CN112379697A - 轨迹规划方法、装置、轨迹规划器、无人机及存储介质 - Google Patents

轨迹规划方法、装置、轨迹规划器、无人机及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种轨迹规划方法、装置、轨迹规划器、无人机及存储介质，该方法包括：确定作业路线的全局轨迹点；将所述全局轨迹点的起点作为第一预设长度的起点；在所述全局轨迹点中筛选所述第一预设长度所覆盖的轨迹点，基于筛选的轨迹点确定局部轨迹点，并基于所述局部轨迹点生成局部轨迹；控制无人机基于所述局部轨迹运动第二预设长度的距离，将所述无人机当前位置的下一个轨迹点作为所述第一预设长度的起点，返回在所述全局轨迹点中筛选所述第一预设长度所覆盖的轨迹点的操作，直至所述全局轨迹点筛选完毕，其中，所述第一预设长度大于所述第二预设长度。由此在遇到障碍物时，可以精确躲避障碍物，保证无人机安全、提高作业效率。

Description

轨迹规划方法、装置、轨迹规划器、无人机及存储介质
技术领域
本发明实施例涉及无人机路径规划领域，尤其涉及一种轨迹规划方法、装置、轨迹规划器、无人机及存储介质。
背景技术
近年来，随着无人技术的普及，逐步将无人机应用于各个领域。其中，可以将无人机应用于对路线点进行巡检、喷洒等各种作业。无人机在进行作业的过程中，需要预先路径规划，得到路径轨迹。
但是相关技术中，在无人机基于规划的路径轨迹进行实际作业过程中，若遇到障碍物，无人机并不能很好的避障，影响无人机的安全。
发明内容
本发明实施例提供一种轨迹规划方法、装置、轨迹规划器、无人机及存储介质，在遇到障碍物的情况下，可以精确躲避障碍物，保证无人机安全、提高作业效率。
第一方面，本发明实施例提供了一种轨迹规划方法，包括：
确定作业路线的全局轨迹点；
将所述全局轨迹点的起点作为第一预设长度的起点；
在所述全局轨迹点中筛选所述第一预设长度所覆盖的轨迹点，基于筛选的轨迹点确定局部轨迹点，并基于所述局部轨迹点生成局部轨迹；
控制无人机基于所述局部轨迹运动第二预设长度的距离，将所述无人机当前位置的下一个轨迹点作为所述第一预设长度的起点，返回在所述全局轨迹点中筛选所述第一预设长度所覆盖的轨迹点的步骤，直至所述全局轨迹点筛选完毕，其中，所述第一预设长度大于所述第二预设长度。
第二方面，本发明实施例还提供了一种轨迹规划装置，包括：
全局轨迹点确定模块，用于确定作业路线的全局轨迹点；
起点确定模块，用于将所述全局轨迹点的起点作为第一预设长度的起点；
局部轨迹生成模块，用于在所述全局轨迹点中筛选所述第一预设长度所覆盖的轨迹点，基于筛选的轨迹点确定局部轨迹点，并基于所述局部轨迹点生成局部轨迹；
控制/返回模块，用于控制无人机基于所述局部轨迹运动第二预设长度的距离，将所述无人机当前位置的下一个轨迹点作为所述第一预设长度的起点，返回在所述全局轨迹点中筛选所述第一预设长度所覆盖的轨迹点的步骤，直至所述全局轨迹点筛选完毕，其中，所述第一预设长度大于所述第二预设长度。
第三方面，本发明实施例提供了一种轨迹规划器，包括：本发明实施例提供的轨迹规划装置。
第四方面，本发明实施例提供了一种无人机，包括本发明实施例提供的轨迹规划器。
第五方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时本发明实施例提供的方法。
本发明实施例提供的技术方案，通过确定作业路线的全局轨迹点，将全局轨迹点的起点作为第一预设长度的起点，在全局轨迹点中筛选第一预设长度所覆盖的轨迹点，基于筛选的轨迹点确定局部轨迹点，并生成局部轨迹，控制无人机基于局部轨迹运动第二预设长度，将无人机当前位置的下一个轨迹点作为第一预设长度的起点，返回在全局轨迹点中第一预设长度所覆盖的轨迹点的操作，直至全局轨迹点筛选完毕；其中，第二预设长度小于第一预设长度；即通过第一预设长度生成局部轨迹，控制无人机基于局部轨迹运动第二预设距离，再重新基于第一预设长度生成局部轨迹，在遇到障碍物的情况下，可以及时进行避障处理，实现精准避障，保障无人机的安全。
附图说明
图1a是本发明实施例提供的一种轨迹规划方法流程图；
图1b是往返作业路线示意图；
图1c是曲线形式作业路线示意图；
图1d是一条作业路线的示意图；
图1e是路线点速度计算原理图；
图1f是全局轨迹点示意图；
图1g是在第一预设长度覆盖的轨迹点形成的轨迹上不存在障碍物的情况下，局部轨迹点筛选示意图；
图1h是在第一预设长度覆盖的轨迹点形成的轨迹上不存在障碍物的情况下，局部轨迹点筛选示意图；
图2a是本发明实施例提供的一种轨迹规划方法流程图；
图2b是在第一预设长度覆盖的轨迹点形成的轨迹上存在障碍物，且障碍物与第一预设长度的终点的距离大于用于避障的第一预设距离的情况下，局部轨迹点筛选示意图；
图3a是本发明实施例提供的一种轨迹规划方法流程图；
图3b是在第一预设长度覆盖的轨迹点形成的轨迹上存在障碍物，且障碍物与第一预设长度的终点的距离小于用于避障的第一预设距离的情况下，局部轨迹点筛选导致无人机无法回归原来的轨迹点的示意图；
