CN110296698A - 一种以激光扫描为约束的无人机路径规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以激光扫描为约束的无人机路径规划方法,它包括:步骤1、设定t时刻无人机位置为(x(t),y(t),z(t)),无人机速度为v(t),建立无人机飞行航程d表达式和无人机规划代价函数表达式;步骤2、定义两个杆塔之间的检测区间为长方体;步骤3、输入无人机路径规划的起始点坐标与终点坐标,使用快速搜索树算法进行路径规划;步骤4、输出规划路径结果;解决了无人机激光扫描有效性问题;解决了无人机路径规划采用局部路径规划方法,规划路径无法达到全局最优;全局规划方法需要详细的地理环境信息支持,因此算法比较复杂,而且不适用于缺乏地理环境信息的地区等问题。
Description
技术领域
本发明属于无人机路径规划技术,尤其涉及一种以激光扫描为约束的无人机路径规划方法。
背景技术
不同的无人机应用平台对应不同的路径规划方法。山区环境地势复杂,路径规划需要考虑躲避障碍,可以采用全局规划方法或者局部规划方法。局部路径规划方法适用于飞行规划空间信息获取不充分,对全局环境无法精确建模的情况。其基本思路是利用局部信息规划下一步的执行动作,避免碰撞等风险,但规划路径无法达到全局最优。全局规划方法能够提前规避风险,规划出最优飞行路径,但需要详细的地理环境信息支持,因此算法比较复杂,而且不适用于缺乏地理环境信息的地区。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:提供一种以激光扫描为约束的无人机路径规划方法,以解决现有技术中针对无人机路径规划,采用局部路径规划方法,规划路径无法达到全局最优;全局规划方法能够提前规避风险,规划出最优飞行路径,但需要详细的地理环境信息支持,因此算法比较复杂,而且不适用于缺乏地理环境信息的地区等问题。
本发明的技术方案是:
一种以激光扫描为约束的无人机路径规划方法,它包括:
步骤1、设定t时刻无人机位置为(x(t),y(t),z(t)),无人机速度为v(t),建立无人机飞行航程d表达式和无人机规划代价函数表达式;
步骤2、定义两个杆塔之间的检测区间为长方体;
步骤3、输入无人机路径规划的起始点坐标与终点坐标,使用快速搜索树算法进行路径规划,得到最优路径;
步骤4、输出规划路径结果。
所述无人机飞行航程d表达式和无人机规划代价函数表达式为:
步骤2所述长方体的高为杆塔高度,长为两个杆塔的直线距离,宽度为杆塔宽度。
步骤3所述使用快速搜索树算法进行路径规划时:要先构建规划限制约束条件;计算激光传感器到长方体两边的测量角度θ1、θ2,测量地面目标最大距离l1、l2,无人机与杆塔的横向距离d,无人机飞行高度h,定义测量地面目标最大距离lmax,激光传感器最大测量角度θmax,无人机最小飞行高度hmin,最大横向距离dmax,构建规划限制约束条件为:
max(l1,l2)<lmax
max(θ1,θ2)<θmax
d<dmax
h>hmin。
步骤4所述输出规划路径结果为满足航程最小并且激光传感器能够完全扫描到杆塔之间长方体区域。
快速搜索树算法进行路径规划的方法为:输入规划地区的起始点坐标与终点坐标,使用快速搜索树算法从起始点开始生成随机树,随机树根据规划限制约束条件向整个规划空间生长,直至遍历到终点算法结束,得到最优的路径。
本发明有益效果:
本发明考虑在山区环境中,无人机飞行路径在满足代价最小原则的同时,需要满足激光传感器测量角度、测量距离等约束。为保证激光传感器测量有效,本发明在全局路径规划的基础上,提出一种以激光扫描为约束的无人机路径规划方法,本发明规划方法核心在于使无人机激光扫描区域与长方体区域重合,考虑测量角度、测量距离、飞行高度、横向距离等因素,构建优化约束条件;其中测量地面目标最大距离lmax为激光传感器的最大测量距离,优化约束条件限定测量距离小于lmax,保证激光扫描能够收集到地面信息。激光传感器最大测量角度θmax限制无人机的扫描区域范围,当无人机偏移时可能出现长方体一侧区域扫描不到的情况。故设置测量角度优化约束,避免激光扫描只收集到一侧信息的情况。无人机最小飞行高度hmin为杆塔高度与安全冗余距离之和,限制无人机飞行高度,避免无人机飞行过低撞上杆塔的情况。将最大横向距离dmax设为为杆塔宽度的二分之一,限制无人机飞行的偏移量以优化路径航程大小;本发明不需要地理信息***的支撑因此算法简单可靠,解决了现有技术中针对无人机路径规划,采用局部路径规划方法,规划路径无法达到全局最优;全局规划方法能够提前规避风险,规划出最优飞行路径,但需要详细的地理环境信息支持,因此算法比较复杂,而且不适用于缺乏地理环境信息的地区等问题。
附图说明
图1为杆塔间区域与激光扫描区域示意图;
图2为本发明规划路径示意图。
具体实施方式
本发明解决了无人机在激光扫描约束条件下的路径规划问题。以最小航程作为路径代价函数,定义两个杆塔之间的检测空间为一个长方体,构建对激光传感器测量角度、测量地面目标最大距离、无人机与杆塔横向距离的限制策略,保证无人机激光扫描区域与长方体区域重合。
首先,设定t时刻无人机位置为(x(t),y(t),z(t)),无人机速度为v(t),则无人机飞行航程d表达式如下:
无人机规划代价函数J(t)设定如下:
然后,定义两个杆塔之间的检测区间为一长方体。为了保证杆塔信息完整,设定长方体高为杆塔高度,长为两个杆塔的直线距离,宽度等于杆塔自身宽度。无人机需要激光扫描到长方体全部区域。激光传感器扫描范围定义为一个三棱台。随着无人机飞行高度变化,三角形面的顶角和对应的两边长度跟着变化。杆塔间区域与激光扫描区域如图1所示:
