《无人机的飞行路径规划方法及无人机.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无人机的飞行路径规划方法及无人机.pdf（9页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103809597 A (43)申请公布日 2014.05.21 CN 103809597 A (21)申请号 201410055181.8 (22)申请日 2014.02.18 G05D 1/10(2006.01) (71)申请人 清华大学 地址 100084 北京市海淀区 100084-82 信箱 (72)发明人 戴琼海 李一鹏 施泽南 (74)专利代理机构 北京清亦华知识产权代理事 务所 ( 普通合伙 ) 11201 代理人 张大威 (54) 发明名称 无人机的飞行路径规划方法及无人机 (57) 摘要 本发明提供一种无人机的飞行路径规划方法 及无人机， 其中方法。
2、包括以下步骤 ： 获取无人机 飞行环境的深度信息， 并根据深度信息生成飞行 环境的二维栅格地图， 飞行环境包括障碍物 ； 根 据二维栅格地图中每个栅格和障碍物的位置构建 每个栅格与对应障碍物的势函数 ； 根据无人机的 位置和势函数获得二维栅格地图中栅格的加权 图 ； 根据加权图确定飞行路径。根据本发明实施 例的方法， 通过二维栅格地图构建势函数， 并通过 由势函数得到的加权图确定飞行路径， 提高了计 算效率， 同时具有良好的扩展性。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 。
3、附图1页 (10)申请公布号 CN 103809597 A CN 103809597 A 1/2 页 2 1. 一种无人机的飞行路径规划方法， 其特征在于， 包括以下步骤 ： 栅格地图生成步骤， 获取无人机飞行环境的深度信息， 并根据所述深度信息生成所述 飞行环境的二维栅格地图， 所述飞行环境包括障碍物 ； 势函数构建步骤， 根据所述二维栅格地图中每个栅格和所述障碍物的位置构建每个栅 格与对应障碍物的势函数 ； 加权图生成步骤， 根据所述无人机的位置和所述势函数获得所述二维栅格地图中栅格 的加权图 ； 以及 飞行路径确定步骤， 根据所述加权图确定飞行路径。 2. 如权利要求 1 所述的无人机的。
4、飞行路径规划方法， 其特征在于， 所述深度信息为距 离。 3. 如权利要求 1 所述的无人机的飞行路径规划方法， 其特征在于， 所述加权图生成步 骤具体包括 ： 分别计算所述无人机移动到所述二维栅格地图中多个栅格的权值 ； 根据所述无人机的位置、 所述多个栅格的权值和所述势函数获得所述二维栅格地图中 栅格的加权图。 4. 如权利要求 1 所述的无人机的飞行路径规划方法， 其特征在于， 所述飞行路径确定 步骤具体为， 根据所述加权图中每个栅格的加权值采用 SPFA 算法确定所述无人机的飞行路径。 5. 如权利要求 1 所述的无人机的飞行路径规划方法， 其特征在于， 还包括 ： 路径点确定步骤， 。
5、根据所述无人机的飞行速度和安全距离得到下一个飞行点。 6. 如权利要求 1 所述的无人机的飞行路径规划方法， 其特征在于， 在所述二维栅格地 图中通过不同的数值表示该栅格是否为障碍物。 7. 如权利要求 1 所述的无人机的飞行路径规划方法， 其特征在于， 所述每个栅格与对 应障碍物的势函数通过如下公式表示， 所述公式为， 其中，为所述势函数， 为正常数， dm为所述无人机与障碍物的最短距离， d0为安 全距离。 8. 如权利要求 3 所述的无人机的飞行路径规划方法， 其特征在于， 所述权值通过如下 公式获得， 所述公式为， 其中， C01为从当前位置 p0(x0,y0) 点移动到 p1(x1,。