图3c是在第一预设长度覆盖的轨迹点形成的轨迹上存在障碍物，且障碍物与第一预设长度的终点的距离小于用于避障的第一预设距离的情况下，局部轨迹点筛选的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种轨迹规划装置结构框图；
图5是本发明实施例提供的一种轨迹规划器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1a是本发明实施例提供的一种轨迹规划方法流程图，所述方法可以由一种轨迹规划装置来执行，所述装置可以由软件和/或硬件来实现，所述装置可以配置在轨迹规划器中，所述轨迹规划器可以配置在无人机上。其中，无人机可以植保无人机、测绘无人机、无人车或无人船，可选的，本发明实施例提供的方法可以应用于无人机作业的场景中。
如图1a所示，本发明实施例提供的技术方案包括：
S110：确定作业路线的全局轨迹点。
在本发明实施例中，可以先进行全局轨迹规划，规划出一条包含所有路线点的全局轨迹，初步确定无人机在每一个时刻的位置和速度。然后再进行局部轨迹规划，在局部轨迹规划过程中，轨迹规划器使用已经规划好的全局轨迹作为基础，再结合传感器获取到的障碍物信息，进行小范围，小时间尺度的轨迹规划。需要说明的是，所述作业路线可以为飞机的飞行航线，也可以为车辆或船的行走路线。
在本发明实施例中，作业路线可以由若干个路线点组成，无人机在作业过程中，需要经过这些路线点。其中，路线点可以包含位置信息以及速度信息等，其中，路线点的速度可以理解为无人机在路线点时的速度。例如，如图1b所示的作业路线中有六个路线点。
在本发明实施例中，在无人机起飞前，或者无人机已经起飞但还未开始作业前，轨迹规划器可以预先获取作业路线的所有数据，包括路线点的数量，每个路线点的坐标，每个路线点的最高速度等，轨迹规划器可以基于作业路线的数据、障碍物地图等进行全局轨迹规划。其中，障碍物地图可以记录地理上无人机无法通行的区域和障碍物。其中，路线点形成的作业路线可以是如图1b所示的往返作业路线，还可以如图1c所示的曲线形式。其中，作业路线的形式并不局限于上述的形式，也可以是存在高度变化的3D作业路线的形式。
为了简化说明，可以假设一条作业路线的路线点数量为3个，作业路线的示意图可以参考图1d，且以无人机水平飞行为例。如图1d所示，在全局轨迹规划过程中，需要进行速度分配，即无人机由路线点1出发(出发时t＝0)，经过路线点2，最后到达路线点3，需要确定总共花费的总时间T，在t∈(0,T)区间内，需要确定各个时刻无人机的位置和速度。为了进行速度分配，需要设定无人机在经过每个路线点时的速度。相关技术中，无人机在基于作业路线飞行时，是把无人机在经过每个路线点时的速度设为0m/s。因此，无人机在到达每个路线点时均需要停下来，再出发飞往下一个路线点，会影响作业效率。
本发明实施例中，为了提高作业效率，可以约束无人机经过路线点时的速度不为0，进而使无人机的运动更加连贯，最终确定全局轨迹点。
在本发明实施例的一个实施方式中，可选的，确定作业路线的全局轨迹点，包括：基于作业路线中路线点的约束条件确定每个路线点允许的最大速度，并作为每个路线点的速度；基于每相邻两个路线点的速度和位置，确定每相邻路线点之间的路段的位置和速度，并对每个路段进行位置采样，得到全局轨迹点。
其中，可选的，所述基于作业路线中路线点的约束条件确定每个路线点允许的最大速度，包括：路线点的速度满足如下条件，并确定满足如下条件的速度中的最大值：
每个路线点的速度小于或者等于作业允许的最大速度；
第一个路线点和最后一个路线点的速度为0；
针对一个路线点的速度，满足从前一个路线点的速度开始，以所述无人机允许的最大加速度全程加速达到，或者以所述无人机允许的最大加速度全程减速达到；
针对一个路线点的速度，满足以所述无人机允许的最大加速度全程减速达到下一个路线点的速度，或者满足以所述无人机允许的最大加速度全程加速达到下一个路线点的速度；
路线点的前向速度基于转角大小进行确定。
通过上述的约束条件对路线点的速度进行约束，取满足上述约束条件的速度中的最大值为路线点的速度，可以提高作业效率。
在本发明实施例中，可选的，路线点的前向速度基于转角大小进行确定，包括:基于如下公式确定路线点的前向速度：
Figure BDA0002837122670000051
其中，vx为所述无人机的前向速度，θ为转角大小，a0为所述无人机的加速度，d为所述无人机减速时与路线点的距离。
具体的，以图1d所示的情况为例，如果向量a和向量b同向，则无人机如同飞经一条直线，无人机不应在路线点2停下，则根据转角大小确定路线点的速度的约束条件不会起到约束作用。如果向量a和向量b反向，需要将路线点2的速度限制为0，因为，此时无人机的速度需要180°转向。在向量a和向量b之间的存在夹角的情况下，可以无需考虑三个路线点的位置分布，可以将其形成的夹角摆正，如图1e所示，前后两个路段形成夹角大小为θ的角，即转角大小为θ。此时无人机沿着形成角的左边飞行，速度可以分解为vx和vy两个方向垂直的速度。在无人机到达顶点的时候，vy应该减为零，而vx在无人机飞向顶点以及从顶点远离的整个过程中保持不变。假设无人机在距离顶点距离d的时候开始减速，经过顶点之后再进行加速。由于在顶点处y方向速度vy为0，那么，x方向的速度vx就是经过该顶点允许的速度。需要说明的是，在整个过程的轨迹实际是一条抛物线而不是图1e所示的轨迹，但是在d较小的情况下可以认为是图1e所示的轨迹。