接着,输入规划地区的起始点坐标与终点坐标,使用快速搜索树算法从起始点开始生成随机树,随机树根据规划限制约束条件向整个规划空间生长,直至遍历到终点算法结束,得到最优的路径;
构建规划限制约束条件的方法为:计算激光传感器到长方体两边的测量角度θ1、θ2,测量地面目标最大距离l1、l2,无人机与杆塔的横向距离d,无人机飞行高度h。定义测量地面目标最大距离lmax,激光传感器最大测量角度θmax,无人机最小飞行高度hmin,最大横向距离dmax,:
max(l1,l2)<lmax
max(θ1,θ2)<θmax
d<dmax
h>hmin
最后,输出规划路径,满足航程最小,并且激光传感器能够完全扫描到杆塔之间长方体区域,效果如图2所示:
本发明规划方法核心在于使无人机激光扫描区域与长方体区域重合,需要考虑测量角度、测量距离、飞行高度、横向距离等因素,构建优化约束条件如前文所示。其中测量地面目标最大距离lmax为激光传感器的最大测量距离,优化约束条件限定测量距离小于lmax,保证激光扫描能够收集到地面信息。激光传感器最大测量角度θmax限制无人机的扫描区域范围,当无人机偏移时可能出现长方体一侧区域扫描不到的情况。故设置测量角度优化约束,避免激光扫描只收集到一侧信息的情况。无人机最小飞行高度hmin为杆塔高度与安全冗余距离之和,限制无人机飞行高度,避免无人机飞行过低撞上杆塔的情况。最大横向距离dmax为杆塔宽度的二分之一,限制无人机飞行的偏移量以优化路径航程大小。
Claims (6)
1.一种以激光扫描为约束的无人机路径规划方法,它包括:
步骤1、设定t时刻无人机位置为(x(t),y(t),z(t)),无人机速度为v(t),建立无人机飞行航程d表达式和无人机规划代价函数表达式;
步骤2、定义两个杆塔之间的检测区间为长方体;
步骤3、输入无人机路径规划的起始点坐标与终点坐标,使用快速搜索树算法进行路径规划,得到最优路径;
步骤4、输出规划路径结果。
2.根据权利要求1所述的一种以激光扫描为约束的无人机路径规划方法,其特征在于:所述无人机飞行航程d表达式和无人机规划代价函数表达式为:
3.根据权利要求1所述的一种以激光扫描为约束的无人机路径规划方法,其特征在于:步骤2所述长方体的高为杆塔高度,长为两个杆塔的直线距离,宽度为杆塔宽度。
4.根据权利要求1所述的一种以激光扫描为约束的无人机路径规划方法,其特征在于:步骤3所述使用快速搜索树算法进行路径规划时:要先构建规划限制约束条件;计算激光传感器到长方体两边的测量角度θ1、θ2,测量地面目标最大距离l1、l2,无人机与杆塔的横向距离d,无人机飞行高度h,定义测量地面目标最大距离lmax,激光传感器最大测量角度θmax,无人机最小飞行高度hmin,最大横向距离dmax,构建规划限制约束条件为:
max(l1,l2)<lmax
max(θ1,θ2)<θmax
d<dmax
h>hmin。
5.根据权利要求1所述的一种以激光扫描为约束的无人机路径规划方法,其特征在于:步骤4所述输出规划路径结果为满足航程最小并且激光传感器能够完全扫描到杆塔之间长方体区域。
6.根据权利要求1所述的一种以激光扫描为约束的无人机路径规划方法,其特征在于:快速搜索树算法进行路径规划的方法为:输入规划地区的起始点坐标与终点坐标,使用快速搜索树算法从起始点开始生成随机树,随机树根据规划限制约束条件向整个规划空间生长,直至遍历到终点算法结束,得到最优的路径。
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---|---|
CN (1) | CN110296698B (zh) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111707272A (zh) * | 2020-06-28 | 2020-09-25 | 湖南大学 | 一种地下车库自动驾驶激光定位*** |
CN112033411A (zh) * | 2020-09-07 | 2020-12-04 | 中国民航大学 | 一种基于安全代价评估的无人机航路规划方法 |
CN113485240A (zh) * | 2021-07-27 | 2021-10-08 | 华南理工大学 | 基于带标志位分层搜索树的机器人在线焊接路径规划方法 |
Citations (19)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN202709994U (zh) * | 2012-07-03 | 2013-01-30 | 华北电力大学(保定) | 一种输电线弧垂计算装置 |
JP2014041397A (ja) * | 2012-08-21 | 2014-03-06 | Asia Air Survey Co Ltd | 走行路上地物画像生成方法及び走行路上地物画像生成プログラム並びに走行路上地物画像生成装置 |
US9070285B1 (en) * | 2011-07-25 | 2015-06-30 | UtopiaCompression Corporation | Passive camera based cloud detection and avoidance for aircraft systems |
CN105333861A (zh) * | 2015-12-02 | 2016-02-17 | 中国测绘科学研究院 | 基于激光点云的杆塔倾斜检测的方法及装置 |
WO2017021955A1 (en) * | 2015-08-05 | 2017-02-09 | Israel Aerospace Industries Ltd. | Constraints driven autonomous aircraft navigation |
