本發(fā)明屬于無人機(jī)相關(guān)，更具體地，涉及一種面向無人機(jī)編隊(duì)的路徑規(guī)劃方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、無人機(jī)編隊(duì)相較于單個(gè)無人機(jī)在任務(wù)執(zhí)行中展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。首先，編隊(duì)飛行可以大幅提升任務(wù)的執(zhí)行效率和作業(yè)覆蓋范圍，特別是在大規(guī)模監(jiān)測(cè)、搜索救援、農(nóng)業(yè)噴灑等應(yīng)用中。其次，通過分工合作，編隊(duì)能夠同時(shí)執(zhí)行多個(gè)子任務(wù)，提高任務(wù)的復(fù)雜性處理能力。此外，編隊(duì)飛行增強(qiáng)了系統(tǒng)的冗余性，即使個(gè)別無人機(jī)出現(xiàn)故障，其他成員可以迅速補(bǔ)位，保持任務(wù)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。最后，編隊(duì)通過協(xié)同操作，可以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的操作和策略，如環(huán)境適應(yīng)性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，這在單一無人機(jī)中往往難以實(shí)現(xiàn)?？傮w而言，無人機(jī)編隊(duì)不僅擴(kuò)展了單機(jī)的功能限制，還大大提升了任務(wù)的執(zhí)行質(zhì)量和系統(tǒng)的魯棒性。

2、然而現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)于單個(gè)無人機(jī)的路徑軌跡規(guī)劃較多，針對(duì)無人機(jī)編隊(duì)整體的路徑規(guī)劃方案較少，缺乏適用于無人機(jī)編隊(duì)整體的路徑規(guī)劃方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種面向無人機(jī)編隊(duì)的路徑規(guī)劃方法及系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中針對(duì)無人機(jī)編隊(duì)整體的路徑規(guī)劃方案較少，缺乏適用于無人機(jī)編隊(duì)整體路徑規(guī)劃方法的問題，通過該方法和系統(tǒng)可以快速獲取無人機(jī)編隊(duì)通過障礙區(qū)域的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃信息，并將其做為控制量對(duì)無人機(jī)編隊(duì)進(jìn)行控制。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種面向無人機(jī)編隊(duì)的路徑規(guī)劃方法，包括：

3、s1，獲取環(huán)境柵格地圖，所述環(huán)境柵格地圖的任一柵格具有坐標(biāo)信息和屬性信息，所述屬性信息為可行區(qū)域或障礙區(qū)域；

4、s2，對(duì)所述環(huán)境柵格地圖的任一柵格添加與最近的障礙區(qū)域之間間距的距離信息，形成距離場(chǎng)地圖；

5、s3，將所述距離場(chǎng)地圖上的距離信息作為考慮項(xiàng)對(duì)a*算法進(jìn)行改進(jìn)，利用改進(jìn)后的a*算法進(jìn)行初始路徑規(guī)劃，獲取初始的全局飛行路徑；

6、s4，基于所述初始的全局飛行路徑，通過向兩側(cè)擴(kuò)張獲取無人機(jī)編隊(duì)的全局飛行路徑帶，以完成全局路徑規(guī)劃。

7、根據(jù)本發(fā)明提供的面向無人機(jī)編隊(duì)的路徑規(guī)劃方法，s3中改進(jìn)后的a*算法的啟發(fā)函數(shù)為：

8、

9、其中，h代表啟發(fā)函數(shù)，coord代表當(dāng)前搜索點(diǎn)坐標(biāo)，goalcoord代表目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，(1)、(2)分別代表x坐標(biāo)和y坐標(biāo)，abs代表返回絕對(duì)值，distance_field代表距離場(chǎng)地圖上的距離信息，k和m代表距離信息的權(quán)重修正系數(shù)；

10、和/或，s3中利用改進(jìn)后的a*算法進(jìn)行初始路徑規(guī)劃具體包括：利用改進(jìn)后的a*算法且結(jié)合雙向搜索算法進(jìn)行初始路徑規(guī)劃。