其中，假设无人机的加速度为a0，假设y方向的速度由vy减速至0m/s所需时间为t，也是x方向无人机飞行一半dx所需时间。vx可由以下式子求得：
Figure BDA0002837122670000052
Figure BDA0002837122670000053
由以上两个公式可得
Figure BDA0002837122670000054
在本发明实施例中，通过上述的方法对每个路线点的速度进行约束后，得到符合上述约束条件的最大速度，作为每个路线点的速度，可以通过梯形速度分配的方法或者Double S速度分配器对每相邻的路线点之间的路段进行直线轨迹规划。即针对相邻两个路线点形成的路段，通过该两个路线点的位置和速度，可以计算飞行该路段所需要的时间，从而可以计算无人机在该路段内任意时刻的位置以及速度，并对无人机的位置按照时间间隔Ts进行位置采样，得到全局轨迹点。其中，全局轨迹点的示意图可以参考图1f，全局轨迹点包含了各个轨迹点的位置、速度以及对应的时间信息。如图1f所示，每个轨迹点的时间间隔都是Ts，因此，前后距离近的轨迹点表示速度小，距离大的轨迹点表示速度大。如图1f所示，无人机从左下角的起点开始加速，开始时轨迹点比较密集，速度较小，到达第一个路段中间时，轨迹点比较稀疏，速度较大；随后无人机减速到达顶点，经过顶点后再次加速，将要抵达右下方的终点时减速，最终停下。
在本发明实施例的一个实施方式中，可选的，还可以基于作业路线中的路线点的位置信息以及障碍物地图中的信息规划全局轨迹，并对全局轨迹进行位置采样，得到全局轨迹点。需要说明的是，确定全局轨迹点的方式并不局限于上述的方式，还可以是其他方式。
S120：将所述全局轨迹点的起点作为第一预设长度的起点。
在本发明实施例中，可以通过全局轨迹点规划无碰撞且平滑的局部轨迹。
具体的，可以先将全局轨迹点的起点作为第一预设长度的起点。其中，全局轨迹点的起点可以是全局轨迹点的开始的第一个轨迹点。其中，第一预设长度可以根据实际情况进行设定。
S130：在所述全局轨迹点中筛选所述第一预设长度所覆盖的轨迹点，基于筛选的轨迹点确定局部轨迹点，并基于所述局部轨迹点生成局部轨迹。
在本发明实施例中，第一预设长度所覆盖的轨迹点可以包含全局轨迹中，与所述第一预设长度的起点对应的轨迹点、以及位于第一预设长度的起点之后、且与第一预设长度的起点之间的距离小于或等于所述第一预设长度的轨迹点。
在本发明实施例中，在第一预设长度所覆盖的轨迹点形成的轨迹上不存在障碍物的情况下，即在第一预设长度所覆盖的距离范围内不存在障碍物的情况下，可以将第一预设长度所覆盖的轨迹点作为局部轨迹点，并基于局部轨迹点生成局部轨迹。
在本发明实施例中，在第一预设长度所覆盖的轨迹点形成的轨迹上存在障碍物的情况下，即在第一预设长度所覆盖的距离范围内存在障碍物的情况下，且障碍物与第一预设长度终点的距离大于第一预设距离，可以基于第一预设距离、用于避障的第二预设距离以及障碍物的信息确定避障轨迹点，并采用避障轨迹点替换对应的全局轨迹点中的轨迹点，将第一预设长度覆盖的轨迹点中未替换的轨迹点以及避障轨迹点作为局部轨迹点。其中，障碍物信息包括障碍物的大小以及位置信息，障碍物信息可以通过无人机上的传感器数据进行确定。第一预设距离以及第二预设距离可以预先设置，或者也可以根据无人机的当前速度进行确定。本部分内容详细可以参考下述实施例的介绍。
在本发明实施例中，在第一预设长度所覆盖的轨迹点形成的轨迹上存在障碍物的情况下，即在第一预设长度所覆盖的距离范围内存在障碍物的情况下，且障碍物与第一预设长度终点的距离小于第一预设距离，可以在第一预设长度的基础上增加第三预设长度，得到第四预设长度，第四预设长度的终点与障碍物的距离大于第一预设距离。通过第一预设距离、用于避障的第二预设距离以及障碍物的信息确定避障轨迹点，并采用避障轨迹点替换对应的全局轨迹点中的轨迹点；将第四预设长度覆盖的轨迹点中未替换的轨迹点以及避障轨迹点作为局部轨迹点，并生成局部轨迹。本部分内容可以参考下述实施例的介绍。
S140：控制无人机基于局部轨迹运动第二预设长度的距离。
在本发明实施例的一个实施方式中，所述控制所述无人机基于局部轨迹运动第二预设长度的距离，包括：基于所述局部轨迹确定所述无人机的控制量；基于所述控制量控制所述无人机沿所述局部轨迹运动第二预设长度的距离。其中，控制量可以包括加速度以及飞行角度等信息。其中，局部轨迹的自变量可以为时间，可以基于局部轨迹确定任意时刻的速度，可以基于任意两个相邻时刻的速度计算加速度以及飞行角度等信息。本发明实施例通过确定局部轨迹，基于局部轨迹确定控制量，并基于控制量控制无人机沿局部轨迹进行运动，通过进行局部规划，可以集中规划无人机正在执行的一小段轨迹，而无需每次均处理较长的全局轨迹，减少数据的处理。