6、y1) 点的权值， K1和 K2分别为加权常 数， d01为当前位置 p0到 p1的距离，为栅格 (x1,y1) 的势函数。 9. 一种无人机， 其特征在于， 包括 ： 栅格地图生成模块， 用于获取无人机飞行环境的深度信息， 并根据所述深度信息生成 所述飞行环境的二维栅格地图， 所述飞行环境包括障碍物 ； 势函数构建模块， 根据所述二维栅格地图中每个栅格和所述障碍物的位置构建每个栅 格与对应障碍物的势函数 ； 权 利 要 求 书 CN 103809597 A 2 2/2 页 3 加权图生成模块， 根据所述无人机的位置和所述势函数获得所述二维栅格地图中栅格 的加权图 ； 以及 飞行路径确定模块，。
7、 用于根据所述加权图中每个栅格的加权值进行 SPFA 算法的选取 以确定所述无人机的飞行路径。 10. 如权利要求 9 所述的无人机， 其特征在于， 所述每个栅格与对应障碍物的势函数通 过如下公式表示， 所述公式为， 其中，为所述势函数， 为正常数， dm为所述无人机与障碍物的最短距离， d0为安 全距离。 权 利 要 求 书 CN 103809597 A 3 1/5 页 4 无人机的飞行路径规划方法及无人机 技术领域 0001 本发明涉及自主导航技术领域， 特别涉及一种无人机的飞行路径规划方法及无人 机。 背景技术 0002 无人机具有费效比低、 零伤亡和部署灵活等优点， 通过配备传感器感知。
8、飞行环境 以设计路径， 同时还具备环境信息收集、 建模， 特定目标任务的规划、 分解和执行能力。 小型 无人机因其体积小、 控制灵活、 可以做多种特殊动作， 在军事和民用领域得到了广泛应用。 尤其在抢险救灾， 基础设施如石油管道、 矿井等狭窄区域的探测等方面， 小型无人机有着广 阔的应用和发展前景。 0003 现有的路径规划算法， 基于机载传感器感知飞行环境的纹理和深度信息， 重建飞 行环境的同时在规划层计算出无人机的飞行路线， 适用于较为宽敞的应用场景。对环境建 模的精确度和路径规划的精细度要求不是很高， 无法适用于小型无人机在狭窄室内环境下 的飞行路径规划。 发明内容 0004 本发明的目。
9、的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。 0005 为此， 本发明一方面提供一种无人机的飞行路径规划方法。 0006 本发明的另一方面提出一种无人机。 0007 有鉴于此， 本发明一方面的实施例提出一种无人机的飞行路径规划方法， 包括以 下步骤 ： 栅格地图生成步骤， 获取无人机飞行环境的深度信息， 并根据所述深度信息生成所 述飞行环境的二维栅格地图， 所述飞行环境包括障碍物 ； 势函数构建步骤， 根据所述二维栅 格地图中每个栅格和所述障碍物的位置构建每个栅格与对应障碍物的势函数 ； 加权图生成 步骤， 根据所述无人机的位置和所述势函数获得所述二维栅格地图中栅格的加权图 ； 以及 飞行路径确定步骤，。
10、 根据所述加权图确定飞行路径。 0008 根据本发明实施例的方法， 通过二维栅格地图构建势函数， 并通过由势函数得到 的加权图确定飞行路径， 提高了计算效率， 同时具有良好的扩展性。 0009 在本发明的一个实施例中， 所述深度信息为距离。 0010 在本发明的一个实施例中， 所述加权图生成步骤具体包括 ： 分别计算所述无人机 移动到所述二维栅格地图中多个栅格的权值 ； 根据所述无人机的位置、 所述多个栅格的权 值和所述势函数获得所述二维栅格地图中栅格的加权图。 0011 在本发明的一个实施例中， 所述飞行路径确定步骤具体为， 根据所述加权图中每 个栅格的加权值采用 SPFA 算法确定所述无人。
11、机的飞行路径。 0012 在本发明的一个实施例中， 还包括 ： 路径点确定步骤， 根据所述无人机的飞行速度 和安全距离得到下一个飞行点。 0013 在本发明的一个实施例中， 在所述二维栅格地图中通过不同的数值表示该栅格是 说 明 书 CN 103809597 A 4 2/5 页 5 否为障碍物。 0014 在本发明的一个实施例中， 所述每个栅格与对应障碍物的势函数通过如下公式表 示， 所述公式为，其中，为所述势函数， 为正常数， dm为 所述无人机与障碍物的最短距离， d0为安全距离。 0015 在本发明的一个实施例中， 所述权值通过如下公式获得， 所述公式为， 其中， C01为从当前位置 p。
