CN117193377A - 确保收敛的无人机飞行时间最优实时轨迹优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了确保收敛的无人机飞行时间最优实时轨迹优化方法，S1、飞行前准备工作，利用无人机搭载传感器对飞行环境进行空间参数检测，设置区间时间段，对压力与温度进行检测，判断起飞条件，计算续航里程，预测可飞行时间；S2、建立初拟飞行路线，即由飞行路径管理模块建立模拟空间，并在模拟空间中模拟飞行路径，得到完整的预设飞行路径；S3、根据完整的预设飞行路径，预设应急避障参数，以每个空间航点及相邻空间航点为飞行方向基础，设置应急避障功能，且设置有应急避障模块；S4、启动无人机进行飞行，开启避障功能，无人机根据预设飞行路径，开始飞行，达到优化飞行路径的同时节省飞行时间的效果。

Description

确保收敛的无人机飞行时间最优实时轨迹优化方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其是确保收敛的无人机飞行时间最优实时轨迹优化方法。

背景技术

在过去几年中，作为空中机器人平台，无人机技术惠及人类生产生活的各个方面，而轨迹规划在无人机遂行载荷输送、目标搜索、环境监测、农业植保等任务中有关键作用。无人机执行大范围飞行任务需要提前规划飞行路径，为了尽可能发挥无人机的飞行性能以提高无人机执行任务的敏捷性，快速规划出具有最小飞行时间的飞行路径显示出突出重要的技术地位。

目前无人机面临的问题是如何实时地解决时间最优轨迹规划相应的最优控制问题，在规划最优路径后由无人机自主飞行时，最常遇到的问题即无人机不具备避障功能，无法实现实时变更路径。

发明内容

本发明为了解决上述存在的技术问题，提供确保收敛的无人机飞行时间最优实时轨迹优化方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

确保收敛的无人机飞行时间最优实时轨迹优化方法，包括以下步骤：

S1、飞行前准备工作，利用无人机搭载传感器对飞行环境进行空间参数检测，设置区间时间段，对压力与温度进行检测，判断起飞条件，并通过电源管理模块检测电池电量，计算续航里程，预测可飞行时间；

S2、建立初拟飞行路线，即由飞行路径管理模块建立模拟空间，并在模拟空间中模拟飞行路径，得到完整的预设飞行路径；

S3、根据完整的预设飞行路径，预设应急避障参数，以每个空间航点及相邻空间航点为飞行方向基础，设置应急避障功能，且设置有应急避障模块，该应急避障模块具有优先即时控制飞行方向的功能；

S4、启动无人机进行飞行，开启避障功能，无人机根据预设飞行路径，开始飞行。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

进一步地，所述S2中飞行路径管理模块根据地图数据建立模拟空间轴，对模拟空间轴进行精准化校对后，在模拟空间轴中生成完整的预设飞行路径，并在预设飞行路径上分布空间航点；

所述S2中飞行路径的生成过程为：

a、设置终点的平面点Z，并将起飞点A与终点Z连接，生成直线路线A—Z；

b、载入地图数据，确定无人机起飞的最高高度，基于该起飞最高高度，根据直线路线中沿途所有有交集的障碍物，对每个障碍物分别进行扩展描边处理，形成扩展描边线，分析扩展描边线与直线A—Z的交接点与距离关系，计算得到针对每个障碍物的最短的分段绕行路线；

c、将所有障碍物的分段绕行路线进行拼合，并选择飞行模式，即垂直起飞或倾斜起飞，根据模式来分布飞行路径的空间航点，空间航点坐标即分段绕行路线上各拐点的坐标；

d、整合飞行路径的空间航点，将相邻空间航点进行连接，得到完整的预设飞行路径，该完整的预设飞行路径作为无人机理想的最优飞行路径；

进一步地，所述应急避障模块，包括图像分析模块及路径重选模块，图像分析模块对无人机摄像机组获取的实时图像进行分析，分析出实时障碍物，并将分析结果实时传送至路径重选模块，路径重选模块根据障碍物的体积选择飞行方向；