在本发明实施例中，第二预设长度小于第一预设长度，可选的，第二预设长度可以小于第一预设长度的一半，在其他示例中，第一预设长度和第二预设长度可以根据需要进行设置。
S150：确定全局轨迹点是否筛选完毕。
若是，执行S160，若否，返回S170。
S160：控制无人机沿所述局部轨迹继续运动至最后一个轨迹点。
S170：将所述无人机当前位置的下一个轨迹点作为所述第一预设长度的起点，返回S130。
在本发明实施例中，若第一预设长度覆盖了全局轨迹点的最后一个轨迹点，则全局轨迹点筛选完毕，可以控制无人机沿最后一次生成的局部轨迹运动至最后一个轨迹点。若全局轨迹点没有筛选完毕，将无人机当前位置的下一个轨迹点作为第一预设长度的起点，返回S130。
其中，以在第一预设长度覆盖的轨迹点形成的轨迹上不存在障碍物的情况下，生成局部轨迹为例参考图示进行介绍。图1g中的轨迹点为全局轨迹点，“×”表征无人机的位置，如图1g所示，Lmin_for_execution为第一预设长度，即为生成局部轨迹的长度，Lreplan为第二预设长度，即飞过第二预设长度的距离后才会重新生成局部轨迹，如图1g所示，无人机处于全局轨迹点的起点，为了生成局部轨迹，需要在全局轨迹点中筛选轨迹点，所筛选的轨迹点连线的长度由Lmin_for_execution决定。其中，Lmin_for_execution越大，筛选的轨迹点越多。基于筛选的轨迹点生成局部轨迹，基于局部轨迹确定控制量，在无人机基于控制量沿局部轨迹移动Lreplan的距离后，需要重新进行局部规划。如图1h所示，在无人机基于控制量沿局部轨迹移动Lreplan的距离后，从无人机当前位置前方的下一个轨迹点开始筛选，筛选的轨迹点连线的长度满足Lmin_for_execution的长度后，再次生成局部轨迹以及控制量，基于控制量控制无人机沿局部轨迹移动Lreplan的距离后，返回从无人机当前位置前方的下一个轨迹点开始筛选，直至全局轨迹点筛选完毕。其中，在第一预设长度覆盖的轨迹点形成的轨迹上存在障碍物的情况下，基于筛选的轨迹点确定局部轨迹点，并生成局部轨迹的方法可以参考下述实施例的介绍。
相关技术中，无人机在执行作业路线作业过程中，到达一个路线点需要停下来再飞往下一个路线点，但是在执行诸如由梯田，不规则种植果树等特性生成的作业路线过程中，频繁的刹停会影响作业效率，本发明实施例通过基于作业路线中路线点的约束条件确定每个路线点允许的最大速度，并作为每个路线点的速度；基于每相邻两个路线点的速度和位置，对每相邻路线点之间的路段进行速度匹配，并基于分配的速度对每个路段进行位置采样，得到全局轨迹点，通过全局轨迹点进行局部规划，从而可以避免无人机频繁刹停的情况，提高作业效率。
但是相关技术中，在无人机基于规划的路径轨迹进行实际飞行过程中，若遇到障碍物，无人机并不能很好的避障，影响无人机的安全。
本发明实施例提供的技术方案，通过确定作业路线的全局轨迹点，将全局轨迹点的起点作为第一预设长度的起点，在全局轨迹点中筛选第一预设长度所覆盖的轨迹点，基于筛选的轨迹点确定局部轨迹点，并生成局部轨迹，控制无人机基于局部轨迹运动第二预设长度，将无人机当前位置的下一个轨迹点作为第一预设长度的起点，返回在全局轨迹点中第一预设长度所覆盖的轨迹点的操作，直至全局轨迹点筛选完毕；其中，第二预设长度小于第一预设长度；即通过第一预设长度生成局部轨迹，控制无人机基于局部轨迹运动第二预设距离，再重新基于第一预设长度生成局部轨迹，在遇到障碍物的情况下，可以及时进行避障处理，实现精准避障，保障无人机的安全。
图2a是本发明实施例提供的一种轨迹规划方法流程图，在本实施例中，
可选的，所述基于筛选的轨迹点确定局部轨迹点，包括：
若所述第一预设长度覆盖的轨迹点形成的轨迹上存在障碍物，且所述障碍物与所述第一预设长度的终点的距离大于用于避障的第一预设距离，基于所述第一预设距离、用于避障的第二预设距离以及障碍物的信息确定避障轨迹点，并采用所述避障轨迹点替换对应的全局轨迹点中的轨迹点；
将所述第一预设长度覆盖的轨迹点中未替换的轨迹点以及所述避障轨迹点作为局部轨迹点。
如图2a所示，本发明实施例提供的技术方案包括：
S210：确定作业路线的全局轨迹点。
S220：将所述全局轨迹点的起点作为第一预设长度的起点。
S230：在所述全局轨迹点中筛选所述第一预设长度所覆盖的轨迹点。
S240：若所述第一预设长度覆盖的轨迹点形成的轨迹上存在障碍物，且所述障碍物与所述第一预设长度的终点的距离大于用于避障的第一预设距离，基于所述第一预设距离、用于避障的第二预设距离以及障碍物的信息确定避障轨迹点，并采用所述避障轨迹点替换对应的全局轨迹点中的轨迹点。
在本发明实施例中，第一预设距离和第二预设距离可以根据需要进行设置，或者也可以基于无人机的当前速度进行确定。当无人机的当前速度较大时，第一预设距离和第二预设距离较大。