CN106772412A (zh) * | 2016-11-25 | 2017-05-31 | 国家电网公司 | 无人机的输电线路空间距离的测量方法和装置 |
US20170358221A1 (en) * | 2016-06-10 | 2017-12-14 | ETAK Systems, LLC | Air traffic control of unmanned aerial vehicles via wireless networks |
US20180032088A1 (en) * | 2015-03-02 | 2018-02-01 | Izak Jan van Cruyningen | Flight planning for unmanned aerial tower inspection |
CN107883962A (zh) * | 2017-11-08 | 2018-04-06 | 南京航空航天大学 | 一种多旋翼无人机在三维环境下的动态航路规划方法 |
CN108682105A (zh) * | 2018-05-29 | 2018-10-19 | 贵州电网有限责任公司 | 一种基于多光谱的输电线路山火勘测预警装置及预警方法 |
CN108680925A (zh) * | 2018-08-20 | 2018-10-19 | 贵州电网有限责任公司 | 一种基于激光点云数据的输电线路导线相间测量方法 |
CN108700653A (zh) * | 2017-05-31 | 2018-10-23 | 深圳市大疆创新科技有限公司 | 一种激光雷达的扫描控制方法、装置及设备 |
CN109062233A (zh) * | 2018-08-15 | 2018-12-21 | 广东电网有限责任公司 | 一种输电线路无人机自动驾驶巡检方法 |
US20190011934A1 (en) * | 2017-07-06 | 2019-01-10 | Top Flight Technologies, Inc. | Navigation system for a drone |
US20190023392A1 (en) * | 2013-10-25 | 2019-01-24 | Ioannis Micros | Drone with four wings maneuverable by flapping action |
CN109447371A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-03-08 | 北京中飞艾维航空科技有限公司 | 巡检路径规划方法、装置、电子设备及可读存储介质 |
US20190094866A1 (en) * | 2017-09-22 | 2019-03-28 | Locus Robotics Corporation | Dynamic window approach using optimal reciprocal collision avoidance cost-critic |
CN109685237A (zh) * | 2017-10-19 | 2019-04-26 | 北京航空航天大学 | 一种基于Dubins路径和分支限界的无人机航迹实时规划方法 |
CN109885063A (zh) * | 2019-03-15 | 2019-06-14 | 江苏大学 | 一种融合视觉和激光传感器的施药机器人农田路径规划方法 |
-
2019
- 2019-07-12 CN CN201910628705.0A patent/CN110296698B/zh active Active
Patent Citations (19)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9070285B1 (en) * | 2011-07-25 | 2015-06-30 | UtopiaCompression Corporation | Passive camera based cloud detection and avoidance for aircraft systems |
CN202709994U (zh) * | 2012-07-03 | 2013-01-30 | 华北电力大学(保定) | 一种输电线弧垂计算装置 |
JP2014041397A (ja) * | 2012-08-21 | 2014-03-06 | Asia Air Survey Co Ltd | 走行路上地物画像生成方法及び走行路上地物画像生成プログラム並びに走行路上地物画像生成装置 |
US20190023392A1 (en) * | 2013-10-25 | 2019-01-24 | Ioannis Micros | Drone with four wings maneuverable by flapping action |
US20180032088A1 (en) * | 2015-03-02 | 2018-02-01 | Izak Jan van Cruyningen | Flight planning for unmanned aerial tower inspection |
WO2017021955A1 (en) * | 2015-08-05 | 2017-02-09 | Israel Aerospace Industries Ltd. | Constraints driven autonomous aircraft navigation |
CN105333861A (zh) * | 2015-12-02 | 2016-02-17 | 中国测绘科学研究院 | 基于激光点云的杆塔倾斜检测的方法及装置 |