更进一步的，所述的应急避障模块还包括速度分析模块，所述的速度分析模块判断障碍物是否处于运动状态，当障碍物处于运动状态，则无人机上升预设高度，直至摄像机组检测不到该障碍物为止，无人机下降至原定高度继续按预设路线飞行；当障碍物处于静止状态，则反馈至路径重选模块处理；

所述S3中应急避障功能的设置步骤为：

1、利用无人机的摄像机组获取视野，并利用图像分析模块进行视野判断空间航点，例如当无人机飞行至点a时，对该空间航点进行识别；

2、通过摄像机组与测距仪扫描前方障碍，从完整的预设飞行路径中提前扫描得到下一至三个空间航点，例如空间航点b、c、d，在无人机获取的实时图像中，按照预设的飞行路径，将空间航点b、c、d进行连线，将该连线实时整合至摄像机组获取的实时图像中；

3、按照实时图像判断预设路线a-b-c-d上有无障碍物，例如通过摄像机组预判a-b线路上某点有扩展描边后未规避的障碍物时，应急避障模块采用如下避障方法：定位该障碍物的中心点坐标，对该障碍物按照中心点进行空间坐标矢量化分解，分解成沿三坐标方向的长度，然后无人机在a点飞行至距离障碍物某一规定的安全距离点后，对该安全距离点进行空间坐标矢量化分解，在该安全距离点控制无人机分别沿X轴、Y轴及Z轴分别相对该障碍物的三坐标方向移动至安全距离，其中安全距离设定如下：以Y轴为例，控制无人机在安全距离点沿Y轴坐标横向水平移动，移动过程中，测距仪实时检测无人机与障碍物的Y轴长度方向之间的直线距离，该直线距离连线平行于原安全距离点与障碍物中心点之间的连线，应急避障模块判断该距离超出障碍物与无人机的距离区间时，再接着控制无人机沿Y轴横向移动超过无人机在Y轴向的宽度分解距离后，将该点作为新的y点；采用类似方法得到新的x点和z点，新的(x、y、z)坐标作为该障碍物点的规避坐标，无人机此时已经飞到新的规避坐标，再将新的规避坐标与b、c、d等各点连线形成新的规划航线；

其中，障碍物与无人机的距离区间的确定方法如下：建立该步骤要规避的障碍物的三维地图坐标，应急避障模块在三维地图数据中获取安全距离点与该步骤中要规避的障碍物上各点的最大距离，以该最大距离作为上述障碍物与无人机的距离区间，超出该最大距离即超出距离区间；

中心点可选障碍物的重心或任意一参考点。

4、在按照步骤2-3的方案检测新的航线上各航点有无障碍物，并采用步骤3相同的避障方法，不断形成新航线，直至到达目的地。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明可以通过无人机的摄像机组与测距仪配合工作，结合图像分析模块，建立无人机的避障功能，且通过实时探测模块结合测距仪，对图像分析模块所得到的可飞行方向进一步验证，能够保证避障方向的可行性，在优化飞行路径的同时，实现灵活避障的功能，并能够对避障路径加以验证，提高避障准确性。

附图说明

图1为本发明确保收敛的无人机飞行时间最优实时轨迹优化方法流程图；

图2为本发明实施例三所述一种优化无人机飞行路径的方法的流程图。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，确保收敛的无人机飞行时间最优实时轨迹优化方法，包括以下步骤：

S1、飞行前准备工作，利用无人机搭载传感器对飞行环境进行空间参数检测，设置区间时间段，对压力与温度进行检测，判断起飞条件，并通过电源管理模块检测电池电量，计算续航里程，预测可飞行时间；

S2、建立初拟飞行路线，即由飞行路径管理模块建立模拟空间，并在模拟空间中模拟飞行路径，得到完整的预设飞行路径；

S3、根据完整的预设飞行路径，预设应急避障参数，以每个空间航点及相邻空间航点为飞行方向基础，设置应急避障功能，且设置有应急避障模块，该应急避障模块具有优先即时控制飞行方向的功能；