在本发明实施例中，在第一预设长度覆盖的轨迹点形成的轨迹上存在障碍物，且障碍物与第一预设长度的终点的距离大于用于避障的第一预设距离的情况下，如图2b所示，第一预设长度Lmin_for_execution覆盖的轨迹点形成的轨迹上存在障碍物100，且障碍物100与第一预设长度的终点的距离较大(障碍物100位于Lmin_for_execution的中间位置)，若无人机按照第一预设长度覆盖的轨迹点进行运动会撞上障碍物100。为了避障，可以基于第一预设距离、第二预设距离以及障碍物的信息确定避障轨迹点，如图2b所示，空心圆点可以是避障轨迹点，可以将避障轨迹点替换对应的全局轨迹点中的轨迹点(第一预设长度所覆盖的轨迹点中的部分轨迹点)。
在本发明实施例的一个实施方式中，可选的，所述基于所述第一预设距离、用于避障的第二预设距离以及障碍物的信息确定避障轨迹点，并采用所述避障轨迹点替换对应的全局轨迹点中的轨迹点，包括：在所述全局轨迹点中，确定在所述障碍物之后第一预设距离处的位置对应的第一轨迹点和在所述障碍物之前第二预设距离处的位置对应的第二轨迹点；基于所述第一轨迹点的信息、所述第二轨迹点的信息以及所述障碍物的信息确定避障轨迹点；将在所述全局轨迹点中处于所述第二轨迹点和所述第一轨迹点之间的轨迹点替换为所述避障轨迹点。
其中，第一轨迹点的信息包括第一轨迹点的速度和位置，第二轨迹点的信息包括第二轨迹点的位置和速度。其中，第一轨迹点可以是在所述障碍物之后的第一预设距离的位置处的轨迹点，或者在障碍物之后的第一预设距离的位置处的后一个轨迹点。第二轨迹点可以是在障碍物之前的第二预设距离的位置处的轨迹点，或者也可以是在障碍物之前的第二预设距离处的位置处的前一个轨迹点。其中，可以采用Hybrid A*算法或者其他相关算法基于第一轨迹点的信息、第二轨迹点的信息以及障碍物的信息确定避障轨迹点(其中，包含确定避障轨迹点的位置以及速度)，在确定避障轨迹点的过程中，通过考虑第一轨迹点和第二轨迹点的速度，生成的避障轨迹和原来的轨迹在速度上是平滑的，提高作业效率。如图2b所示，第一轨迹点可以是轨迹点10，第二轨迹点可以是轨迹点20，可以采用避障轨迹点将轨迹点10和轨迹点20之间的轨迹点(包含轨迹10和轨迹点20)进行替换，从而将轨迹点10和轨迹点20之间的轨迹点进行删除。
S250：将所述第一预设长度覆盖的轨迹点中未替换的轨迹点以及所述避障轨迹点作为局部轨迹点，并基于局部轨迹点生成局部轨迹。
在本发明实施例中，如图2b所示，轨迹点10之后的轨迹点以及轨迹点20之前的轨迹点为第一预设长度覆盖的轨迹点中未替换的轨迹点，将未替换的轨迹点以及避障轨迹点作为局部轨迹点，并基于局部轨迹点生成局部轨迹，可以基于局部轨迹生成控制量，从而控制无人机基于控制量沿局部轨迹进行运动。
S260：控制无人机基于局部轨迹运动第二预设长度的距离。
S270：确定全局轨迹点是否筛选完毕。
若是，执行S280，若否，返回S290。
S280：控制无人机沿所述局部轨迹继续运动至最后一个轨迹点。
S290：将所述无人机当前位置的下一个轨迹点作为所述第一预设长度的起点，返回S230。
在本发明实施例中，无人机基于局部轨迹运动第二预设长度的距离，将无人机当前位置的下一个轨迹点作为第一预设长度的起点，需要按照上述局部轨迹生成的方法重新生成局部轨迹，则上次生成的局部轨迹中包含无人机还没有到达的轨迹点，则无人机还没有到达的轨迹点(可能包含避障轨迹点)成为全局轨迹点中的一部分，返回在全局轨迹点中筛选第一预设长度所覆盖的轨迹点的操作，直至全局轨迹点筛选完毕。
由此，通过在全局轨迹点中筛选第一预设长度所覆盖的轨迹点，若第一预设长度覆盖的轨迹点形成的轨迹上存在障碍物，且障碍物与第一预设长度的终点的距离大于用于避障的第一预设距离，通过基于第一预设距离、用于避障的第二预设距离以及障碍物的信息确定避障轨迹点，并采用避障轨迹点替换对应的全局轨迹点中的轨迹点；将第一预设长度覆盖的轨迹点中未替换的轨迹点以及避障轨迹点作为局部轨迹点，可以及时对障碍物进行处理，精准避障。
图3a是本发明实施例提供的一种轨迹规划方法流程图，在本实施例中，
可选的，所述基于筛选的轨迹点确定局部轨迹点，包括：
若所述第一预设长度覆盖的轨迹点形成的轨迹上存在障碍物，且所述障碍物与所述第一预设长度的终点的距离小于用于避障的第一预设距离，在所述第一预设长度的基础上增加第三预设长度，得到第四预设长度；其中，所述第四预设长度的终点与所述障碍物的距离大于所述第一预设距离；
基于所述第一预设距离、用于避障的第二预设距离以及障碍物的信息确定避障轨迹点，并采用所述避障轨迹点替换对应的全局轨迹点中的轨迹点；
将所述第四预设长度覆盖的轨迹点中未替换的轨迹点以及所述避障轨迹点作为局部轨迹点。
如图3a所示，本发明实施例提供的技术方案包括：
S310：确定作业路线的全局轨迹点。
S320：将所述全局轨迹点的起点作为第一预设长度的起点。
S330：在所述全局轨迹点中筛选所述第一预设长度所覆盖的轨迹点。
S340：若所述第一预设长度覆盖的轨迹点形成的轨迹上存在障碍物，且所述障碍物与所述第一预设长度的终点的距离小于用于避障的第一预设距离，在所述第一预设长度的基础上增加第三预设长度，得到第四预设长度；其中，所述第四预设长度的终点与所述障碍物的距离大于所述第一预设距离。
