(wú)人機(jī)航程、載重、掛載、速度這四個(gè)屬性值接近對(duì)應(yīng)要求的接近程度值；

19、對(duì)計(jì)算得到的接近程度值進(jìn)行降序排列；

20、將最高的接近程度值作為無(wú)人機(jī)匹配度得分。

21、進(jìn)一步地，步驟3中所述改進(jìn)的基于自適應(yīng)變權(quán)重a*算法的航路規(guī)劃算法，具體包括：

22、對(duì)于a*算法中的啟發(fā)函數(shù)與代價(jià)函數(shù)，采用曼哈頓距離進(jìn)行計(jì)算；

23、對(duì)自適應(yīng)變權(quán)重a*算法生成的路徑進(jìn)行全局二次優(yōu)化，優(yōu)化過(guò)程為：對(duì)路徑點(diǎn)集合進(jìn)行二次求導(dǎo)后生成拐點(diǎn)集，從起始位置開始依次判斷拐點(diǎn)集中任意連續(xù)點(diǎn)a、b、c?之間是否有障礙物，若沒(méi)有障礙物則直接連接?a、c拐點(diǎn)，隨后判斷拐點(diǎn)集中a、c、d?之間是否存在障礙物，若沒(méi)有障礙物則去除冗余節(jié)點(diǎn)c，若有障礙物則保留拐點(diǎn)c，從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)依次判斷可刪除拐點(diǎn)，生成拐點(diǎn)集作為最終路徑。

24、進(jìn)一步地，所述改進(jìn)的基于自適應(yīng)變權(quán)重a*算法的航路規(guī)劃算法，具體過(guò)程包括：

25、步驟3-1，讀取輸入的待規(guī)劃地圖；

26、步驟3-2，初始化算法參數(shù)，確定無(wú)人機(jī)初始位置與目標(biāo)位置；

27、步驟3-3，分別創(chuàng)建路徑集合列表、可規(guī)劃路徑集合open列表與封閉集合close列表，并初始化可規(guī)劃路徑集合open列表只有無(wú)人機(jī)初始位置，封閉集合close列表為空；

28、步驟3-4，檢查可規(guī)劃路徑集合open列表中已經(jīng)存儲(chǔ)的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)可規(guī)劃路徑集合open列表中只有初始位置時(shí)，表示無(wú)人機(jī)沒(méi)有可行路徑；否則，利用代價(jià)函數(shù)選擇可規(guī)劃路徑集合open列表中的最小節(jié)點(diǎn)；

29、步驟3-5，將最小節(jié)點(diǎn)從可規(guī)劃路徑集合open列表中刪除并添加至封閉集合close列表，判斷該點(diǎn)與目標(biāo)位置是否相同，若該點(diǎn)與目標(biāo)位置相同則說(shuō)明已經(jīng)迭代到目標(biāo)點(diǎn)，結(jié)束迭代過(guò)程；若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)位置不相同，則以當(dāng)前節(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前起始位置，對(duì)可規(guī)劃路徑集合open列表繼續(xù)進(jìn)行擴(kuò)展，將無(wú)人機(jī)可行路徑點(diǎn)添加到封閉集合close列表，之后執(zhí)行步驟3-6；

30、步驟3-6，輸出封閉集合close列表中規(guī)劃完成的路徑集合，讀取障礙物數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)經(jīng)緯度高度坐標(biāo)計(jì)算當(dāng)前路徑是否存在障礙物，根據(jù)障礙物坐標(biāo)查詢是否有對(duì)應(yīng)的歷史避障路線，如果存在歷史避障路線，則將歷史避障路線增補(bǔ)進(jìn)規(guī)劃路徑的對(duì)應(yīng)段，否則執(zhí)行步驟3-7；

31、步驟3-7，繼續(xù)檢測(cè)路徑合集列表，若當(dāng)前路徑連線不存在障礙物則刪除多余拐點(diǎn)，并保存去除后的冗余節(jié)點(diǎn)集合，之后進(jìn)行路徑平滑處理。