S4、启动无人机进行飞行，开启避障功能，无人机根据预设飞行路径，开始飞行。

进一步地，所述S2中飞行路径管理模块根据地图数据建立模拟空间轴，对模拟空间轴进行精准化校对后，在模拟空间轴中生成完整的预设飞行路径，并在预设飞行路径上分布空间航点；

进一步地，所述S2中飞行路径的生成过程为：

a、设置终点的平面点Z，并将起飞点A与终点Z连接，生成直线路线A—Z；

b、载入地图数据，确定无人机起飞的最高高度，基于该起飞最高高度，根据直线路线中沿途所有有交集的障碍物，对每个障碍物分别进行扩展描边处理，形成扩展描边线，分析扩展描边线与直线A—Z的交接点与距离关系，计算得到针对每个障碍物的最短的分段绕行路线；

c、将所有障碍物的分段绕行路线进行拼合，并选择飞行模式，即垂直起飞或倾斜起飞，根据模式来分布飞行路径的空间航点，空间航点坐标即分段绕行路线上各拐点的坐标；

d、整合飞行路径的空间航点，将相邻空间航点进行连接，得到完整的预设飞行路径，该完整的预设飞行路径作为无人机理想的最优飞行路径；

进一步地，所述S3中应急避障功能的设置步骤为：

1、利用无人机的摄像机组获取视野，并利用图像分析模块进行视野判断空间航点，例如当无人机飞行至点a时，对该空间航点进行识别；

2、通过摄像机组与测距仪扫描前方障碍，从完整的预设飞行路径中提前扫描得到下一至三个空间航点，例如空间航点b、c、d，在无人机获取的实时图像中，按照预设的飞行路径，将空间航点b、c、d进行连线，将该连线实时整合至摄像机组获取的实时图像中；

3、按照实时图像判断预设路线a-b-c-d上有无障碍物，例如通过摄像机组预判a-b线路上某点有扩展描边后未规避的障碍物时，应急避障模块采用如下避障方法：定位该障碍物的中心点坐标，对该障碍物按照中心点进行空间坐标矢量化分解，分解成沿三坐标方向的长度，然后无人机在a点飞行至距离障碍物某一规定的安全距离点后，对该安全距离点进行空间坐标矢量化分解，在该安全距离点控制无人机分别沿X轴、Y轴及Z轴分别相对该障碍物的三坐标方向移动至安全距离，其中安全距离设定如下：以Y轴为例，控制无人机在安全距离点沿Y轴坐标横向水平移动，移动过程中，测距仪实时检测无人机与障碍物的Y轴长度方向之间的直线距离，该直线距离连线平行于原安全距离点与障碍物中心点之间的连线，应急避障模块判断该距离超出障碍物与无人机的距离区间时，再接着控制无人机沿Y轴横向移动超过无人机在Y轴向的宽度分解距离后，将该点作为新的y点；采用类似方法得到新的x点和z点，新的(x、y、z)坐标作为该障碍物点的规避坐标，无人机此时已经飞到新的规避坐标，再将新的规避坐标与b、c、d等各点连线形成新的规划航线；

其中，障碍物与无人机的距离区间的确定方法如下：建立该步骤要规避的障碍物的三维地图坐标，应急避障模块在三维地图数据中获取安全距离点与该步骤中要规避的障碍物上各点的最大距离，以该最大距离作为上述障碍物与无人机的距离区间，超出该最大距离即超出距离区间；

中心点可选障碍物的重心或任意一参考点。

4、在按照步骤2-3的方案检测新的航线上各航点有无障碍物，并采用步骤3相同的避障方法，不断形成新航线，直至到达目的地。

进一步地，所述应急避障模块，包括图像分析模块及路径重选模块，图像分析模块对无人机摄像机组获取的实时图像进行分析，分析出实时障碍物，并将分析结果实时传送至路径重选模块，路径重选模块根据障碍物的体积选择飞行方向；

更进一步的，所述的应急避障模块还包括速度分析模块，所述的速度分析模块判断障碍物是否处于运动状态，当障碍物处于运动状态，则无人机上升预设高度，直至摄像机组检测不到该障碍物为止，无人机下降至原定高度继续按预设路线飞行；当障碍物处于静止状态，则反馈至路径重选模块处理。