在本发明实施例中，在第一预设长度覆盖的轨迹点形成的轨迹上存在障碍物，且障碍物与第一预设长度的终点的距离小于用于避障的第一预设距离的情况下，如图3b所示，第一预设长度Lmin_for_execution覆盖的轨迹点形成的轨迹上存在障碍物100，且障碍物100与第一预设长度的终点的距离较小(障碍物100靠近第一预设长度的终点)，障碍物100之后的轨迹点不足以支持无人机回归到原来的轨迹点上，所以需要沿着全局轨迹点继续筛选轨迹点。如图3c所示，可以在第一预设长度的基础上增加第三预设长度Lclear，得到第四预设长度。其中，第四预设长度的终点到障碍物100的距离大于第一预设距离，从而可以时无人机回归到原来的轨迹点上，在精准避障的同时又可以回归。其中，图3b和图3c中，空心圆点表示避障轨迹点，实心圆点表示全局轨迹点中的轨迹点，也可以称为原始的轨迹点。
需要说明的是，由于传感器可以将较远处的障碍物识别出来，进行提前避障，所以障碍物不可能出现在靠近第一预设长度起点的位置。
S350：基于所述第一预设距离、用于避障的第二预设距离以及障碍物的信息确定避障轨迹点，并采用所述避障轨迹点替换对应的全局轨迹点中的轨迹点。
在本发明实施例的一个实施方式中，可选的，所述基于所述第一预设距离、用于避障的第二预设距离以及障碍物的信息确定避障轨迹点，并采用所述避障轨迹点替换对应的全局轨迹点中的轨迹点，包括：在所述全局轨迹点中，确定在所述障碍物之后第一预设距离的位置对应的第一轨迹点和在所述障碍物之前第二预设距离的位置对应的第二轨迹点；基于所述第一轨迹点的信息、所述第二轨迹点的信息以及所述障碍物的信息确定避障轨迹点；将在所述全局轨迹点中处于所述第二轨迹点和所述第一轨迹点之间的轨迹点替换为所述避障轨迹点。其中，具体可以参考上述实施例的介绍。
S360：将所述第四预设长度覆盖的轨迹点中未替换的轨迹点以及所述避障轨迹点作为局部轨迹点，并基于局部轨迹点生成局部轨迹。
在本发明实施例中，如图3c所示，轨迹点30之后的轨迹点和轨迹点40之前的轨迹点为第四预设长度覆盖的轨迹点中未替换的轨迹点，将未替换的轨迹点以及避障轨迹点作为局部轨迹点；其中，基于局部轨迹点生成局部轨迹的介绍可以参考上述实施例。
S370：控制无人机基于局部轨迹运动第二预设长度的距离。
S380：确定全局轨迹点是否筛选完毕。
若是，执行S390，若否，返回S391。
S390：控制无人机沿所述局部轨迹继续运动至最后一个轨迹点。
S391：将所述无人机当前位置的下一个轨迹点作为所述第一预设长度的起点，返回S330。
由此，在第一预设长度覆盖的轨迹点形成的轨迹上存在障碍物，且障碍物与第一预设长度的终点的距离小于用于避障的第一预设距离的情况下，通过在第一预设长度的基础上增加第三预设长度，得到第四预设长度，将第四预设长度覆盖的轨迹点中未替换的轨迹点以及避障轨迹点作为局部轨迹点，生成局部轨迹，可以避免避障轨迹生成不完整的情况，并实现精准避障的同时又可以使无人机回归到全局轨迹上。
需要说明的是，无人机在正常情况下沿着全局轨迹点运动，当障碍物出现在全局轨迹上时(其实是出现在局部轨迹上时，在大部分情况下此二者基本等同)，无人机需要避开障碍物，回到原来的轨迹上。相关技术中，需要将无人机停下来，或者飞控将无人机减速到某个速度再由控制器控制无人机避障，其中，相关技术中的两种方式无人机在运动过程中并不稳定，并且后者控制权发生变化也容易导致无人机的运动并不稳定。本发明实施例提供的技术方案，可以由轨迹规划器执行，避免了控制权的频繁交换，增加了规划的一体性，保证无人机的运动的稳定性。另外，本发明提供的轨迹规划器还可以进行3D作业路线的执行。
图4是本发明实施例提供的一种轨迹规划装置结构框图，如图4所示，本发明实施例提供的装置包括：全局轨迹点确定模块410、起点确定模块420、局部轨迹生成模块430和控制/返回模块440。
其中，全局轨迹点确定模块410，用于确定作业路线的全局轨迹点；
起点确定模块420，用于将所述全局轨迹点的起点作为第一预设长度的起点；
局部轨迹生成模块430，用于在所述全局轨迹点中筛选所述第一预设长度所覆盖的轨迹点，基于筛选的轨迹点确定局部轨迹点，并基于所述局部轨迹点生成局部轨迹；
控制/返回模块440，用于控制无人机基于所述局部轨迹运动第二预设长度的距离，将所述无人机当前位置的下一个轨迹点作为所述第一预设长度的起点，返回在所述全局轨迹点中筛选所述第一预设长度所覆盖的轨迹点的操作，直至所述全局轨迹点筛选完毕，其中，所述第一预设长度大于所述第二预设长度。
可选的，所述基于筛选的轨迹点确定局部轨迹点，包括：
若所述第一预设长度覆盖的轨迹点形成的轨迹上存在障碍物，且所述障碍物与所述第一预设长度的终点的距离大于用于避障的第一预设距离，基于所述第一预设距离、用于避障的第二预设距离以及所述障碍物的信息确定避障轨迹点，并采用所述避障轨迹点替换对应的全局轨迹点中的轨迹点；
将所述第一预设长度覆盖的轨迹点中未替换的轨迹点以及所述避障轨迹点作为局部轨迹点。
可选的，所述基于筛选的轨迹点确定局部轨迹点，包括：
若所述第一预设长度覆盖的轨迹点形成的轨迹上存在障碍物，且所述障碍物与所述第一预设长度的终点的距离小于用于避障的第一预设距离，在所述第一预设长度的基础上增加第三预设长度，得到第四预设长度；其中，所述第四预设长度的终点与所述障碍物的距离大于所述第一预设距离；