US20170358221A1 (en) * | 2016-06-10 | 2017-12-14 | ETAK Systems, LLC | Air traffic control of unmanned aerial vehicles via wireless networks |
CN106772412A (zh) * | 2016-11-25 | 2017-05-31 | 国家电网公司 | 无人机的输电线路空间距离的测量方法和装置 |
CN108700653A (zh) * | 2017-05-31 | 2018-10-23 | 深圳市大疆创新科技有限公司 | 一种激光雷达的扫描控制方法、装置及设备 |
US20190011934A1 (en) * | 2017-07-06 | 2019-01-10 | Top Flight Technologies, Inc. | Navigation system for a drone |
US20190094866A1 (en) * | 2017-09-22 | 2019-03-28 | Locus Robotics Corporation | Dynamic window approach using optimal reciprocal collision avoidance cost-critic |
CN109685237A (zh) * | 2017-10-19 | 2019-04-26 | 北京航空航天大学 | 一种基于Dubins路径和分支限界的无人机航迹实时规划方法 |
CN107883962A (zh) * | 2017-11-08 | 2018-04-06 | 南京航空航天大学 | 一种多旋翼无人机在三维环境下的动态航路规划方法 |
CN108682105A (zh) * | 2018-05-29 | 2018-10-19 | 贵州电网有限责任公司 | 一种基于多光谱的输电线路山火勘测预警装置及预警方法 |
CN109062233A (zh) * | 2018-08-15 | 2018-12-21 | 广东电网有限责任公司 | 一种输电线路无人机自动驾驶巡检方法 |
CN108680925A (zh) * | 2018-08-20 | 2018-10-19 | 贵州电网有限责任公司 | 一种基于激光点云数据的输电线路导线相间测量方法 |
CN109447371A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-03-08 | 北京中飞艾维航空科技有限公司 | 巡检路径规划方法、装置、电子设备及可读存储介质 |
CN109885063A (zh) * | 2019-03-15 | 2019-06-14 | 江苏大学 | 一种融合视觉和激光传感器的施药机器人农田路径规划方法 |
Non-Patent Citations (6)
Title |
---|
CLAUDIA等: "Measuring gullies by syner-getic application of UAV and close range photogrammetry", 《CATENA》 * |
G. E. TENG, M. ZHOU等: "Mini-UAV LiDAR for power line inspection", 《THE INTERNATIONAL ARCHIVES OF THE PHOTOGRAMMETRY, REMOTE SENSING AND SPATIAL INFORMATION SCIENCES》 * |
XIAN WU等: "Transmission Line Unmanned Aerial Vehicle Obstacle", 《ISAI 2018》 * |
文小祥: "飞机机翼装配中的扫描路径规划研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 * |
李铭: "滑翔飞行器激光雷达探测目标避障轨迹仿真", 《计算机仿真》 * |
杨磊等: "基于多传感器的无人机避障方法研究及应用", 《计算机测量与控制》 * |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111707272A (zh) * | 2020-06-28 | 2020-09-25 | 湖南大学 | 一种地下车库自动驾驶激光定位*** |
CN112033411A (zh) * | 2020-09-07 | 2020-12-04 | 中国民航大学 | 一种基于安全代价评估的无人机航路规划方法 |
CN112033411B (zh) * | 2020-09-07 | 2024-01-05 | 中国民航大学 | 一种基于安全代价评估的无人机航路规划方法 |
CN113485240A (zh) * | 2021-07-27 | 2021-10-08 | 华南理工大学 | 基于带标志位分层搜索树的机器人在线焊接路径规划方法 |
CN113485240B (zh) * | 2021-07-27 | 2022-07-01 | 华南理工大学 | 基于带标志位分层搜索树的机器人在线焊接路径规划方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN110296698B (zh) | 2023-04-28 |
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---|---|---|---|
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