实施例二

当无人机的飞行高度需要飞行至高空时，飞行路径的生成方法与变化需要增加对气流影响的检测，来辅助无人机的飞行路径规划工作；

确保收敛的无人机飞行时间最优实时轨迹优化方法，包括以下步骤：

S1、飞行前准备工作，利用无人机搭载传感器对飞行环境进行空间参数检测，设置区间时间段，对压力与温度进行检测，判断起飞条件，并通过电源管理模块检测电池电量，计算续航里程，预测可飞行时间；

S2、建立初拟飞行路线，即由飞行路径管理模块建立模拟空间，并在模拟空间中模拟飞行路径，得到完整的预设飞行路径；

S3、根据完整的预设飞行路径，预设应急避障参数，以每个空间航点及相邻空间航点为飞行方向基础，设置应急避障功能，且设置有应急避障模块，该应急避障模块具有优先即时控制飞行方向的功能；

S4、启动无人机进行飞行，开启避障功能，无人机根据预设飞行路径，开始飞行；

S5、在无人机飞行至高空，气流足以对无人机产生影响时，激活无人机的灵敏调节机制；

进一步地，所述S2中飞行路径管理模块根据地图数据建立模拟空间轴，对模拟空间轴进行精准化校对后，在模拟空间轴中生成完整的预设飞行路径，并在预设飞行路径上分布空间航点；

进一步地，所述S5中无人机的飞行路径自动根据气流的角度与强度进行调整进行变化的方法为：

a、通过无人机搭载的传感器检测气流的方向，根据无人机的偏移程度，计算气流的大小，当气流影响较大时，通过调整无人机的飞行角度来节省无人机的能耗；

b、根据气流的方向，对比无人机的预设飞行路线，气流方向与原预设飞行路径之间的夹角大于3°且小于10°时，可以变化无人机的飞行路径，使其跟随气流的方向飞行；

c、气流方向与原预设飞行路径之间的夹角大于10°且小于45°时，在这种情况下跟随气流飞行容易造成无人机发生较为严重的路径偏移，调整无人机进行

d、气流方向与原预设飞行路径之间的夹角大于45°且小于90°时，此时的无人机受到气流的影响较大，无人机自动降低其飞行高度；

e、气流方向与原预设飞行路径方向冲突时，保持无人机悬空静止状态等待气流变向。

该实施例可以在无人机飞行过程中利用气流的影响来使得无人机可以在高空飞行过程中达到节省能耗的目的，同时在特定气流环境下还可以调整无人机随气流的方向飞行，短暂加快无人机的飞行速度，达到优化飞行路径的同时节省飞行时间的效果。

实施例三

如图2所示，以下实施例提供另一种优化无人机飞行路径的方法，包括以下步骤：

S1、飞行前准备工作，利用无人机搭载传感器对飞行环境进行空间参数检测，设置区间时间段，对压力与温度进行检测，判断起飞条件，并通过电源管理模块检测电池电量，计算续航里程，预测可飞行时间；

S2、建立初拟飞行路线，即由飞行路径管理模块建立模拟空间，并在模拟空间中模拟飞行路径，得到完整的预设飞行路径；

S3、根据完整的预设飞行路径，预设应急避障参数，以每个空间航点及相邻空间航点为飞行方向基础，设置应急避障功能，且设置有应急避障模块，该应急避障模块具有优先即时控制飞行方向的功能；

S4、启动无人机进行飞行，开启避障功能，无人机根据预设飞行路径，开始飞行；

S5、无人机每飞行至一个空间航点时，对该航点数据进行归零，并根据初步预设飞行路径，重新计算与下一个空间航点的直线路径距离；

S6、将重新计算得到的新的空间航点与初步预设的飞行路径进行对比，可以提高初步预设的飞行路径的精度。

在本实施例中，航点归零可以减少导航误差的累积，在长距离与长时间的飞行过程中，由于各种因素，飞行路径的误差可能会逐渐累积，导致无人机偏离预定飞行路径，通过航点归零，可以清除误差，重新开始规划飞行路径，降低无人机飞行的偏差，从而达到优化飞行路径的效果，进一步节省飞行时间。