基于所述第一预设距离、用于避障的第二预设距离以及所述障碍物的信息确定避障轨迹点，并采用所述避障轨迹点替换对应的全局轨迹点中的轨迹点；
将所述第四预设长度覆盖的轨迹点中未替换的轨迹点以及所述避障轨迹点作为局部轨迹点。
可选的，所述基于所述第一预设距离、用于避障的第二预设距离以及所述障碍物的信息确定避障轨迹点，并采用所述避障轨迹点替换对应的全局轨迹点中的轨迹点，包括：
在所述全局轨迹点中，确定在所述障碍物之后第一预设距离的位置对应的第一轨迹点和在所述障碍物之前第二预设距离的位置对应的第二轨迹点；
基于所述第一轨迹点的信息、所述第二轨迹点的信息以及所述障碍物的信息确定避障轨迹点；
将在所述全局轨迹点中处于所述第二轨迹点和所述第一轨迹点之间的轨迹点替换为所述避障轨迹点。
可选的，所述基于筛选的轨迹点确定局部轨迹点，包括：
若所述第一预设长度覆盖的轨迹点形成的轨迹上不存在障碍物，将筛选的轨迹点作为局部轨迹点。
可选的，所述确定作业路线的全局轨迹点，包括：
基于作业路线中路线点的约束条件确定每个路线点允许的最大速度，并作为每个路线点的速度；
基于每相邻两个路线点的速度和位置，对每相邻路线点之间的路段进行速度匹配，并基于分配的速度对每个路段进行位置采样，得到全局轨迹点。
可选的，所述基于作业路线中路线点的约束条件确定每个路线点允许的最大速度，包括：
路线点的速度满足如下条件，并确定满足如下条件的速度中的最大值：
每个路线点的速度小于或者等于作业允许的最大速度；
第一个路线点和最后一个路线点的速度为0；
针对一个路线点的速度，满足从前一个路线点的速度开始，以所述无人机允许的最大加速度全程加速达到，或者以所述无人机允许的最大加速度全程减速达到；
针对一个路线点的速度，满足以所述无人机允许的最大加速度全程减速达到下一个路线点的速度，或者满足以所述无人机允许的最大加速度全程加速达到下一个路线点的速度；
路线点的前向速度基于转角大小进行确定。
可选的，所述路线点的前向速度基于转角大小进行确定，包括：
基于如下公式确定路线点的前向速度：
Figure BDA0002837122670000151
其中，vx为所述无人机的前向速度，θ为转角大小，a0为所述无人机的加速度，d为所述无人机减速时与路线点的距离。
可选的，所述控制所述无人机基于局部轨迹运动第二预设长度的距离，包括：
基于所述局部轨迹确定所述无人机的控制量；
基于所述控制量控制所述无人机沿所述局部轨迹运动第二预设长度的距离。
上述装置可执行本发明任意实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
图5是本发明实施例提供的一种轨迹规划器的结构示意图，轨迹规划器50包括本发明实施例提供的轨迹规划装置500，所述轨迹规划装置500执行本发明上述任一实施例提供的轨迹规划方法。
本发明实施例还提供了一种无人机，包括本发明实施例提供的轨迹规划器，即图5所示的规划器。
本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明上述任一实施例所提供的一种轨迹规划方法：例如，可以实现：
确定作业路线的全局轨迹点；
将所述全局轨迹点的起点作为第一预设长度的起点；
在所述全局轨迹点中筛选所述第一预设长度所覆盖的轨迹点，基于筛选的轨迹点确定局部轨迹点，并基于所述局部轨迹点生成局部轨迹；
控制无人机基于所述局部轨迹运动第二预设长度的距离，将所述无人机当前位置的下一个轨迹点作为所述第一预设长度的起点，返回在所述全局轨迹点中筛选所述第一预设长度所覆盖的轨迹点的操作，直至所述全局轨迹点筛选完毕，其中，所述第一预设长度大于所述第二预设长度。
可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的***、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括——但不限于——电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括——但不限于——无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如”C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (13)

1.一种轨迹规划方法，其特征在于，包括：
确定作业路线的全局轨迹点；
将所述全局轨迹点的起点作为第一预设长度的起点；
在所述全局轨迹点中筛选所述第一预设长度所覆盖的轨迹点，基于筛选的轨迹点确定局部轨迹点，并基于所述局部轨迹点生成局部轨迹；
控制无人机基于所述局部轨迹运动第二预设长度的距离，将所述无人机当前位置的下一个轨迹点作为所述第一预设长度的起点，返回在所述全局轨迹点中筛选所述第一预设长度所覆盖的轨迹点的步骤，直至所述全局轨迹点筛选完毕，其中，所述第一预设长度大于所述第二预设长度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于筛选的轨迹点确定局部轨迹点，包括：
