一種基于分割法的無人機路徑規(guī)劃方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于分割法的無人機路徑規(guī)劃方法。采用Voronoi圖法得到初始飛行路徑，并利用Dijkstra算法得到最短路徑，然后利用分割法對路徑進行優(yōu)化進一步減少路徑中的拐點并縮短路徑路程，最后利用Spcrv函數(shù)對路徑進行平滑得到能夠滿足無人機安全飛行的最優(yōu)路徑。本發(fā)明方法具有算法執(zhí)行效率高、穩(wěn)定性高、安全性高的優(yōu)點。
【專利說明】一種基于分割法的無人機路徑規(guī)劃方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及無人機路徑規(guī)劃領域，具體涉及一種基于分割法的無人機路徑規(guī)劃方法。
【背景技術】
[0002]無人機的路徑規(guī)劃是無人機研究的一個重要領域，其目的是根據(jù)任務目標在有障礙環(huán)境中規(guī)劃出一條滿足約束條件的最優(yōu)無碰撞飛行軌跡。Voronoi圖,又叫泰森多邊形或Dirichlet圖，是獲取無人機安全飛行路徑的一種常用方法，并且在計算機中容易實現(xiàn)，但是通過Voronoi圖得到的路徑往往比較曲折，并不是最優(yōu)路徑，很多情況下還存在多條可選路徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述現(xiàn)存的技術問題，本發(fā)明的目的在于提出一種基于分割法的無人機路徑規(guī)劃方法，可以快速生成無人機所需的安全飛行路徑。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述方法:
一種基于分割法的無人機路徑規(guī)劃方法，包括以下步驟:A.輸入無人機飛行起點、終點和雷達坐標。B.運用Voronoi圖法獲取初始安全飛行路徑。C.采用Dijkstra算法進行路徑搜索獲取最短路徑。D.采用分割法對最短路徑進行優(yōu)化減少其拐點。E.利用Spcrv函數(shù)對路徑進行平滑獲取最優(yōu)路徑。
[0005]在本發(fā)明中，步驟A中輸入的無人機飛行起點、終點和雷達坐標參數(shù)為飛機與雷達坐標在水平面內(nèi)的二維坐標。
[0006]在本發(fā)明中，步驟B根據(jù)步驟A中輸入的雷達坐標,Voronoi函數(shù)生成相鄰各兩雷達的垂直平分線、相關垂直平分線相交的節(jié)點和記錄節(jié)點坐標的矩陣V，其中這些節(jié)點與它的臨近雷達相關聯(lián)；
在本發(fā)明中，步驟C包括:C1.將步驟B中得到的矩陣V轉變?yōu)镈ijkstra算法可用的距離矩陣Dijkstra_V ；C2.通過Dijkstra算法對距離矩陣Dijkstra_V進行搜索,得到一條連接飛行起點和終點的可連通最短路徑，并將此路徑的路徑節(jié)點坐標記錄為矩陣path。
[0007]在本發(fā)明中，步驟D包括:D1.采用分割法對矩陣path中各相鄰兩節(jié)點構成的路徑線段進行等長分割，將分割點的坐標與矩陣path合并得到包含各節(jié)點以及將節(jié)點間線段分割的分割點坐標組成的新矩陣path_split ；D2.從矩陣path_split第一點開始，即無人機的飛行起點，依次連接之后的分割點或節(jié)點成一條線段，直到線段與雷達掃描范圍之間的距離縮小的最小安全距離，此時記錄線段終點坐標為第二點；D3.以所記錄的點為新的起點依次與之后的點連接成一條線段，直到線段與雷達掃描范圍之間的距離縮小至最小安全距離，此時記錄線段終點坐標；D4.重復D3步驟直至線段終點為飛行終點，得到記錄各線段終點的矩陣Split_matrix。
[0008]在本發(fā)明中，步驟E中利用Spcrv函數(shù)結合Split_matrix矩陣中的節(jié)點坐標,生成均勻劃分的B樣條函數(shù)，得到平滑的最終飛行路徑。
[0009]本發(fā)明具有如下所述的實質性特點和優(yōu)點:
本發(fā)明在Matlab軟件平臺下,采用Voronoi圖法得到初始飛行路徑,并利用Dijkstra算法得到最短路徑，然后利用分割法對路徑進行優(yōu)化進一步減少路徑中的拐點并縮短路徑路程，最后利用Spcrv函數(shù)對路徑進行平滑得到能夠滿足無人機安全飛行的最優(yōu)路徑。本發(fā)明方法具有算法執(zhí)行效率高、穩(wěn)定性高、安全性高的優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明路徑規(guī)劃方法的流程圖。
[0011]圖2是本發(fā)明根據(jù)輸入?yún)?shù)所得無人氣起點、終點和雷達分布圖。
[0012]圖3是本發(fā)明根據(jù)Voronoi圖法所得路徑圖。
[0013]圖4是本發(fā)明根據(jù)Dijkstra算法所得路徑圖。
[0014]圖5是本發(fā)明根據(jù)分割法所得路徑圖。
[0015]圖6是本發(fā)明根據(jù)Spcrv函數(shù)所得最優(yōu)路徑。
[0016]圖7是本發(fā)明所得最終路徑。
【具體實施方式】
[0017]為了便于本領域技術人員理解和實施本發(fā)明，下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
[0018]參見圖1，為了實現(xiàn)無人機路徑規(guī)劃的目的，本發(fā)明采用下述方法:
一種基于分割法的無人機路徑規(guī)劃方法，包括:A.輸入無人機飛行起點、終點和雷達坐標。B.運用Voronoi圖法獲取初始安全飛行路徑。C.采用Di jkstra算法進行路徑搜索獲取最短路徑。D.采用分割法對最短路徑進行優(yōu)化減少其拐點。E.利用Spcrv函數(shù)對路徑進行平滑獲取最優(yōu)路徑。
[0019]在本發(fā)明中，步驟A中輸入的無人機飛行起點、終點和雷達坐標參數(shù)為飛機與雷達坐標在水平面內(nèi)的二維坐標。
[0020]在本發(fā)明中，步驟B根據(jù)步驟A中輸入的雷達坐標,Voronoi函數(shù)生成相鄰各兩雷達的垂直平分線、相關垂直平分線相交的節(jié)點和記錄節(jié)點坐標的矩陣V，其中這些節(jié)點與它的臨近雷達相關聯(lián)；
在本發(fā)明中，步驟C包括:C1.將步驟B中得到的矩陣V轉變?yōu)镈ijkstra算法可用的距離矩陣Dijkstra_V ；C2.通過Dijkstra算法對距離矩陣Dijkstra_V進行搜索,得到一條連接飛行起點和終點的可連通最短路徑，并將此路徑的路徑節(jié)點坐標記錄為矩陣path。
[0021]在本發(fā)明中，步驟D包括:D1.采用分割法對矩陣path中各相鄰兩節(jié)點構成的路徑線段進行等長分割，將分割點的坐標與矩陣path合并得到包含各節(jié)點以及將節(jié)點間線段分割的分割點坐標組成的新矩陣path_split ；D2.從矩陣path_split第一點開始，即無人機的飛行起點，依次連接之后的分割點或節(jié)點成一條線段，直到線段與雷達掃描范圍之間的距離縮小的最小安全距離，此時記錄線段終點坐標為第二點。D3.以所記錄的點為新的起點依次與之后的點連接成一條線段，直到線段與雷達掃描范圍之間的距離縮小至最小安全距離，此時記錄線段終點坐標；D4.重復D3步驟直至線段終點為飛行終點，得到記錄各線段終點的矩陣Split_matrix。
[0022]在本發(fā)明中，步驟E中利用Spcrv函數(shù)結合Split_matrix矩陣中的節(jié)點坐標,生成均勻劃分的B樣條函數(shù)，得到平滑的最終飛行路徑。
[0023]參見圖2,將無人機飛行起點、終點和雷達坐標輸入進行顯示。無人機起點坐標位置為(0，2)，終點坐標位置為(10，9)。11個敵方雷達所處位置如圖中圓圈中心所示，圓圈表示雷達的掃描范圍。無人機起飛后在某一固定飛行高度相對于敵方雷達做等速規(guī)避運動。無人機安全飛行區(qū)為圖中圓圈以外的區(qū)域。無人機路徑規(guī)劃的目的就是在雷達探測范圍以外的區(qū)域找到一條連接起點和終點并且滿足飛行約束條件、距離最短的路徑。
[0024]參見圖3，根據(jù)Voronoi圖法生成相鄰兩個雷達之間的垂直平分線，無人機按照此線飛行即可安全執(zhí)行飛行任務，很好的回避危險區(qū)域。
[0025]參見圖4,根據(jù)Dijkstra算法根據(jù)Voronoi圖中生成的垂直平分線相交的節(jié)點結合無人機飛行起點、終點進行計算，得到一條連接起點和終點的最短折線路徑，如圖中黑色粗線所示。