进一步地，所述S2中飞行路径管理模块根据地图数据建立模拟空间轴，对模拟空间轴进行精准化校对后，在模拟空间轴中生成完整的预设飞行路径，并在预设飞行路径上分布空间航点；

进一步地，所述图像分析模块对无人机摄像机组获取的实时图像进行分析，从实时图像中寻找可避开障碍物的飞行方向；

进一步地，所述实时探测模块根据图像分析模块所指出的可避开障碍物的飞行方向进行实时探测，验证该飞行方向的可行性。

Claims (9)

1.确保收敛的无人机飞行时间最优实时轨迹优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、飞行前准备工作，利用无人机搭载传感器对飞行环境进行空间参数检测，设置区间时间段，对压力与温度进行检测，判断起飞条件，并通过电源管理模块检测电池电量，计算续航里程，预测可飞行时间；

S2、建立初拟飞行路线，即由飞行路径管理模块建立模拟空间，并在模拟空间中模拟飞行路径，得到完整的预设飞行路径；

S3、根据完整的预设飞行路径，预设应急避障参数，以每个空间航点及相邻空间航点为飞行方向基础，设置应急避障功能，且设置有应急避障模块，该应急避障模块具有优先即时控制飞行方向的功能；

S4、启动无人机进行飞行，开启避障功能，无人机根据预设飞行路径，开始飞行。

2.根据权利要求1所述的确保收敛的无人机飞行时间最优实时轨迹优化方法，其特征在于：所述S2中飞行路径管理模块根据地图数据建立模拟空间，对模拟空间进行精准化校对后，在模拟空间中生成完整的预设飞行路径，并在预设飞行路径上分布空间航点。

3.根据权利要求1所述的确保收敛的无人机飞行时间最优实时轨迹优化方法，其特征在于：所述S2中飞行路径的生成过程为：

a、设置终点的平面点Z，并将起飞点A与终点Z连接，生成直线路线A—Z；

b、载入地图数据，确定无人机起飞的最高高度，基于该起飞最高高度，根据直线路线中沿途所有有交集的障碍物，对每个障碍物分别进行扩展描边处理，形成扩展描边线，分析扩展描边线与直线A—Z的交接点与距离关系，计算得到针对每个障碍物的最短的分段绕行路线；

c、将所有障碍物的分段绕行路线进行拼合，并选择飞行模式，即垂直起飞或倾斜起飞，根据模式来分布飞行路径的空间航点，空间航点坐标即分段绕行路线上各拐点的坐标；

d、整合飞行路径的空间航点，将相邻空间航点进行连接，得到完整的预设飞行路径，该完整的预设飞行路径作为无人机理想的最优飞行路径。

4.根据权利要求1所述的确保收敛的无人机飞行时间最优实时轨迹优化方法，其特征在于：所述S3中应急避障功能的设置步骤为：

1、利用无人机的摄像机组获取视野，并利用图像分析模块进行视野判断空间航点，例如当无人机飞行至点a时，对该空间航点进行识别；

2、通过摄像机组与测距仪扫描前方障碍，从完整的预设飞行路径中提前扫描得到下一至三个空间航点，例如空间航点b、c、d，在无人机获取的实时图像中，按照预设的飞行路径，将空间航点b、c、d进行连线，将该连线实时整合至摄像机组获取的实时图像中；