若所述第一预设长度覆盖的轨迹点形成的轨迹上存在障碍物，且所述障碍物与所述第一预设长度的终点的距离大于用于避障的第一预设距离，基于所述第一预设距离、用于避障的第二预设距离以及所述障碍物的信息确定避障轨迹点，并采用所述避障轨迹点替换对应的全局轨迹点中的轨迹点；
将所述第一预设长度覆盖的轨迹点中未替换的轨迹点以及所述避障轨迹点作为局部轨迹点。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于筛选的轨迹点确定局部轨迹点，包括：
若所述第一预设长度覆盖的轨迹点形成的轨迹上存在障碍物，且所述障碍物与所述第一预设长度的终点的距离小于用于避障的第一预设距离，在所述第一预设长度的基础上增加第三预设长度，得到第四预设长度；其中，所述第四预设长度的终点与所述障碍物的距离大于所述第一预设距离；
基于所述第一预设距离、用于避障的第二预设距离以及所述障碍物的信息确定避障轨迹点，并采用所述避障轨迹点替换对应的全局轨迹点中的轨迹点；
将所述第四预设长度覆盖的轨迹点中未替换的轨迹点以及所述避障轨迹点作为局部轨迹点。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一预设距离、用于避障的第二预设距离以及所述障碍物的信息确定避障轨迹点，并采用所述避障轨迹点替换对应的全局轨迹点中的轨迹点，包括：
在所述全局轨迹点中，确定在所述障碍物之后第一预设距离处的位置对应的第一轨迹点和在所述障碍物之前第二预设距离处的位置对应的第二轨迹点；
基于所述第一轨迹点的信息、所述第二轨迹点的信息以及所述障碍物的信息确定避障轨迹点；
将在所述全局轨迹点中处于所述第二轨迹点和所述第一轨迹点之间的轨迹点替换为所述避障轨迹点。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于筛选的轨迹点确定局部轨迹点，包括：
若所述第一预设长度所覆盖的轨迹点形成的轨迹上不存在障碍物，将筛选的轨迹点作为局部轨迹点。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定作业路线的全局轨迹点，包括：
基于作业路线中路线点的约束条件确定每个路线点允许的最大速度，并作为每个路线点的速度；
基于每相邻两个路线点的速度和位置，确定每相邻两路线点之间的路段内任意时刻的位置和速度，并对每个路段进行位置采样，得到全局轨迹点。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于作业路线中路线点的约束条件确定每个路线点允许的最大速度，包括：
路线点的速度满足如下条件，并确定满足如下条件的速度中的最大值：
每个路线点的速度小于或者等于作业允许的最大速度；
第一个路线点和最后一个路线点的速度为0；
针对一个路线点的速度，满足从前一个路线点的速度开始，以所述无人机允许的最大加速度全程加速达到，或者以所述无人机允许的最大加速度全程减速达到；
针对一个路线点的速度，满足以所述无人机允许的最大加速度全程减速达到下一个路线点的速度，或者满足以所述无人机允许的最大加速度全程加速达到下一个路线点的速度；
路线点的前向速度基于转角大小进行确定。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述路线点的前向速度基于转角大小进行确定，包括：
基于如下公式确定路线点的前向速度：
Figure FDA0002837122660000031
其中，vx为所述无人机的前向速度，θ为转角大小，a0为所述无人机的加速度，d为所述无人机减速时与路线点的距离。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制所述无人机基于局部轨迹运动第二预设长度的距离，包括：
基于所述局部轨迹确定所述无人机的控制量；
基于所述控制量控制所述无人机沿所述局部轨迹运动第二预设长度的距离。
10.一种轨迹规划装置，其特征在于，包括：
全局轨迹点确定模块，用于确定作业路线的全局轨迹点；
起点确定模块，用于将所述全局轨迹点的起点作为第一预设长度的起点；
局部轨迹生成模块，用于在所述全局轨迹点中筛选所述第一预设长度所覆盖的轨迹点，基于筛选的轨迹点确定局部轨迹点，并基于所述局部轨迹点生成局部轨迹；
控制/返回模块，用于控制无人机基于所述局部轨迹运动第二预设长度的距离，将所述无人机当前位置的下一个轨迹点作为所述第一预设长度的起点，返回在所述全局轨迹点中筛选所述第一预设长度所覆盖的轨迹点的步骤，直至所述全局轨迹点筛选完毕，其中，所述第一预设长度大于所述第二预设长度。
11.一种轨迹规划器，其特征在于，包括权利要求10所述轨迹规划装置。
12.一种无人机，其特征在于，包括权利要求11所述的轨迹规划器。
13.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-9任一项所述的方法。
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