32、步驟3-8，輸出最終的規(guī)劃路徑。

33、進(jìn)一步地，所述方法還包括，在步驟3之前執(zhí)行：構(gòu)建航路規(guī)劃模型，具體包括：

34、劃設(shè)規(guī)劃空域經(jīng)緯高度范圍；

35、將大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為空間坐標(biāo)；

36、對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行歸一化處理；

37、結(jié)合空域的現(xiàn)有航線障礙及飛行限制約束進(jìn)行路徑規(guī)劃條件設(shè)定；

38、隨機(jī)生成不在障礙內(nèi)的起始點(diǎn)；

39、生成一系列安全飛行航線并以航路點(diǎn)數(shù)據(jù)輸出。

40、進(jìn)一步地，步驟3中所述對(duì)所述最短路徑、最安全路徑分別進(jìn)行評(píng)分，具體包括：

41、針對(duì)所述最安全路徑，評(píng)分為滿分；

42、針對(duì)所述最短路徑，計(jì)算限飛區(qū)中路徑相對(duì)整個(gè)路徑的占比，將占比值作為評(píng)分值。

43、進(jìn)一步地，步驟4所述對(duì)所述最短路徑、最安全路徑經(jīng)過(guò)區(qū)域的環(huán)境進(jìn)行評(píng)分，具體包括：

44、確定影響評(píng)分的各環(huán)境因素；

45、針對(duì)各環(huán)境因素，劃分不同的等級(jí)；

46、建立評(píng)分表，包括各環(huán)境因素的不同等級(jí)與評(píng)分值的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；

47、依據(jù)所述評(píng)分表，對(duì)環(huán)境進(jìn)行評(píng)分。

48、進(jìn)一步地，所述方法還包括：

49、步驟7，在無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中，無(wú)人機(jī)通過(guò)攝像頭采集并實(shí)時(shí)分析路徑上的過(guò)頂障礙物，結(jié)合空域航線障礙及飛行限制約束進(jìn)行條件設(shè)定，并根據(jù)所述基于自適應(yīng)變權(quán)重a*算法的航路規(guī)劃算法計(jì)算障礙繞行路線，進(jìn)行臨時(shí)避障；待無(wú)人機(jī)返回后將航路上的避障過(guò)程更新至障礙庫(kù)和避障路徑庫(kù)，并儲(chǔ)存歷史避障路線。

50、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：

51、（1）綜合考慮航路規(guī)劃面臨安全性和時(shí)效性問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)障礙物繞行的民用運(yùn)投無(wú)人機(jī)航路自動(dòng)規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)了從物品需求到航路規(guī)劃再到精準(zhǔn)避障的全流程。

52、（2）以解決民用無(wú)人運(yùn)投任務(wù)為出發(fā)點(diǎn)，綜合考慮外部環(huán)境的實(shí)時(shí)變化，利用實(shí)時(shí)障礙探測(cè)結(jié)合歷史避障信息，提高無(wú)人機(jī)的安全規(guī)劃能力，使無(wú)人機(jī)在鬧市、山地、高原等不同環(huán)境下實(shí)現(xiàn)安全、自主的路徑規(guī)劃。

53、（3）以城市環(huán)境下高價(jià)值物資無(wú)人運(yùn)投任務(wù)為導(dǎo)向，提出了安全、時(shí)效均衡的航路規(guī)劃算法。

54、（4）提出了基于實(shí)測(cè)實(shí)飛的障礙庫(kù)構(gòu)建與更新方法，將避障飛行的實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃和障礙物信息記錄下來(lái)，形成歷史數(shù)據(jù)，為后續(xù)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新和航路規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐。

55、（5）本發(fā)明在使用自適應(yīng)變權(quán)重a*算法的基礎(chǔ)上，增加歷史避障數(shù)據(jù)適配方法，將歷史避障信息融合到路徑規(guī)劃，從而提高a*算法的避障的能力。

56、下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。