12、0(x0,y0) 移动到 p1(x1,y1) 点的权值， K1和K2分别为加权常数， d01为当前位置p0到p1的距离，为栅格(x1,y1)的势函数。 0016 本发明另一方面的实施例提出了一种无人机， 包括 ： 栅格地图生成模块， 用于获取 无人机飞行环境的深度信息， 并根据所述深度信息生成所述飞行环境的二维栅格地图， 所 述飞行环境包括障碍物 ； 势函数构建模块， 根据所述二维栅格地图中每个栅格和所述障碍 物的位置构建每个栅格与对应障碍物的势函数 ； 加权图生成模块， 根据所述无人机的位置 和所述势函数获得所述二维栅格地图中栅格的加权图 ； 以及飞行路径确定模块， 用于根据 所述加权图中每。
13、个栅格的加权值采用 SPFA 算法确定所述无人机的飞行路径。 0017 根据本发明实施例的无人机， 通过二维栅格地图构建势函数， 并通过由势函数得 到的加权图确定飞行路径， 提高了计算效率， 同时具有良好的扩展性。 0018 在本发明的一个实施例中， 所述每个栅格与对应障碍物的势函数通过如下公式表 示， 所述公式为，其中，为所述势函数， 为正常数， dm为 所述无人机与障碍物的最短距离， d0为安全距离。 0019 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出， 部分将从下面的描述中变 得明显， 或通过本发明的实践了解到。 附图说明 0020 本发明上述的和 / 或附加的方面和优点从下面结合。
14、附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解， 其中， 0021 图 1 为根据本发明一个实施例的无人机的飞行路径规划方法的流程图 ； 以及 0022 图 2 为根据本发明一个实施例的无人机的结构框图。 具体实施方式 0023 下面详细描述本发明的实施例， 实施例的示例在附图中示出， 其中自始至终相同 或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。 下面通过参考附图描 述的实施例是示例性的， 仅用于解释本发明， 而不能理解为对本发明的限制。 0024 在本发明的描述中， 需要理解的是， 术语 “中心” 、“纵向” 、“横向” 、“上” 、“下” 、“前” 、 “后” 、“左” 、“。
15、右” 、“竖直” 、“水平” 、“顶” 、“底” 、“内” 、“外” 等指示的方位或位置关系为基于 附图所示的方位或位置关系， 仅是为了便于描述本发明和简化描述， 而不是指示或暗示所 指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本发 明的限制。此外， 术语 “第一” 、“第二” 仅用于描述目的， 而不能理解为指示或暗示相对重要 说 明 书 CN 103809597 A 5 3/5 页 6 性。 0025 在本发明的描述中， 需要说明的是， 除非另有明确的规定和限定， 术语 “安装” 、“相 连” 、“连接” 应做广义理解， 例如， 可以是固定连接， 也可以是可。
16、拆卸连接， 或一体地连接 ； 可 以是机械连接， 也可以是电连接 ； 可以是直接相连， 也可以通过中间媒介间接相连， 可以是 两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言， 可以具体情况理解上述术语在本 发明中的具体含义。 0026 狭窄室内的飞行路径规划要考虑如下几个方面 ： 1、 狭窄飞行环境的建模精度， 这 决定着路径规划算法可以达到的精细程度， 有助于精确的控制无人机的飞行动作和姿态 ； 2、 路径规划算法的精细程度， 即所给出路径点的间距是否合适， 是否可实现自适应调整飞 行步长以达到精确而平滑的飞行效果 ； 3、 飞行环境建模与路径规划算法的统一化设计， 使 用飞行环境建模的相。