3、按照实时图像判断预设路线a-b-c-d上有无障碍物，例如通过摄像机组预判a-b线路上某点有扩展描边后未规避的障碍物时，应急避障模块采用如下避障方法：定位该障碍物的中心点坐标，对该障碍物按照中心点进行空间坐标矢量化分解，分解成沿三坐标方向的长度，然后无人机在a点飞行至距离障碍物某一规定的安全距离点后，对该安全距离点进行空间坐标矢量化分解，在该安全距离点控制无人机分别沿X轴、Y轴及Z轴分别相对该障碍物的三坐标方向移动至安全距离，其中安全距离设定如下：以Y轴为例，控制无人机在安全距离点沿Y轴坐标横向水平移动，移动过程中，测距仪实时检测无人机与障碍物的Y轴长度方向之间的直线距离，该直线距离连线平行于原安全距离点与障碍物中心点之间的连线，应急避障模块判断该距离超出障碍物与无人机的距离区间时，再接着控制无人机沿Y轴横向移动超过无人机在Y轴向的宽度分解距离后，将该点作为新的y点；采用类似方法得到新的x点和z点，新的(x、y、z)坐标作为该障碍物点的规避坐标，无人机此时已经飞到新的规避坐标，再将新的规避坐标与b、c、d等各点连线形成新的规划航线；

其中，障碍物与无人机的距离区间的确定方法如下：建立该步骤要规避的障碍物的三维地图坐标，应急避障模块在三维地图数据中获取安全距离点与该步骤中要规避的障碍物上各点的最大距离，以该最大距离作为上述障碍物与无人机的距离区间，超出该最大距离即超出距离区间；

中心点可选障碍物的重心或任意一参考点。

4、在按照步骤2-3的方案检测新的航线上各航点有无障碍物，并采用步骤3相同的避障方法，不断形成新航线，直至到达目的地。

5.根据权利要求4所述的确保收敛的无人机飞行时间最优实时轨迹优化方法，其特征在于：所述图像分析模块对无人机摄像机组获取的实时图像进行分析，从实时图像中寻找可避开障碍物的飞行方向。

6.根据权利要求4所述的确保收敛的无人机飞行时间最优实时轨迹优化方法，其特征在于：所述实时探测模块根据图像分析模块所指出的可避开障碍物的飞行方向进行实时探测，验证该飞行方向的可行性。

7.根据权利要求1所述的确保收敛的无人机飞行时间最优实时轨迹优化方法，其特征在于：所述确保收敛的无人机飞行时间最优实时轨迹优化方法步骤还可以包括：

S5、在无人机飞行至高空，气流足以对无人机产生影响时，激活无人机的灵敏调节机制。

8.根据权利要求7所述的确保收敛的无人机飞行时间最优实时轨迹优化方法，其特征在于：所述S5中无人机的飞行路径自动根据气流的角度与强度进行调整进行变化的方法为：

a、通过无人机搭载的传感器检测气流的方向，根据无人机的偏移程度，计算气流的大小，当气流影响较大时，通过调整无人机的飞行角度来节省无人机的能耗；

b、根据气流的方向，对比无人机的预设飞行路线，气流方向与原预设飞行路径之间的夹角大于3°且小于10°时，可以变化无人机的飞行路径，使其跟随气流的方向飞行；

c、气流方向与原预设飞行路径之间的夹角大于10°且小于45°时，在这种情况下跟随气流飞行容易造成无人机发生较为严重的路径偏移，调整无人机进行

d、气流方向与原预设飞行路径之间的夹角大于45°且小于90°时，此时的无人机受到气流的影响较大，无人机自动降低其飞行高度；

e、气流方向与原预设飞行路径方向冲突时，保持无人机悬空静止状态等待气流变向。

9.一种优化无人机飞行路径的方法，包括以下步骤：

S1、飞行前准备工作，利用无人机搭载传感器对飞行环境进行空间参数检测，设置区间时间段，对压力与温度进行检测，判断起飞条件，并通过电源管理模块检测电池电量，计算续航里程，预测可飞行时间；

S2、由飞行路径管理模块建立模拟空间轴，并在空间轴中模拟飞行路径，得到完整的初步预设飞行路径；

S3、根据完整的初步预设飞行路径，预设应急避障参数，以每个空间航点及相邻空间航点为飞行方向基础，设置应急避障功能；

S4、启动无人机进行飞行，开启避障功能，无人机根据预设飞行路径，开始飞行；

S5、无人机每飞行至一个空间航点时，对该航点数据进行归零，并根据初步预设飞行路径，重新计算与下一个空间航点的直线路径距离；

S6、将重新计算得到的新的空间航点与初步预设的飞行路径进行对比，可以提高初步预设的飞行路径的精度。