11、根據(jù)本發(fā)明提供的面向無人機(jī)編隊(duì)的路徑規(guī)劃方法，s4具體包括：

12、s41，基于所述初始的全局飛行路徑生成時(shí)的搜索區(qū)域進(jìn)行二次路徑規(guī)劃，獲取優(yōu)化的全局飛行路徑；

13、s42，通過將所述優(yōu)化的全局飛行路徑向兩側(cè)擴(kuò)張獲取無人機(jī)編隊(duì)的全局飛行路徑帶；

14、其中，s41具體包括：

15、s411，將所述初始的全局飛行路徑生成時(shí)的搜索區(qū)域內(nèi)的柵格點(diǎn)作為搜索點(diǎn)；

16、s412，沿所述初始的全局飛行路徑，獲取其上任一路徑點(diǎn)周圍預(yù)設(shè)范圍內(nèi)搜索點(diǎn)的數(shù)量；

17、s413，根據(jù)任一路徑點(diǎn)周圍預(yù)設(shè)范圍內(nèi)搜索點(diǎn)的數(shù)量，判定所述初始的全局飛行路徑上的問題路徑點(diǎn)；

18、s414，去除所述初始的全局飛行路徑上的問題路徑點(diǎn)，獲取待重連路徑段；

19、s415，利用bresenham算法對(duì)所述待重連路徑段進(jìn)行視線檢測(cè)重連，獲取所述優(yōu)化的全局飛行路徑。

20、根據(jù)本發(fā)明提供的面向無人機(jī)編隊(duì)的路徑規(guī)劃方法，s413具體包括：

21、獲取任一路徑點(diǎn)周圍預(yù)設(shè)范圍內(nèi)搜索點(diǎn)的數(shù)量在預(yù)設(shè)范圍面積上的占比；

22、在所述占比大于等于預(yù)設(shè)比例閾值時(shí)，判定對(duì)應(yīng)的路徑點(diǎn)為問題路徑點(diǎn)。

23、根據(jù)本發(fā)明提供的面向無人機(jī)編隊(duì)的路徑規(guī)劃方法，所述占比k具體為：

24、

25、其中，nf為路徑點(diǎn)周圍預(yù)設(shè)范圍內(nèi)搜索點(diǎn)的數(shù)量，rs為預(yù)先設(shè)置的預(yù)設(shè)范圍半徑。

26、根據(jù)本發(fā)明提供的面向無人機(jī)編隊(duì)的路徑規(guī)劃方法，s4中通過向兩側(cè)擴(kuò)張獲取無人機(jī)編隊(duì)的全局飛行路徑帶具體包括：

27、在所述初始的全局飛行路徑生成時(shí)的搜索區(qū)域內(nèi)，檢索路徑點(diǎn)周圍柵格點(diǎn)的距離信息，將距離信息大于預(yù)設(shè)距離閾值的柵格點(diǎn)并入路徑帶中，形成全局飛行路徑帶。

28、根據(jù)本發(fā)明提供的面向無人機(jī)編隊(duì)的路徑規(guī)劃方法，s4之后還包括：

29、s5，對(duì)所述優(yōu)化的全局飛行路徑進(jìn)行濾波平滑處理，獲取全局平滑路徑；

30、s6，對(duì)所述全局平滑路徑進(jìn)行軌跡規(guī)劃，獲取無人機(jī)編隊(duì)沿所述全局飛行路徑帶飛行過程中的速度信息。

31、根據(jù)本發(fā)明提供的面向無人機(jī)編隊(duì)的路徑規(guī)劃方法，s6具體包括：

32、s61，對(duì)所述全局平滑路徑上的所有路徑點(diǎn)進(jìn)行抽樣處理，獲取抽樣點(diǎn)集合；

33、s62，根據(jù)任意相鄰兩個(gè)抽樣點(diǎn)之間的間距以及無人機(jī)編隊(duì)飛行的預(yù)設(shè)總時(shí)間，對(duì)預(yù)設(shè)總時(shí)間在任意相鄰兩個(gè)抽樣點(diǎn)之間進(jìn)行分配，獲取任意相鄰兩個(gè)抽樣點(diǎn)之間的分配時(shí)間；