17、关参数约束路径规划算法计算出的路径点， 使二者协同工作， 实现较 好的飞行路径点设置。 0027 图 1 为根据本发明一个实施例的无人机的飞行路径规划方法的流程图。如图 1 所示， 根据本发明实施例的无人机的飞行路径规划方法包括以下步骤 ： 获取无人机飞行环 境的深度信息， 并根据深度信息生成飞行环境的二维栅格地图， 飞行环境包括障碍物 （步骤 101） 。 根据二维栅格地图中每个栅格和障碍物的位置构建每个栅格与对应障碍物的势函数 （步骤103） 。 根据无人机的位置和势函数获得二维栅格地图中栅格的加权图 （步骤105） 。 根 据加权图确定飞行路径 （步骤 107） 。 0028 根据本发明。
18、实施例的方法， 通过二维栅格地图构建势函数， 并通过由势函数得到 的加权图确定飞行路径， 提高了计算效率， 同时具有良好的扩展性。 0029 在步骤 101 中， 通过二维激光测距机等机载传感器按照一定频率扫描无人机的飞 行环境中某个水平面上周围点的深度信息即距离， 并生成二维栅格地图以存储在二维数组 中。该二维数组的行列数表示该栅格在二维栅格地图中的坐标信息。在二维栅格地图中 通过不同的数值表示该栅格是否为障碍物， 例如 “0” 表示该栅格已被搜索且没有障碍物， “100” 表示该栅格已被探索且存在障碍物，“-1” 表示该栅格还未被探索。 0030 在步骤 103 中， 每个栅格与对应障碍物。
19、的势函数通过如下公式表示， 公式为， 其中，为势函数， 为正常数， dm为无人机与障碍物的最 短距离， d0为安全距离。 0031 窄小环境内墙壁或其它障碍物的点构成的集合为 Q (ui,vi),i 0,1n。 在本发明的示例中， k 0.693， 小型无人 机半径为 30cm， d0 45cm。 0032 在步骤 105 中， 分别计算无人机移动到二维栅格地图中多个栅格的权值。根据无 人机的位置、 多个栅格的权值和势函数获得二维栅格地图中栅格的加权图。权值通过如 下公式获得， 公式为，其中， C01为当前位置 p0(x0,y0) 移动到 p1(x1,y1) 点的权值， K1和 K2分别为加权。
20、常数， d01为当前位置 p0到 p1的距离，为栅 格 (x1,y1) 的势函数。0 K1 1,0 K2 1， 且 K1+K2 1。 0033 在本发明的一个实施例中， 在二维栅格地图中任意两点 p1(x1,y1) 和 p2(x2,y2) 的 说 明 书 CN 103809597 A 6 4/5 页 7 距离 d12为， 0034 在步骤 107 中， 根据无人机的飞行速度和安全距离得到下一个飞行点。根据加权 图中每个栅格的加权值采用 SPFA 算法确定无人机的飞行路径。 0035 在本发明的一个实施例中， 以栅格地图中的点构建加权图 G， 连接点 p1(x1,y1) 和 p2(x2,y2) 。
21、边的权值为 C12， 使用 SPFA 算法计算飞行路径点。具体而言， 建立一个数组来记录 无人机到二维栅格地图中每个栅格的最短路径， 无人机到其当前位置的距离为 0， 数组其余 元素赋值为无穷大。 建立一个先入先出队列， 初始时刻队列中只有无人机的当前位置， 然后 执行松弛操作， 依次取出队列首节点并重新计算无人机当前位置到二维栅格地图中每个栅 格的最短路径， 如果成功更新最短路径且新引入的中间节点不在队列中则把该点加入到队 尾， 重复执行直到队列为空。通过该方法可以确定无人机的飞行路径。 0036 在本发明的一个实施例中， 可根据具体飞行需求设置每一步的飞行半径 R 并选取 下一飞行路径点。。
22、所选取的下一个路径点满足以下条件 ：（1） 该路径点是通过 SPFA 算法所 获得的路径点， 且未经过该路径点。 （2） 该路径点到无人机当前位置的距离最接近飞行半径 R。 0037 根据本发明实施例的方法， 通过二维栅格地图构建势函数， 并通过由势函数得到 的加权图确定飞行路径， 提高了计算效率， 同时具有良好的扩展性。 0038 图 2 为根据本发明一个实施例的无人机的结构框图。如图 2 所示， 根据本发明实 施例的无人机包括 ： 栅格地图生成模块100、 势函数构建模块200、 加权图生成模块300和飞 行路径确定模块 400。 0039 具体地， 栅格地图生成模块 100 用于获取无人。