[0026]參見圖5，對圖4中的每段折線路徑進行等長分割，依次連接起點與之后的分割點成一條線段，直到線段與雷達掃描范圍之間的距離縮小的最小安全距離，即最短飛行路徑所能達到的極限位置。此時記錄下此分割點，并以此分割點為新的起點依次連接以后的分割點。重復以上過程直到最后連接點為終點，生成新的折線如圖所示。在本方法中，分割點的數(shù)量越大，所得的路徑路程越短，路徑越優(yōu)。
[0027]參見圖6，采用Spcrv函數(shù)對圖5中的路徑進行均勻劃分得到B樣條函數(shù)，即為平滑的飛行路徑，可以大大減少圖5中路徑拐點處的曲率，保證無人機的飛行要求。所得最終路徑如圖7所示。
【權利要求】
1.一種基于分割法的無人機路徑規(guī)劃方法，其特征在于，包括以下步驟: A.輸入無人機飛行起點、終點和雷達坐標； B.運用Voronoi圖法獲取初始安全飛行路徑； C.采用Dijkstra算法進行路徑搜索獲取最短路徑； D.采用分割法對最短路徑進行優(yōu)化減少其拐點； E.利用Spcrv函數(shù)對路徑進行平滑獲取最優(yōu)路徑。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于分割法的無人機路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述步驟A中輸入的無人機飛行起點、終點和雷達坐標參數(shù)為飛機與雷達在水平面內(nèi)的二維坐標。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于分割法的無人機路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述步驟B根據(jù)步驟A中輸入的雷達坐標，運用Voronoi函數(shù)生成相鄰各兩雷達的垂直平分線、相關垂直平分線相交的節(jié)點和記錄節(jié)點坐標的矩陣V，其中這些節(jié)點與它的臨近雷達相關聯(lián)。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于分割法的無人機路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述步驟C包括: Cl.將步驟B中得到的矩陣V轉變?yōu)榫嚯x矩陣Di jkstra_V ； C2.通過Dijkstra算法對距離矩陣Dijkstra_V進行搜索,得到一條能夠連通飛行起點和終點的最短路徑，并將此路徑的路徑節(jié)點坐標記錄為矩陣path。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于分割法的無人機路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述步驟D包括: Dl.采用分割法對矩陣path中各相鄰兩節(jié)點構成的路徑線段進行等長分割，將分割點的坐標與矩陣path合并，得到包含各節(jié)點以及將節(jié)點間線段分割的分割點坐標組成的新矩陣 path_split ； D2.從矩陣path_split第一點開始，即無人機的飛行起點，依次連接之后的分割點或節(jié)點成一條線段，直到線段與雷達掃描范圍之間的距離縮小的最小安全距離，此時記錄線段終點坐標為第二點； D3.以所記錄的點為新的起點依次與之后的點連接成一條線段，直到線段與雷達掃描范圍之間的距離縮小至最小安全距離，此時記錄線段終點坐標； D4.重復D3步驟直至線段終點為飛行終點，得到記錄各線段終點的矩陣Split_matrix。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于分割法的無人機路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述步驟E利用Spcrv函數(shù)結合Split_matrix矩陣中的節(jié)點坐標,生成均勻劃分的B樣條函數(shù),得到平滑的最終飛行路徑。
【文檔編號】G01C21/20GK103542852SQ201310501137
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月23日 優(yōu)先權日:2013年10月23日
【發(fā)明者】單提曉, 詹文聰, 蔣蓁 申請人:上海大學