34、s63，根據(jù)任意相鄰兩個(gè)抽樣點(diǎn)之間的分配時(shí)間，對(duì)任意相鄰兩個(gè)抽樣點(diǎn)之間的路徑進(jìn)行軌跡規(guī)劃，獲取無人機(jī)編隊(duì)在任意相鄰兩個(gè)抽樣點(diǎn)之間的速度信息。

35、根據(jù)本發(fā)明提供的面向無人機(jī)編隊(duì)的路徑規(guī)劃方法，s61具體包括：

36、根據(jù)所述全局平滑路徑上路徑點(diǎn)的距離信息對(duì)所述全局平滑路徑進(jìn)行分段抽樣，且距離信息中距離越近的路徑段抽樣比例越大。

37、按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種面向無人機(jī)編隊(duì)的路徑規(guī)劃系統(tǒng)，包括：

38、第一地圖模塊，用于獲取環(huán)境柵格地圖，所述環(huán)境柵格地圖的任一柵格具有坐標(biāo)信息和屬性信息，所述屬性信息為可行區(qū)域或障礙區(qū)域；

39、第二地圖模塊，用于對(duì)所述環(huán)境柵格地圖的任一柵格添加與最近的所述障礙區(qū)域之間間距的距離信息，形成距離場(chǎng)地圖；

40、初始路徑規(guī)劃模塊，用于將所述距離場(chǎng)地圖上的距離信息作為考慮項(xiàng)對(duì)a*算法進(jìn)行改進(jìn)，利用改進(jìn)后的a*算法進(jìn)行初始路徑規(guī)劃，獲取初始的全局飛行路徑；

41、路徑優(yōu)化擴(kuò)展模塊，用于基于所述初始的全局飛行路徑，通過向兩側(cè)擴(kuò)張獲取無人機(jī)編隊(duì)的全局飛行路徑帶，以完成全局路徑規(guī)劃。

42、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的面向無人機(jī)編隊(duì)的路徑規(guī)劃方法及系統(tǒng)：

43、1.提出將與最近的障礙區(qū)域之間間距的距離信息添加至環(huán)境柵格地圖中形成距離場(chǎng)地圖，基于距離信息對(duì)a*算法進(jìn)行改進(jìn)并基于改進(jìn)后的a*算法生成初始的全局飛行路徑，使得生成的路徑與障礙區(qū)域之間的間距可控，有利于與障礙區(qū)域保持安全距離，能夠更好適用于無人機(jī)編隊(duì)的飛行，有利于保證安全性；進(jìn)一步生成路徑帶，可為無人機(jī)編隊(duì)的縮放控制提供依據(jù)，使得無人機(jī)編隊(duì)具有縮放空間，該方案可適用于無人機(jī)編隊(duì)的路徑規(guī)劃，安全性較高；

44、2.通過二次路徑規(guī)劃保留了初始路徑規(guī)劃的有效路徑段，重新確定了初始路徑規(guī)劃的問題路徑段，有利于進(jìn)一步縮短路徑總長(zhǎng)度，確保了全局路徑的安全性和最優(yōu)性，同時(shí)也保證了較高的搜索效率；

45、3.將局部軌跡優(yōu)化方法與全局路徑規(guī)劃方法耦合，在獲取優(yōu)化的全局飛行路徑的基礎(chǔ)上，對(duì)路徑點(diǎn)進(jìn)行采樣，并且對(duì)路徑點(diǎn)間無人機(jī)編隊(duì)的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行規(guī)劃，能夠獲得無人機(jī)編隊(duì)加速度級(jí)的控制輸入，有利于無人機(jī)編隊(duì)平滑穩(wěn)定的飛行；

46、4.相較于傳統(tǒng)的單無人機(jī)路徑規(guī)劃及軌跡優(yōu)化方案，是一種更加適合無人機(jī)編隊(duì)整體的規(guī)劃方案，不但保證了規(guī)劃結(jié)果的安全性和最優(yōu)性，同時(shí)也通過對(duì)算法的改進(jìn)保證了求解的高效性，可以在短時(shí)間內(nèi)獲取結(jié)果。