23、机飞行环境的深度信息， 并根据深 度信息生成飞行环境的二维栅格地图， 飞行环境包括障碍物。势函数构建模块 200 根据二 维栅格地图中每个栅格和障碍物的位置构建每个栅格与对应障碍物的势函数。 加权图生成 模块 300 根据无人机的位置和势函数获得二维栅格地图中栅格的加权图。飞行路径确定模 块 400 用于根据加权图中每个栅格的加权值采用 SPFA 算法确定无人机的飞行路径。 0040 在本发明的一个实施例中， 栅格地图生成模块 100 通过二维激光测距机等机载传 感器按照一定频率扫描无人机的飞行环境中某个水平面上周围点的深度信息即距离， 并生 成二维栅格地图以存储在二维数组中。 该二维数组的行。
24、列数表示该栅格在二维栅格地图中 的坐标信息。栅格地图生成模块 100 在二维栅格地图中通过不同的数值表示该栅格是否为 障碍物， 例如 “0” 表示该栅格已被搜索且没有障碍物，“100” 表示该栅格已被探索且存在障 碍物，“-1” 表示该栅格还未被探索。 0041 在本发明的一个实施例中， 每个栅格与对应障碍物的势函数通过如下公式表示， 公式为，其中，为势函数， 为正常数， dm为无人机与障 碍物的最短距离， d0为安全距离。 0042 窄小环境内墙壁或其它障碍物的点构成的集合为 Q (ui,vi),i 0,1n。 在本发明的示例中， k 0.693， 小型无人 机半径为 30cm， d0 45。
25、cm。 0043 在本发明的一个实施例中， 加权图生成模块 300 分别计算无人机移动到二维栅格 说 明 书 CN 103809597 A 7 5/5 页 8 地图中多个栅格的权值。根据无人机的位置、 多个栅格的权值和势函数获得二维栅格地 图中栅格的加权图。加权图生成模块 300 通过如下公式获得权值， 公式为， 其中， C01为当前位置 p0(x0,y0) 移动到 p1(x1,y1) 点的权值， K1和 K2分别为加 权常数， d01为当前位置 p0到 p1的距离，为栅格 (x1,y1) 的势函数。0 K1 1,0 K2 1， 且 K1+K2 1。 0044 在本发明的一个实施例中， 在二维。
26、栅格地图中任意两点 p1(x1,y1) 和 p2(x2,y2) 的 距离 d12为， 0045 在本发明的一个实施例中， 飞行路径确定模块 400 根据无人机的飞行速度和安全 距离得到下一个飞行点。根据加权图中每个栅格的加权值采用 SPFA 算法确定无人机的飞 行路径。 0046 在本发明的实施例中， 以栅格地图中的点构建加权图 G， 连接点 p1(x1,y1) 和 p2(x2,y2) 边的权值为 C12， 使用 SPFA 算法计算飞行路径点。具体而言， 建立一个数组来记录 无人机到二维栅格地图中每个栅格的最短路径， 无人机到其当前位置的距离为 0， 数组其余 元素赋值为无穷大。 建立一个先入。
27、先出队列， 初始时刻队列中只有无人机的当前位置， 然后 执行松弛操作， 依次取出队列首节点并重新计算无人机当前位置到二维栅格地图中每个栅 格的最短路径， 如果成功更新最短路径且新引入的中间节点不在队列中则把该点加入到队 尾， 重复执行直到队列为空。通过该方法可以确定无人机的飞行路径。 0047 根据本发明实施例的无人机， 通过二维栅格地图构建势函数， 并通过由势函数得 到的加权图确定飞行路径， 提高了计算效率， 同时具有良好的扩展性。 0048 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例， 可以理解的是， 上述实施例是示例 性的， 不能理解为对本发明的限制， 本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨 的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、 修改、 替换和变型。 说 明 书 CN 103809597 A 8 1/1 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103809597 A 9 。